基于ADF4153的數字電視激勵器上變頻本振設計

趙小寒 宋經雄（廣西廣播電視技術中心）

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基于ADF4153的
數字電視激勵器上變頻本振設計

趙小寒 宋經雄
（廣西廣播電視技術中心）

［摘 要］通過分析頻率合成器的基本原理，闡述采用小數分頻的ADF4153芯片完成頻率合成器的設計。詳細介紹元器件的選型以及采用ADIsimPLL來對環路濾波器進行仿真和優化設計。最后通過實驗來驗證軟硬件設計的可行性。

［關鍵詞］ADF4153芯片 ; 地面數字電視 ; 激勵器 ; 頻率合成器

1　引言

地面數字電視網與有線數字電視網、衛星數字電視網并列為三大數字電視網絡，是覆蓋我國移動電視終端、廣大城郊、農村電視用戶的良好途徑，通過地面電視數字化改造后的數字電視網的覆蓋，能夠讓更多的用戶觀看內容豐富的數字電視節目。

地面數字電視廣播激勵器技術指標直接影響地面數字電視廣播發射機性能和地面數字電視網絡覆蓋效果。數字電視激勵器中上變頻部分是實現中頻信號到電視射頻信號變換的關鍵模塊。上變頻器對頻率合成器的相位噪聲、帶內雜散提出越來越高的要求。在常用的幾種頻率合成技術中，鎖相頻率合成系統因為結構簡單，輸出頻譜純度高，是目前頻率合成廣泛采用形式［1］。本文研究通過小數分頻鎖相合成技術來產生寬帶、低噪、低成本的頻率合成器。

2　鎖相環原理及鎖相芯片選型

鎖相環是一個相位負反饋控制系統，其原理框圖如圖1所示。鑒相器把晶振輸入信號相位與壓控振蕩器輸出信號相位進行比較，產生控制電壓，該控制電壓經過環路濾波器濾除誤差信號的高頻分量之后改變壓控振蕩器的輸出頻率，該輸出頻率經分頻后反饋到鑒相器，從而減小輸入信號與壓控振蕩器的相位誤差。鎖相環利用其良好的窄帶跟蹤特性使壓控振蕩器的輸出頻率準確地鎖定在所需要的頻率上。

從圖1中可以看出，改變分頻比N能得到不同的合成頻率，環路的輸出頻率fo=N*fref。fref為來自晶體振蕩器的輸入參考頻率，fo為壓控振蕩器的輸出頻率。

本次設計頻率合成器技術指標要求是：工作頻率穩定輸出在1.1GHz，輸出雜散優于 -60dBc，相位噪聲優于-90 dBc@1kHz。

現階段的頻率合成器大多采用整數分頻比，缺點是頻率轉換時間長，頻率分辨率低；小數分頻比的頻率合成器，可以獲得較高分辨率，較低的相位噪聲［2］。本設計采用美國ANALOG DEVICES公司生產的一款高性能小數頻率合成芯片ADF4153。

圖1　鎖相環原理框圖

3　頻率合成器的實現

3.1參考頻率和壓控振蕩器選擇

參考晶振頻率和壓控振蕩器的選擇首先是考慮這兩者的輸出功率是否能滿足輸入靈敏度要求。保證參考計數器和反饋計數器不會誤工作。本文采用10MHz恒溫晶體來提供ADF4153要求的參考頻率。

壓控振蕩器主要是通過調整外加電壓來改變輸出頻率，盡量選擇壓控振蕩器的輸出頻率對應的控制電壓在可用調諧電壓范圍的中點。靈敏度是選型考慮的一個重要因素，器件靈敏度越低，其穩定性也較差，輸出的相位噪聲也會隨穩定性下降而急劇增加。設計中采用的是ZCOMM公司的V582ME10-LF，調諧電壓為0.5V-5.5V。

3.2環路濾波參數設置

頻率合成電路設計中，鎖相環的基本頻率特性由環路濾波器性能決定。環路濾波器的主要作用是控制帶內外噪聲，抑制鑒相器輸出的高頻成分噪聲，維持環路穩定。環路濾波器的設計主要包括環路帶寬、濾波器的結構。環路帶寬對噪聲的抑制、對環路的穩定性和捕獲時間的影響在參考文獻［3］中已經做過分析。

采用參考文獻［3］中對有源和無源環路濾波器的設計方法來進行參數設計顯得比較麻煩。為了簡化設計難度，本文采用ADI發布的免費仿真工具ADIsimPLL來進行輔助設計，它具有對小數N分頻雜散估計進行仿真的全新功能，允許用戶調整參數，根據不同的環路濾波器來設置雜散，從而對系統中的雜散進行更好的完善。仿真參數設置：參考晶振為10MHz，鑒相頻率為5MHz，環路帶寬為200kHz，壓控振蕩器靈敏度為38 MHz/V，輸出中心頻率為1.100GHz。為了方便購買元件，結合仿真結果進行微調，最終確定環路帶寬為270kHz，電路結構及元件值如圖2所示。

圖2　環路濾波器仿真圖

圖3　環路濾波器仿真圖

經過軟件優化，相位噪聲仿真如圖3所示，輸出頻率為1.100GHz，相位噪聲為-100 dBc@1kHz，-105dBc@10kHz。仿真輸出噪聲和雜散都能滿足系統要求。

3.3頻率合成器的電路原理圖

圖4　頻率合成器電路圖

本頻率合成器由ADF4153、環路濾波器、壓控振蕩器和控制單片機構成。單片機采用STC15F104W。整個頻率合成器的電路原理圖如圖4所示。

4　測試結果分析及參數優化

本頻率合成器測試采用ETL數字電視分析儀，安捷倫頻譜分析儀，數字示波器，萬用表。

4.1實測輸出相噪分析

實測輸出相噪如圖5所示。本設計理論相噪滿足系統要求。由于布線和器件選擇的原因，實測與理論分析有一定差距。實測中發現，調整環路濾波器帶寬對相噪有影響。選擇相噪指標高的晶振和壓控振蕩器對系統相噪有一定的改善，但是會增加系統成本。

圖5　系統實測相噪圖

4.2實測輸出頻譜雜散分布分析及改進

從圖6可以看出在中心頻率附近有2個小尖峰脈沖，根據文獻［1］分析，尖峰的產生第一個原因可能是因為電荷泵電流適配，針對這個原因，測試的時候通過程序設計將電荷泵電流適配調低到原來的一半，但是雜散尖峰脈沖沒有明顯改善，也就是說電荷泵電流適配這個因素對尖峰的產生影響不大。第二個原因可能是環路的帶寬影響。調整環路帶寬，雖然有一定的改善，但改善幅度不大。第三個原因可能是電路隔離濾波，因為電路PCB在不重新布線的情況下幾乎沒有辦法改善，只能選擇改善電源濾波。電源濾波原來采用的陶瓷電容，示波器測得紋波有20mV。在陶瓷電容的基礎上并聯鉭電容，紋波降到10mV以內。尖峰脈沖得到了極大的改善，同時相位噪聲也得到改善。改善之后頻譜實測圖如圖7所示。

5　結束語

采用ADF4153設計數字地面電視激勵器的第一固定頻率本振，具有系統結構簡單。本文分別從鎖相環原理、器件選型、電路調試和優化等幾個方面闡述了整個設計過程。實驗結果表明設計的頻率合成器在頻率穩定性和相噪要求方面都能滿足設計要求。

圖6　改進前頻譜圖

圖7. 改善之后的頻譜圖

參考文獻

［1］ 基于ADF4153的頻率合成器設計 張景山 張其善［M］.遙測遙控,2008,29（5）,9-13

［2］ S波段鎖相頻率合成器的設計 王飛 馬勝前［M］.

［3］ 頻率合成器環路濾波器的設計 趙彥芬［M］.無線電工程,2006,36（4）,39-41