基于LMX2306的頻率合成器設(shè)計(jì)

杜慶磊，余國(guó)文，王振華

(空軍雷達(dá)學(xué)院 信息對(duì)抗系，湖北 武漢 430019)

通信對(duì)抗是電子對(duì)抗的重要組成部分，而通信對(duì)抗偵察是實(shí)施通信對(duì)抗的前提和基礎(chǔ)，是使用通信偵察設(shè)備探測(cè)、搜索、截獲敵方無(wú)線(xiàn)電通信信號(hào)，并對(duì)其信號(hào)進(jìn)行測(cè)量、分析、識(shí)別、監(jiān)視以及對(duì)敵方通信設(shè)備的測(cè)向和定位，以截獲其信號(hào)頻率、電平、調(diào)制方式等技術(shù)參數(shù)以及電臺(tái)位置、通信方式、通聯(lián)特點(diǎn)、通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)和屬性等情報(bào)[1]。頻率合成器是接收機(jī)中的一個(gè)關(guān)鍵部件，它的性能直接決定了接收機(jī)的性能指標(biāo)。而頻率合成器中應(yīng)用最廣泛的就是鎖相環(huán)頻率合成器。在通信對(duì)抗偵察接收機(jī)中，廣泛應(yīng)用鎖相環(huán)頻率合成器構(gòu)成本地振蕩器，它的性能指標(biāo)在整個(gè)偵察系統(tǒng)性能指標(biāo)中起著決定性的作用。本文介紹了利用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體(NS)公司的鎖相芯片LMX2306為核心器件設(shè)計(jì)的鎖相環(huán)電路構(gòu)成的頻率合成器，將其應(yīng)用在通信對(duì)抗偵察接收機(jī)中，通過(guò)PC機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)其輸出的頻率在搜索頻率范圍之間進(jìn)行步進(jìn)自動(dòng)搜索和按預(yù)置頻率選頻搜索以及在指定頻率駐留的功能。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

頻率合成器原理框圖如圖1所示。本系統(tǒng)基于鎖相環(huán)原理，利用12.8 MHz的溫度補(bǔ)償晶振與壓控振蕩器MAX2606的反饋信號(hào)經(jīng)LMX2306的分頻、鑒相，并經(jīng)電荷泵和環(huán)路濾波器形成與相位差成比例的電壓信號(hào)來(lái)控制壓控振蕩器MAX2306的輸出。單片機(jī)AT89S52在上位機(jī)軟件通過(guò)串行口接收搜索范圍及搜索速度，控制LMX2306的鎖定輸出，從而達(dá)到一本振掃描的目的。

圖1 頻率合成器框圖

2 LMX2306的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及控制方法

LMX2306是NS公司生產(chǎn)的一款單片集成的射頻PLL芯片，使用了NS公司的ABiC第5代BiCMOS 0.5 μm技術(shù)及數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)，可提供靈活的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)。因此，由LMX2306構(gòu)成鎖相環(huán)，只需結(jié)合高穩(wěn)定度的本地參考振蕩，再外置環(huán)路濾波和壓控振蕩器(VCO)及其他的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)頻率的合成。

LMX2306內(nèi)置1個(gè)分頻比為8/9的雙模前置分頻器(以 P表示)、1個(gè)程序分頻器(N)、1個(gè)參考分頻器(R)和數(shù)字鑒相器(PD)，并自帶鎖相檢測(cè)指示(Lock Detect)、電荷泵輸出等。LMX2306本地參考基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率為5 MHz～40 MHz，最大鑒相頻率為 10 MHz，射頻輸出工作頻率為 25 MHz～550 MHz， 工作電源從 2.3 V～5.5 V。LMX2306的優(yōu)勢(shì)之一是能提供靈活的分頻系數(shù)，可通過(guò)CPU接口實(shí)現(xiàn)對(duì)其不同的設(shè)置。其功能框圖如圖2所示。

圖2 LMX2306功能框圖及控制接口

根據(jù)圖2可得：

式中，R為14位可編程參考分頻器的分頻比，分頻比為3～1 683，LMX2306預(yù)分頻比 P固定為 8；N為 18位程序分頻器的分頻比，N由5位吞吐分頻器A和13位可編程分頻器 B構(gòu)成，A分頻范圍：0～7(A＜P)，B分頻范圍：3～8 191且有 B≧A，因此程序分頻器總分頻比為：

單片機(jī)AT89C52的P1口作為鎖相環(huán)的輸出端口，P1.7、P1.6、P1.5口分別對(duì)應(yīng) LMX2306的 LE(使能端，低電平有效 )、DATA(數(shù)據(jù)輸入腳)、Clock(時(shí)鐘輸入端 ， 上升沿有效)。從Data腳輸入的頻率控制字共21位，其中低兩位是地址位為C1、C2，00表示輸入數(shù)據(jù)設(shè)置 R分頻器，01表示輸入數(shù)據(jù)設(shè)置N分頻器；高19位是數(shù)據(jù)位 D1、D2……D19，在 Clock信號(hào)配合下按位輸入，按D19、D18……D1及 C2、C1的順序輸入，在 LE的上升沿鎖存到21位數(shù)據(jù)寄存器中。其中，R分頻器有效數(shù)據(jù)位為 D1～D14，最大分頻比為 16 383；數(shù)據(jù)位 D1～D5配置N分頻器的吞吐分頻器A最大分頻比為7，數(shù)據(jù)位D6～D18配置N分頻器的可編程分頻器B最大分頻比為8 189。在本系統(tǒng)中，參考晶振頻率為12.8 MHz，信道間隔為 25 kHz。若要求本振鎖定輸出為120 MHz，由式(1)、式(2)得 R=12.8 MHz/25 kHz=512，N=120 MHz/25 kHz=4 800，A=3，B=4 776。具體DATA管腳的輸出如表1所示。

3 環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)

在頻率合成器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，環(huán)路濾波器的選擇和設(shè)計(jì)是必不可少的，也是整個(gè)設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。因?yàn)椋?1)目前在頻率合成器設(shè)計(jì)中，鑒相器和壓控振蕩器采用的都是集成器件，一般只要在選擇的器件中注意其性能指標(biāo)的匹配就可以了，只有環(huán)路濾波器是自己計(jì)算設(shè)計(jì)的；(2)最重要的原因是環(huán)路濾波器可以濾除由鑒相器輸出的誤差電壓的高頻分量和噪聲，且對(duì)環(huán)路參數(shù)調(diào)整起著決定性的作用。

環(huán)路濾波器由電阻、電容以及放大器組成，可分為無(wú)源環(huán)路濾波器和有源環(huán)路濾波器兩類(lèi)。有源環(huán)路濾波器在無(wú)源環(huán)路濾波器增益不足的情況下可以加大環(huán)路增益，但從鎖相環(huán)系統(tǒng)的角度，有源和無(wú)源環(huán)路濾波器沒(méi)有區(qū)別，都是具有一定數(shù)量的零點(diǎn)和極點(diǎn)的低通濾波器。而對(duì)于有電荷泵的鎖相環(huán)，有源濾波器毫無(wú)必要，反而會(huì)引入更多的噪聲，所以電荷泵鎖相環(huán)都采用無(wú)源環(huán)路濾波器，常用的有二階或三階無(wú)源濾波器，而三階環(huán)路濾波器與二階環(huán)路濾波器相比，能更好地濾除參考源的邊帶頻率，所以應(yīng)用更為廣泛。三階環(huán)路濾波器的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 三階環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu)

其傳遞函數(shù)如下：

式中：

從環(huán)路帶寬的定義中：

得到

表1 LMX2306控制字表

最后得：

其中C3可以自由的給定，但至少要小于C1/5。C2取得較大有兩個(gè)好處：一是給后面的VCO一定的輸入電容，可使寄生影響減?。欢强梢詼p小R3，使得熱噪聲減少。在設(shè)計(jì)中，根據(jù)計(jì)算及工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定環(huán)路濾波器各元件的參數(shù)值。

4 電路設(shè)計(jì)及測(cè)試

由理論計(jì)算得頻率合成器電路圖如圖4所示，用GSP810頻譜分析儀在鎖定輸出為136 MHz時(shí)所得的頻譜分析儀的測(cè)試圖如圖5所示，經(jīng)測(cè)試頻率合成器的主要技術(shù)指示如下：

頻率準(zhǔn)確度：±10 ppm；輸出信號(hào)功率：17±1 dBm；單邊帶相位噪聲：＜-63 dBc/Hz@10 kHz。

[1]王銘三.通信對(duì)抗原理[M].北京:解放軍出版社，1999:128-130.

[2]National Semiconductor Corporation.LMX2306 datasheet[Z].2004.

[3]張厥盛，鄭繼禹，萬(wàn)心平.鎖相技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1994.