孫文權(quán)

摘要：本文基于HMC833LP6GE多核VCO鎖相環(huán)芯片，采用乒乓式鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)手動(dòng)校準(zhǔn)預(yù)置VCO子段快速搜尋方法，實(shí)踐并優(yōu)化關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了C頻段4～6GHz、跳速30000跳/秒、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間50ns的寬帶高速跳頻的頻率源設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：跳頻；鎖相環(huán)；HMC833；C頻段；頻率源

1 引言

頻率源是現(xiàn)代微波通信系統(tǒng)的“心臟”，作為本振信號(hào)和中頻信號(hào)進(jìn)行上、下變頻，或者直接用作時(shí)鐘信號(hào)，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性、隱蔽性及數(shù)字處理能力。隨著電子對(duì)抗、跳頻抗干擾、隱蔽通信等領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，對(duì)頻率源在高頻率、寬頻帶、低相噪、高跳速、小體積等方面提出越來(lái)越高的要求。跳頻工作頻率更寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間更短、體積功耗重量更小的跳頻源一直是中外射頻設(shè)計(jì)師的研究熱點(diǎn)。乒乓式鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)能夠縮短一半的鎖相時(shí)間，常常被用于高速跳頻系統(tǒng)中，具有輸出雜散好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)[1]。

2 設(shè)計(jì)原理

某新一代預(yù)研通信項(xiàng)目的信道變頻模塊需要一個(gè)寬帶高速跳頻本振信號(hào)，其關(guān)鍵指標(biāo)包括：頻率4～6GHz、頻率分辨率100Hz、跳頻速率20000跳/秒、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間100ns、相位噪聲優(yōu)于-95dBc@10kHz，雜散優(yōu)于-60dBc。鎖相環(huán)（PLL）和直接數(shù)字頻率合成（DDS）是實(shí)現(xiàn)頻率源的兩種主要方式，PLL受限于鎖頻時(shí)間和高分辨率，DDS受限于寬帶高頻和雜散抑制。經(jīng)技術(shù)指標(biāo)分析并結(jié)合軟件仿真，本文基于鎖相環(huán)芯片HMC833，利用乒乓式鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)快速跳頻切換，實(shí)現(xiàn)低成本、小型化的寬帶高速跳頻的頻率源。

PLL1與PLL2采用基于HMC833頻率合成器芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，兩者電路一致，由外部100MHz晶振和FPGA提供參考時(shí)鐘和SPI控制，然后通過(guò)3個(gè)單刀雙擲射頻開(kāi)關(guān)HMC347進(jìn)行乒乓式快速切換，提高PLL1與PLL2的輸出隔離度。鏈路中的高通濾波器HPF3800用于抑制HMC833的基頻VCO頻率（2～3GHz），固定增益放大器不僅用于提高輸出功率，而且作為反向隔離可避免鎖相環(huán)輸出的負(fù)載牽引。當(dāng)HMC347的跳頻切換脈沖（跳頻速率）為上升沿時(shí)，表示使用PLL1輸出頻率f1，同時(shí)FPGA經(jīng)SPI2接口給PLL2預(yù)置頻率f2，即PLL2處于鎖頻狀態(tài)。反之，當(dāng)HMC347的跳頻切換脈沖為下降沿時(shí)，表示使用PLL2輸出頻率f2，同時(shí)FPGA經(jīng)SPI1接口給PLL1預(yù)置頻率f3，即PLL1由上一跳的工作狀態(tài)切換為鎖頻狀態(tài)。依次循環(huán)，兩個(gè)鎖相環(huán)交互乒乓式不斷切換“工作-鎖頻”狀態(tài)，跳頻切換時(shí)間取決于射頻開(kāi)關(guān)的捷變時(shí)間，跳頻速率取決于鎖相環(huán)的鎖頻時(shí)間。

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

ADI公司的HMC833LP6GE是一款集成PLL+VCO的小數(shù)N分頻鎖相環(huán)，內(nèi)部基頻VCO由四個(gè)子VCO復(fù)合而成，結(jié)合輸出分頻器與倍頻器，輸出頻率范圍可達(dá)25～6000MHz。鑒相頻率支持100MHz，24位步長(zhǎng)小數(shù)精度，輸出功率可編程調(diào)節(jié)0～9dBm[2]。具有業(yè)界領(lǐng)先的超低相位噪聲和優(yōu)異雜散性能，最大限度的減小阻塞效應(yīng)和提高頻譜純度。射頻開(kāi)關(guān)芯片選用ADI公司的HMC347ALP3E，頻率覆蓋DC至14GHz、隔離度45dB、切換響應(yīng)時(shí)間約10ns，使用-5V/0V雙路控制且無(wú)需供電的吸收型單刀雙擲開(kāi)關(guān)[3]。

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，HMC833輸出選擇倍頻模式，可輸出頻率3～6GHz，滿足4～6GHz；鑒相頻率為50MHz，頻率分辨率= 50MHz/224≈3Hz，滿足100Hz；HMC347開(kāi)關(guān)切換約10ns，附加控制時(shí)延不大于20ns，滿足100ns。

鎖相環(huán)的環(huán)路濾波器參數(shù)與鑒相頻率、相位噪聲、鎖定時(shí)間等指標(biāo)密切相關(guān)，實(shí)踐證明環(huán)路帶寬越大、鑒相頻率越高，則帶內(nèi)相位噪聲越好、鎖定時(shí)間越小[2]。本文中設(shè)計(jì)典型二階無(wú)源環(huán)路濾波器，借助ADI公司ADIsimPLL_V4.2軟件，當(dāng)環(huán)路帶寬294kHz，相位裕度55.4°時(shí)，仿真得到鎖定時(shí)間約25us，相位噪聲約-103dBc@10kHz。

FPGA按照SPI串口控制協(xié)議分別控制兩個(gè)鎖相環(huán)，首先完成18個(gè)32位寄存器初始化，然后執(zhí)行20個(gè)頻點(diǎn)的頻率跳頻流程。優(yōu)化后的初始化序列為：Reg 00h=00002000h；Reg 01h=00000208h；Reg 02h=00000210h；Reg 05h=00162828h；Reg 05h=0060A028h；Reg 05h=00E09028h；Reg 05h=00201828h；Reg 05h=000F8828h；Reg 05h=00700028h；Reg 06h=030F4A30h；Reg 07h=002D4E38h；Reg 08h=C1BEFF40h；Reg 09h=5CBFFF48h；Reg 0Ah=00084650h；Reg 0Bh=0F806158h；Reg 0Fh=00008178h；Reg 03h=00003018h；Reg 04h=19999A20h。

4 性能測(cè)試

在研制接收信道變頻設(shè)計(jì)中，依據(jù)圖1原理框圖，設(shè)計(jì)寬帶高速跳頻的頻率源作為本振信號(hào)，其PCB實(shí)物頻率源局部見(jiàn)圖2左。PLL1上電初始化后輸出4.8GHz，通過(guò)頻譜儀測(cè)試相位噪聲-99.5dBc@10kHz，帶內(nèi)雜散-73.4dBc，滿足技術(shù)要求。

HMC833內(nèi)部的自動(dòng)校準(zhǔn)模式控制簡(jiǎn)單，但實(shí)測(cè)鎖頻時(shí)間平均約46us。為進(jìn)一步縮短鎖頻時(shí)間得到足夠余量，采用手動(dòng)校準(zhǔn)模式。首先在自動(dòng)校準(zhǔn)模式下對(duì)輸出頻率4～6GHz進(jìn)行1MHz步進(jìn)掃頻，回讀寄存器VCO_Reg 00h對(duì)應(yīng)每個(gè)頻點(diǎn)VCO調(diào)諧變?nèi)莨艿淖訋?shù)值，存入EEPROM存儲(chǔ)器，組成一張“頻率—子帶”對(duì)照表。然后初始化為手動(dòng)校準(zhǔn)模式，F(xiàn)PGA在更改頻率時(shí)可同時(shí)提取該頻率所屬的VCO調(diào)諧子帶數(shù)值，即省去了VCO自動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)間約20us，此時(shí)任一跳頻頻率解調(diào)后查看波形見(jiàn)圖2右。經(jīng)10個(gè)測(cè)試頻率多次驗(yàn)證，鎖頻時(shí)間平均約26us，滿足50us即20000跳/秒，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間平均約47ns，滿足100ns技術(shù)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于HMC833LP6GE芯片的乒乓式鎖相環(huán)頻率源的工作原理及實(shí)現(xiàn)方法，并給出了具體的設(shè)計(jì)參數(shù)和測(cè)試方法。結(jié)果表明頻率源可支持C頻段帶寬2GHz、3萬(wàn)跳/秒、轉(zhuǎn)換50ns的跳頻能力，兼有超低相位噪聲及優(yōu)異雜散性能，滿足軍用及工業(yè)級(jí)應(yīng)用環(huán)境，具有很好的參考價(jià)值與一定的工程意義。

參考文獻(xiàn)

[1]遠(yuǎn)板俊昭.鎖相環(huán)（PLL）電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社.2011.

[2]劉穎.鎖相環(huán)中鑒相器和環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué).2013.

（作者單位：廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司南京研究所）