小数分频与快锁芯片ADF4193的原理与应用

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0引言在数字移动通信系统的设计过程中，经常采用跳频方法来提高通信系统的抗干扰、抗多径衰落能力。但这要求快速跳频系统中的超快速跳频PLL能够在几十微秒(μs)内稳定到所要求的相位和频率。为达到这个要求，可采用"乒乓"体系结构。但这种结构需要两个频率合成器。其中当一个频率合成器作为LO工作时．另一个频率合成器的作用是锁定下一步要求的频率。而现在。也可以用一个快锁芯片来实现。美国ADI公司生产的ADF4193快速开关频率合成器就是采用一个PLL的快锁芯片。它能满足"乒乓"结构的切换指标，故可用在无线发射机和接收机的上变频和下变频电路的LO电路中。1 ADF4193的特点和PLL工作原理ADF4193是基于小数分频的快锁芯片。该芯片的主要特点如下：◇具有快速调整的小数-N锁相环结构；◇可用单片锁相环代替开关式合成器；◇可在GSM频带内实现5μs跳频，并可在20μs内使相位稳定；◇2 GHz输出时具有0.5级的相位误差；◇可编程输出相位；◇射频输入范围可达3.5 GHz；◇带有3线串行接口；◇芯片内置低噪声差动放大器；◇其相位噪声灵敏度可达-216 dBc／Hz。ADF4193主要是基于"乒乓"体系结构的跳频原理。ADF4193的工作原理如图1所示，图中，VCO的作用是提供一个参考频率fx，fx经过预分频R得到鉴相器输入端的参考频率，图1中的环路滤波器的作用是滤除鉴相器输出信号的高频成分和噪声，并将鉴相器的输出电流转化为电压送到VCO的输入端。以控制VCO的输出频率。同时将VCO输出频率经过N分频后反馈给鉴相器。鉴相器的作用是对反馈频率和参考鉴相频率进行比较，当鉴相器两个输入信号的相位同步(且fvco／N＝fr)时，VCO的输出频率就是要锁定的频率。

式中，分频数N既可是整数，也可是小数。2分频器对PLL的指标影响2.1相位噪声一般情况下，分频器的分频比N对PLL的有关指标的影响比较大。这里主要介绍其对相位噪声、锁定时间的影响。 影响相噪的因素通常有分频比、鉴相频率、PLL固有底噪和闭环传递函数等。其近端带内相噪的大小可用下式表示：

式中，PN／Hz表示PLL的固有底噪，N为分频比，fcomp为鉴相比较频率；从(2)式可以看出，在通带内，相噪主要由鉴相器决定，当鉴相频率fcomp增大一倍时，对应值减小一半，输出频率保持不变，其相噪可改善了3 dB。所以，为了减小通带内的相噪，设计时应该尽量使用分频比比较小的PLL。2.2锁定时间锁定时间和闭环带宽有很大关系，环路带宽越大，锁定时间越短，环路带宽越小，锁定时间越长。对于2阶环，其锁定时间T∝1／ωξ(其中ω为环路带宽，ξ为阻尼系数)。所以，一般情况下，可以通过改变环路带宽的值来改变锁定时间。对于整数分频来说，环路带宽的选取最多只能是参考频fr的1／10。所以，仅靠环路带宽来改变锁定时间的方法有其很大的局限性。对于小数分频，环路带宽的选取基本上和参考频率fr的关系很小，小数分频的参考频率可以选的很大，如ADF4193的fr可选为13 MHz。如果1／10按来计算，环路带宽可以宽到1.3 MHz，所以小数分频的环路带宽的选取几乎可以不考fr。虽然环路带宽越宽，锁定时间越短，但是，也不能把环路带宽设置的特别大，因为环路带宽越大，滤波效果越差，这样，PLL输出频率的底噪就越高。在环路锁定的情况下，参考时钟和再生时钟通常都存在固定的相位差，若将相差假设为△t，则其相位误差计算公式如下：

其中：Vtune是VCO或VCXO的调谐端电压，单位V；Ipump_out为鉴相器的输出鉴相电流，单位mA；Fcomp表示鉴相频率，单位kHz；ZVCO是VCO或VCXO的输入阻抗，单位欧姆。由式(3)此可以看出，要使参考时钟和再生时钟的相位差尽量小，起主要作用因素的是系统的鉴相频率和振荡器的输入阻抗要足够大。△t的范围与锁定是密切相关的。大多数的PLL芯片都要求在锁定时刻，其连续3个或5个鉴相周期的绝对相位误差要小于15 ns，否则即视为失锁。具体选取3个还是5个鉴相周期，可通过相应的寄存器来设置。在锁定期间，任一周期的相位误差大于25 ns，即为失锁。一般情况下，环路带宽、锁定时间和相位噪声会相互影响、相互制约。要获得较短的锁定时间，就需要较大的环路带宽，但也会引入更多的噪声，因而有可能导致相位噪声的恶化。同样，如果需要良好的相位噪声，则环路带宽就要变窄，此时的锁定时间就会增加。如果想在不改变环路带宽的情况下改善相位噪声，根据公式(2)，可在分频器Ⅳ和鉴相频率Fcomp做一些改善。3 FPGA对ADF4193的配置过程通过Verilog语言进行编程，可用FPGA来实现对ADF4193的配置。ADF4193中有八个寄存器，通过对这八个寄存器的配置，可以使ADF4193进入正常工作状态。ADF4193有一个3线串行接口，这三个接口分别为LE、CLK、DATA。数据可在时钟的上升延从ADF4193的3线串行接口输入到24-bit的输入移位寄存器，高字节在前。在使能信号LE的上升延，移位寄存器的数据将被锁入到8个寄存器R0～R7的其中之一。具体写给哪个寄存器，可由移位寄存器的24-bit最低位的三个控制比特c3、c2、c1来决定。按照一定的方式将初始化配置数据发送到ADF4193对应的寄存器，即可实现ADF4193的初始化。图2所示是用逻辑分析仪抓到的配置图。图2给出了ADF4193的17步配置过程。其中寄存器R0和R2的值决定了锁相环的输出频率。图2中，在配置完前两个寄存器后，还需要等待10ms的时间，以便环路滤波器的电容能够放电。通过这样的配置可以将ADF4193配置在任何一个需要的频率上。需要说明的是，只有当初始化过程稳定，才可以进行跳频操作。否则，ADF4193将无法进行正常的跳频功能。  对应图2，即可得到第一个被配置的寄存器的配置时序，其具体的时序图如图3所示。从图3可见，给一个寄存器配置数据可通过LE信号进行控制。在LE为低电平时。恰好有24个时钟周期卡在LE的前一个下降延和后一个上升延之内。从数据的后三位可以看出，这次配的寄存器是R5。其它寄存器的配置过程为此相同。  4 PLL指标的测量4.1相噪的测量利用仪表的相噪模板可对ADF4193的输出相噪进行测量。其测量结果如图4所示。从图4可以看到，Freq Offset在：100 Hz、1kHz、10 kHz、100 kHz和1 MHz处都可以达到很好的指标。  4.2锁定时间的测量为了节约成本，可以采用ADI公司提供的AD8302并结合示波器对锁定时间进行测量，基于AD8302的测量原理结构如图5所示。实际使用证明，ADF4193的锁定时间可以达到所需要的指标。此外，采用FPGA来实现对ADF4193的配置，其过程相对比较简单且易实现，而同时性能也能得到保证。5结束语由ADF4193的配置时序可以看出，ADF4193是一款易配置和使用的芯片，使用它可以简化设计复杂度，缩短项目调试周期。从测量的相位噪声和锁定时间的结果可以看出：ADF4193具有很好的性能指标，而且稳定性比较好。ADF4193的最主要的优点是可以简单的实现跳频，它不再需要使用"乒乓切换"电路，因而可缩短系统的切换时间，以在时隙的保护时间内实现频率切换。事实证明，ADF4193比"乒乓切换"电路更能简化电路，减少成本，同时可节省PCB的布板面积。很适合在通信系统中使用。