基于ADF4360-8的频率合成系统*

胡正群，施浒立，裴 军，范江涛，杜晓辉

(中国科学院国家天文台，北京 100012)

在卫星通信中，多普勒频移现象普遍存在，提高频率的稳定性，对于接收机的解调解扩有着重要的意义。频率合成是由一个稳定、标准的参考频率经过一系列处理，产生具有同样稳定度和精确度的大量离散频率的过程[1]。在无线通信系统中，对于接收机而言，它是接收机的本地振荡器。

卫星地面站接收的中频信号为标准的70 MHz信号，直接输入到数字接收机会使接收机的采样频率较高，不利于接收机稳定工作。本文通过对ADI公司生产的集成锁相芯片ADF4360-8和AD8343的使用，实现卫星通信地球站中频70 MHz～11.4 MHz的频率转换，从而减低接收机的采样频率，减小接收机的工作复杂性，为接收机的稳定工作提供良好的运行条件。

1 ADF4360-8芯片介绍及工作原理

1.1 芯片介绍[2]

ADF4360-8芯片是一种完全综合合成器和压控振荡器，它是一款高性能的PLL芯片，具有很宽的工作频带。

ADF4360-8主要由一个14bit可编程参考R计数器、一个24 bit数据寄存器、一个24 bit功能锁存器、压控震荡器、相位比较器、锁定检测器、多路复用器以及电荷泵等组成，最大的参考频率为250 MHz，输出频率范围为60MHz～400 MHz，主要应用于系统时钟、检测设备、无线局域网以及有线电视设备等，ADF4360-8的功能模块图如图1所示。

1.2 工作原理

ADF4360-8外部输入信号有外部参考频率信号和控制信号，14 bit可编程R计数器对外部频率源信号分频后得到的参考频率送到鉴相器。控制信号由时钟信号CLK、数据信号DATA和使能信号LE组成，LE位为逻辑“1”时表示加载。在时钟信号CLK的控制下，串行输入24 bit数据信号，暂存在24 bit数据寄存器中，当接收到使能信号LE后，先前输入的24 bit数据根据地址位到达对应的锁存。

ADF4360-8内部集成了 VCO(压控振荡器)，由外部电感值设定不同的工作频段，方便了锁相环路的设计。VCO输出频率如式(1)所示。

式(1)中：fVCO为VCO端输出频率；fREFIN为外部参考频率，本文采用10 MHz的外部参考频率，B(13 bit)和R(14 bit)为可编程分频计数器。相位频率探测器分别由R、N可编程分频计数器的输入值决定，N计数器由式(2)所示：

式(2)中 A(5 bit)、B(13 bit)均为芯片内部可编程分频计数器，A计数器的预置数范围为0～31，B的预置数范围为3～8191，A与B的分频比可以通过A和B的寄存器的值设定，但必须要保证B≥A，并且 N≥(P2-P)，P为在24 bit的控制字节中预设的双模计数器的值。

2 基于ADF4360-8本振信号源锁相环路的设计

ADF4360-8对于不同频率的输出，由相应的外部电感值设定来实现。芯片的工作频段由芯片外部的两个等值的电感决定。电感放置适当的位置以降低它们之间的耦合影响，本文中采用的电感是线绕电感，减少了耦合影响。式(3)给出了系统的输出工作中心频率和外部电感之间的对应关系。例如当外部电感值设定为560 nH时，对应的输出频率为65 MHz，这是ADF4360-8所能输出的最低中心频率。

式(3)中9.3 pF和0.9 nH是芯片内部的电容值和电感值；LEXT为系统外接电感值。可见，当系统输出中心频率较高时，F0主要由内部电感0.9 nH决定；系统的输出工作频率较低时，F0主要由外部电感值决定。本文外部电感为397 nH，可调谐的中心频率约为81.4 MHz。芯片鉴相频率最高为8 MHz，实际选择鉴相频率为5 MHz，设计中采用较高的鉴相频率有利于鉴相杂散的抑制，提高环路的捕捉时间，并且降低环路的相位噪声。

系统外部晶振采用10.0 MHz温补晶振，其稳定度≤0.9 ppm，通过REFin引脚接入芯片，经过内部参考分频器（除 50）后得到 200 kHz的参考频率间隔，内部电荷泵输出引脚CP于VCO输入引脚VTUNE之间接入三阶无源低通滤波器，该环路滤波器的带宽为100 kHz。由ADIsimPLL软件可以仿真计算得到电感值和电容值，C1=24.2 pF，C2=329 pF，C3=11.0 pF，R1=13.6 kΩ，R2=27.7 kΩ。在调试中，为了得到最佳的相位噪声和较低的杂散，需要对这些元件值进行多次调整。图2所示为三阶无源低通环路滤波电路，图3所示为环路滤波器仿真曲线。图4为相位噪声仿真曲线图。

对ADF4360-8进行程序配置由接收板上DSP实现，对ADF4360-8加电寄存器的配置顺序为：加参考时钟→R计数锁存器→控制锁存器→N计数锁存器，如果配置的顺序错误，则不能保证ADF4360正常工作。每次上电加载数据时，先按接收板上RESET键复位，然后LE使能，这样接收板和ADF4360-8连通后，可以传输数据，然后按R、C、N锁存器顺序使数据依次写入。

R计数锁存器主要对14bit的分频比进行设置，控制锁存器主要要对电泵电流、输出电源级数、频率锁定选项、相位探测选项、电泵三态选择、计数器重启选项、核心电源级别等芯片性能参数进行设置，N计数锁存器则需对电泵增益以及13 bit的混频比进行设置。

数据输入时，首先由DATA在每个CLK的上升沿从MSB(最高有效位)开始依次写入24bit移位寄存器中的数据并锁存到目标寄存器，然后再进行下一个目标寄存器的初始化。目标寄存器的选择可由移位寄存器中的最末两位DB1和DB0决定，其数据写入时序图如图5所示。图6所示为ADF4360-8本振信号源波形。从图6可以看出，波形保持比较完整，未出现严重失真现象。

3 基于AD8343混频处理

利用锁相环频率合成器得到的本振信号能为混频电路提供良好的本振载波[4]，变频系统的结构框图如图7所示。

AD8343是一款高性能的混频器[5]，增益约为7 dB，由ADF4360-8产生本振信号源，频率为81.4 MHz，输入到AD8343芯片。70 MHz中频信号经过MSA放大器后，有18 dB左右的增益，通过声表面滤波器，使变频系统产生8 M带宽的通带，再从AD8343中的 2、3管脚输入，最后，从管脚 12、13输出频率为 11.4 MHz的中频信号，通过 LC-π型滤波电路(如图 8所示)输出信号直接送到数字接收机中进行数字采样处理。

本文利用ADF4360-8芯片作为锁相环电路设计本振源信号，将卫星地面站70 MHz中频信号变频为11.4 MHz，为数字接收机降低采样频率及提高工作精度，起到了十分重要的作用，同时给出了用ADF4360-8设计混频器本振信号源的设计方法及芯片的控制方法。ADF4360-8锁相频率合成器可在许多通信系统中简化倍频装置和电路结构，降低功耗和设备成本，在射频电路系统中得到广泛应用。

[1]张厥盛，郑继禹，万心平.锁相技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，1994.

[2]Analog Devices Inc.ADF4360-8 Data Sheet[Z].Massachusetts，USA：Analog Devices Inc.，2005.

[3]姜梅，刘三清，李乃平.用于电荷泵锁相环的无源滤波器的设计[J].微电子学，2003(4)：339-343.

[4]陈景文.基于ADF4360—4锁相频率合成器的混频[J].现代雷达，2008，30(1)：84-86.

[5]Analog Devices Inc.AD8343 Data Sheet[Z].Massachusetts，USA：Analog Devices Inc.，2006.