李 悅

（西安雷通科技有限責(zé)任公司研發(fā)部 陜西 西安 710100）

0 引言

頻率合成器是頻率合成技術(shù)的重要體現(xiàn)，目前多數(shù)電子設(shè)備的功能強(qiáng)大與否均直接依賴其內(nèi)在合成器的性能。頻率合成是將一個(gè)或多個(gè)信號(hào)源通過(guò)合成線性運(yùn)算，產(chǎn)生新頻率的過(guò)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(shù)字頻率合成等多種。本文由于項(xiàng)目需求，為了使電路尺寸更小，實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)便，將采用ADF4113 芯片進(jìn)行鎖相式頻率合成，從而得到一個(gè)穩(wěn)定可控的本振源。

由于某可跳頻的無(wú)線網(wǎng)橋研發(fā)需求，需要使用一個(gè)頻率為2 100 MHz 的穩(wěn)定本振源，并要求本振源所輸出的頻率在需要改變時(shí)（在網(wǎng)橋跳頻時(shí)需要此功能），能隨時(shí)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(jī)STC89C52 和一個(gè)E2PROM AT24C02 設(shè)計(jì)了一款可變頻的本振源，將詳細(xì)分析具體電路和相關(guān)控制程序代碼[1]。

1 無(wú)線網(wǎng)橋變頻系統(tǒng)

隨著技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)橋已經(jīng)普遍應(yīng)用于各種工作場(chǎng)景，傳輸速率由最早的幾兆發(fā)展到現(xiàn)在的百兆以上，得到了質(zhì)的提高。由于無(wú)線網(wǎng)橋產(chǎn)品大多工作在開(kāi)放頻段，為了避免該頻段內(nèi)產(chǎn)品的相互干擾，此類產(chǎn)品的發(fā)射功率均受到嚴(yán)格控制（一般小于18 dBm），因此限制了信號(hào)的傳輸距離（一般在300 m 內(nèi)）。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)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(huì)帶來(lái)系統(tǒng)移動(dòng)性差的問(wèn)題。同時(shí)，2.4 GHz 頻段高，空間傳輸衰耗大，信號(hào)繞射能力差，限制了無(wú)線網(wǎng)橋的應(yīng)用范圍[2]?？紤]到網(wǎng)橋產(chǎn)品具有的上述特點(diǎn)，如果把網(wǎng)橋產(chǎn)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(shí)避開(kāi)開(kāi)放頻段的功率限制，提高發(fā)射功率，而天線又采用了八木天線，使信號(hào)的傳輸距離大大增加，且具備快速移動(dòng)性的特點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)2.4 GHz 網(wǎng)橋變頻系統(tǒng)，使用發(fā)射端通過(guò)混頻和濾波的方法將2.4 GHz 的發(fā)射信號(hào)降頻至300 MHz，在接收端通過(guò)相反的方式將接收到得300 MHz 信號(hào)升頻至2.4 GHz，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)橋工作頻段的變換。通過(guò)共用時(shí)序控制信號(hào)，保證了系統(tǒng)與網(wǎng)橋射頻開(kāi)關(guān)的嚴(yán)格同步。

2 無(wú)線網(wǎng)橋變頻后性能分析

通過(guò)變頻系統(tǒng)降低網(wǎng)橋產(chǎn)品的工作頻段，可以提高網(wǎng)橋信號(hào)的傳輸性能，根據(jù)無(wú)線鏈路的計(jì)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(shè)備的發(fā)射功率；Gta 為發(fā)射天線的增益；Gra 為接收天線的增益；Ltl 為發(fā)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(shè)備的接收靈敏度；d 為兩站之間的距離，km。

假設(shè)發(fā)射功率為30 dBm，接收靈敏度為-70 dBm，發(fā)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(hào)和300 MHz 信號(hào)的傳輸距離分別為9.89 km和79.00 km。可見(jiàn)通過(guò)降低網(wǎng)橋的工作頻段，在自由空間中信號(hào)的傳輸距離顯著增加。此外，低頻信號(hào)的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，信號(hào)的繞射能力增強(qiáng)，在樹(shù)林和障礙物較多的環(huán)境下的傳輸性能也更強(qiáng)[3]。

3 無(wú)線網(wǎng)橋變頻系統(tǒng)模型

變頻系統(tǒng)主要利用高頻混頻器混頻后得到含有300 MHz 的混合信號(hào)，通過(guò)帶通濾波器濾除高次諧波得到最終的發(fā)射信號(hào)。接收端同樣經(jīng)過(guò)混頻濾波后將信號(hào)還原到2.4 GHz 連接到網(wǎng)橋。2.4 GHz 網(wǎng)橋變頻器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 2.4 GHz 網(wǎng)橋變頻器結(jié)構(gòu)

射頻信號(hào)RF1 與網(wǎng)橋射頻輸出端連接，將網(wǎng)橋輸出的信號(hào)送到變頻器的衰減器，將信號(hào)電平調(diào)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(chǎn)生了包含有300 MHz 信號(hào)的復(fù)合信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(hào)，再經(jīng)過(guò)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(fā)射出去，保證發(fā)射信號(hào)頻譜的干凈[4]。變頻系統(tǒng)的電子開(kāi)關(guān)控制信號(hào)與網(wǎng)橋電子開(kāi)關(guān)控制信號(hào)同步，保證在TDD 工作方式時(shí)信號(hào)收發(fā)同步，避免數(shù)據(jù)丟失。

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

4 本振源電路設(shè)計(jì)方案

本振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。頻率合成器是基于亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)有限公司（ADI 公司，美國(guó)）生產(chǎn)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(shè)置頻率合成器的輸入頻率為13 MHz?？刂茊纹瑱C(jī)芯片選用STC 公司生產(chǎn)的AT89C52。為了能使本振源輸出不同頻率的信號(hào)，引出單片機(jī)的串口引腳連接上位機(jī)[5]，以及能使設(shè)備在掉電后能存儲(chǔ)配置好的控制信息，選用24C02 存儲(chǔ)芯片以存儲(chǔ)控制信息。

圖2 本振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(jìn)入鑒相器；C4、C5 為射頻輸入口的旁路電容，根據(jù)ADF4113 的具體要求其大小為100 pF。R1、R2、R3 為功分器，高頻信號(hào)分為兩路，一路輸出，另一路用作反饋。Rset 管腳用于設(shè)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(gè)電阻，用于控制鑒相器輸出的最大電流，其關(guān)系是Icp=23.5/R4。在頻率合成器設(shè)計(jì)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(huán)路濾波電路對(duì)管腳CP 輸出的高頻信號(hào)濾波，然后進(jìn)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(shè)計(jì)

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

初始時(shí)要得到一個(gè)頻率為2 100 MHz 的穩(wěn)定本振源，根據(jù)項(xiàng)目的要求性能規(guī)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(shù)，因此將基準(zhǔn)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(kāi)機(jī)初始時(shí)，要得到的頻率為2 100 MHz，即2 100÷16 ≈131，且余數(shù)是4，因此B=131、A=4，則可將它們先配置到初始數(shù)組中。變頻時(shí)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(gè)需要輸出的頻率值，該值可以通過(guò)串口傳遞給單片機(jī)，此時(shí)在單片機(jī)中需要對(duì)接收的數(shù)進(jìn)行一定的運(yùn)算，從而計(jì)算出A 值和B 值的具體數(shù)值并寫入ADF4113。該運(yùn)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(gè)區(qū)間，第一個(gè)區(qū)間B=118，則其輸出頻率最大值為118×16+63=1 952。為了使下一個(gè)區(qū)間最小能把1 953 包括進(jìn)去，則下一個(gè)區(qū)間B=1 953÷16 ≈122。因此這5 個(gè)區(qū)間B 分別為118、122、126、130、134，而相應(yīng)A=（輸出頻率-B）×16。最后，將A 與B 寫入相應(yīng)寄存器。通過(guò)以上算法，可將想要本振輸出的頻率通過(guò)串口發(fā)送給單片機(jī)，本振源就可以直接輸出相應(yīng)頻率的高頻信號(hào)。

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(kāi)始運(yùn)行，先判定E2PROM 24C02 芯片中指定存儲(chǔ)區(qū)域是否存有數(shù)據(jù)。如果24C02 中的指定存儲(chǔ)區(qū)域已經(jīng)存有數(shù)據(jù)，則將存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寫入到ADF4113 的R 計(jì)數(shù)鎖存器和N 計(jì)數(shù)鎖存器。如果在指定存儲(chǔ)區(qū)域未有任何數(shù)據(jù)，則將配置好的初始化數(shù)組中的數(shù)據(jù)直接寫入ADF4113芯片。在無(wú)線網(wǎng)橋不進(jìn)行跳頻時(shí)，要求其輸出頻率為2 100 MHz，其輸出2 100 MHz 的配置數(shù)據(jù)已經(jīng)保存在初始數(shù)組中，可以直接將數(shù)組中的值寫入ADF4113，這樣的好處是不用運(yùn)行存儲(chǔ)程序，使得設(shè)備開(kāi)機(jī)速度提高，同時(shí)也提高了程序執(zhí)行效率。接著單片機(jī)中程序便進(jìn)入while(1)死循環(huán)，等待上位機(jī)發(fā)出的串口中斷命令，如果接收到中斷請(qǐng)求則進(jìn)入中斷程序，對(duì)24C02 中的數(shù)據(jù)重新配置然后直接寫入ADF4113，從而達(dá)到本振輸出可變頻的目的，并且在下次開(kāi)機(jī)時(shí)保存住了配置數(shù)據(jù)[6]。

8 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文提出了基于ADF4113 的可控本振源的設(shè)計(jì)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(guò)ADF4113 設(shè)計(jì)的可控本振源豐富了網(wǎng)橋的工作頻段，對(duì)擴(kuò)展網(wǎng)橋產(chǎn)品的應(yīng)用范圍，縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約了成本。結(jié)果表明，變頻后的網(wǎng)橋只要配置適當(dāng)?shù)慕K端產(chǎn)品，就可以實(shí)現(xiàn)圖像、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)等的快速傳輸，具有廣闊的市場(chǎng)前景。