基于ADF4113的可控本振源在網橋的變頻應用

李 悅

（西安雷通科技有限責任公司研發部 陜西 西安 710100）

0 引言

頻率合成器是頻率合成技術的重要體現，目前多數電子設備的功能強大與否均直接依賴其內在合成器的性能。頻率合成是將一個或多個信號源通過合成線性運算，產生新頻率的過程。頻率合成的方法有鎖相式頻率合成、直接頻率合成、直接數字頻率合成等多種。本文由于項目需求，為了使電路尺寸更小，實現更簡便，將采用ADF4113 芯片進行鎖相式頻率合成，從而得到一個穩定可控的本振源。

由于某可跳頻的無線網橋研發需求，需要使用一個頻率為2 100 MHz 的穩定本振源，并要求本振源所輸出的頻率在需要改變時（在網橋跳頻時需要此功能），能隨時改變其輸出頻率。本文基于鎖相器為ADF4113 頻率合成模塊、單片機STC89C52 和一個E2PROM AT24C02 設計了一款可變頻的本振源，將詳細分析具體電路和相關控制程序代碼[1]。

1 無線網橋變頻系統

隨著技術的發展，無線網橋已經普遍應用于各種工作場景，傳輸速率由最早的幾兆發展到現在的百兆以上，得到了質的提高。由于無線網橋產品大多工作在開放頻段，為了避免該頻段內產品的相互干擾，此類產品的發射功率均受到嚴格控制（一般小于18 dBm），因此限制了信號的傳輸距離（一般在300 m 內）。在點對點系統中采用定向天線和加大天線口徑的方法，可以提高傳輸距離，但會帶來系統移動性差的問題。同時，2.4 GHz 頻段高，空間傳輸衰耗大，信號繞射能力差，限制了無線網橋的應用范圍[2]。考慮到網橋產品具有的上述特點，如果把網橋產品的射頻頻段降低到較低的頻段，使空間傳輸衰耗降低，同時避開開放頻段的功率限制，提高發射功率，而天線又采用了八木天線，使信號的傳輸距離大大增加，且具備快速移動性的特點。

本文設計了一個2.4 GHz 網橋變頻系統，使用發射端通過混頻和濾波的方法將2.4 GHz 的發射信號降頻至300 MHz，在接收端通過相反的方式將接收到得300 MHz 信號升頻至2.4 GHz，從而實現網橋工作頻段的變換。通過共用時序控制信號，保證了系統與網橋射頻開關的嚴格同步。

2 無線網橋變頻后性能分析

通過變頻系統降低網橋產品的工作頻段，可以提高網橋信號的傳輸性能，根據無線鏈路的計算公式可表示為：

Pr=Pt-Ltl+Gta-Ltm+Gra-Lrl。

其中，Ltm=32.5+20log f+20log d，Pr ≥Sr。

式中：Pr 為接收功率；Pt 為設備的發射功率；Gta 為發射天線的增益；Gra 為接收天線的增益；Ltl 為發射端傳輸線路衰耗；Lrl 為接收端傳輸線路衰耗；Ltm 為傳輸空間衰耗；f 為使用頻率，MHz；Sr 為設備的接收靈敏度；d 為兩站之間的距離，km。

假設發射功率為30 dBm，接收靈敏度為-70 dBm，發射、接收天線增益同為20 dBm，在不考慮傳輸線衰耗下，則2.4 GHz 信號和300 MHz 信號的傳輸距離分別為9.89 km和79.00 km。可見通過降低網橋的工作頻段，在自由空間中信號的傳輸距離顯著增加。此外，低頻信號的波長較長，信號的繞射能力增強，在樹林和障礙物較多的環境下的傳輸性能也更強[3]。

3 無線網橋變頻系統模型

變頻系統主要利用高頻混頻器混頻后得到含有300 MHz 的混合信號，通過帶通濾波器濾除高次諧波得到最終的發射信號。接收端同樣經過混頻濾波后將信號還原到2.4 GHz 連接到網橋。2.4 GHz 網橋變頻器結構，如圖1所示。

圖1 2.4 GHz 網橋變頻器結構

射頻信號RF1 與網橋射頻輸出端連接，將網橋輸出的信號送到變頻器的衰減器，將信號電平調整到合適的范圍。傳送到2.4 GHz 帶通濾波器去除外界干擾，并送往下變頻混頻器，與本地振蕩器混頻后，產生了包含有300 MHz 信號的復合信號，經過中心頻率為300 MHz 的帶通濾波器濾除諧波，選出300 MHz 的傳輸信號，再經過功率放大器放大到需要的功率，最后由300 MHz 濾波器濾除諧波后發射出去，保證發射信號頻譜的干凈[4]。變頻系統的電子開關控制信號與網橋電子開關控制信號同步，保證在TDD 工作方式時信號收發同步，避免數據丟失。

相反接收到的300 MHz 傳輸信號RF2，由固定的300 MHz 濾波器濾除外界干擾，并經過放大后送往上變頻混頻器，與本地振蕩器混頻后得到網橋的射頻信號RF1，由網橋頻段濾波器濾除干擾信號后，經放大器放大至合適的電平后送往網橋。

4 本振源電路設計方案

本振系統結構，如圖2所示。頻率合成器是基于亞德諾半導體技術有限公司（ADI 公司，美國）生產的一款高性能鎖相頻率合成芯片ADF4113，外加濾波器和壓控振蕩器組成，設置頻率合成器的輸入頻率為13 MHz。控制單片機芯片選用STC 公司生產的AT89C52。為了能使本振源輸出不同頻率的信號，引出單片機的串口引腳連接上位機[5]，以及能使設備在掉電后能存儲配置好的控制信息，選用24C02 存儲芯片以存儲控制信息。

圖2 本振系統結構

5 頻率合成器模塊的電路原理及電路分析

頻率合成器電路原理如圖3所示，其中，C1、C2、C3 為隔直電容，防止直流電流進入鑒相器；C4、C5 為射頻輸入口的旁路電容，根據ADF4113 的具體要求其大小為100 pF。R1、R2、R3 為功分器，高頻信號分為兩路，一路輸出，另一路用作反饋。Rset 管腳用于設置鎖相器輸出的最大電流，其電流從管腳CP 輸出。在Rset 管腳與地之間放置1 個電阻，用于控制鑒相器輸出的最大電流，其關系是Icp=23.5/R4。在頻率合成器設計中要求Icp max=5 mA，因此R4=4.7 k。R5、R6 為匹配電阻。R7、R8、C6、C7、C8 為組成環路濾波電路對管腳CP 輸出的高頻信號濾波，然后進入壓控振蕩器。

圖3 頻率合成器電路原理

6 本振源可變頻的算法設計

在本文應用中，除此可變頻本振源與2.4 GHz 混頻得到300 MHz 外，在網橋調試時，還希望此可變頻本振源輸出其他頻率（1 900～2 200）MHz，因此關鍵程序算法如下。

初始時要得到一個頻率為2 100 MHz 的穩定本振源，根據項目的要求性能規定，選擇使用13 MHz 的晶振，則鑒頻器的參考頻率fre=13 MHz，而2 097 不是13 的整倍數，因此將基準頻率分頻器R=13，即fre/R=1，fvco=P×B+A。而ADF4113 要求fvco/P ＜200 MHz，由此將P=16。開機初始時，要得到的頻率為2 100 MHz，即2 100÷16 ≈131，且余數是4，因此B=131、A=4，則可將它們先配置到初始數組中。變頻時可控本振的輸出頻率范圍要求在1 900～2 200 MHz，在上位中輸入一個需要輸出的頻率值，該值可以通過串口傳遞給單片機，此時在單片機中需要對接收的數進行一定的運算，從而計算出A 值和B 值的具體數值并寫入ADF4113。該運算的算法為1 900÷16 ≈118。而A 范圍最大為63，因此可將（1 900～2 200）MHz 分為5 個區間，第一個區間B=118，則其輸出頻率最大值為118×16+63=1 952。為了使下一個區間最小能把1 953 包括進去，則下一個區間B=1 953÷16 ≈122。因此這5 個區間B 分別為118、122、126、130、134，而相應A=（輸出頻率-B）×16。最后，將A 與B 寫入相應寄存器。通過以上算法，可將想要本振輸出的頻率通過串口發送給單片機，本振源就可以直接輸出相應頻率的高頻信號。

7 本振源控制程序流程

本振源控制程序流程，如圖4所示。

圖4 本振源控制程序流程

程序開始運行，先判定E2PROM 24C02 芯片中指定存儲區域是否存有數據。如果24C02 中的指定存儲區域已經存有數據，則將存儲器的數據寫入到ADF4113 的R 計數鎖存器和N 計數鎖存器。如果在指定存儲區域未有任何數據，則將配置好的初始化數組中的數據直接寫入ADF4113芯片。在無線網橋不進行跳頻時，要求其輸出頻率為2 100 MHz，其輸出2 100 MHz 的配置數據已經保存在初始數組中，可以直接將數組中的值寫入ADF4113，這樣的好處是不用運行存儲程序，使得設備開機速度提高，同時也提高了程序執行效率。接著單片機中程序便進入while(1)死循環，等待上位機發出的串口中斷命令，如果接收到中斷請求則進入中斷程序，對24C02 中的數據重新配置然后直接寫入ADF4113，從而達到本振輸出可變頻的目的，并且在下次開機時保存住了配置數據[6]。

8 結語

綜上所述，本文提出了基于ADF4113 的可控本振源的設計原理，分析了頻率合成器的電路原理及ADF4113 芯片的部分控制程序，并通過ADF4113 設計的可控本振源豐富了網橋的工作頻段，對擴展網橋產品的應用范圍，縮短開發周期，節約了成本。結果表明，變頻后的網橋只要配置適當的終端產品，就可以實現圖像、語音、數據等的快速傳輸，具有廣闊的市場前景。