可编程FM锁相发射机的实现

宋小勇，王晓远，宋里瑾

（中国空空导弹研究院 河南 洛阳 471009）

调频技术是遥测通信中的关键技术，广泛应用于各种遥测系统中。文中设计一种基于Atmega8的FM锁相发射机，可实现发射频率和调制频偏的可编程。

1 FM锁相发射机原理

调制信号首先经过调制电路进行电平转换与幅度调整，然后与环路产生的误差电压相加，控制压控振荡器。由于环路带宽低于调制频谱的下限，因此调制信号不参与环路的反馈，使压控振荡器仍锁定于中心频率，实现调制信号对载波的频率调制[1]。其原理如图1所示。

图1 锁相调频发射机原理图Fig.1 FM transmitter based on PLL schematic diagram

2 FM锁相发射机电路实现

锁相调频发射机的核心是锁相环路及调制电路的设计。发射机输出频率的可编程，可以通过单片机对锁相环芯片的编程来实现。在本设计中，锁相环芯片采用ADF4107，可通过LE、DATA、CLOCK 3个端口实现输出频率的可编程。

调制频偏通过分压电路来实现，在设计中可以利用数字电位器来进行分压，通过对数字电位器的编程来实现调制频偏的可编程，数字电位器选用AD5259。

控制单片机采用Atmega8，支持多种串口通信模式，包括TWI、SPI及USART，可实现与外部主机的串口通信及芯片控制功能。本设计中，Atmega8与上位机的通信采用USART协议端口实现，与数字电位器的通信采用TWI协议端口实现。

2.1 锁相环电路设计

锁相环电路包括参考晶振、锁相环芯片、压控振荡器和环路滤波器。参考晶振选用40 MHz，压控振荡器选用S波段双路电压控制、双输出的振荡器，锁相环芯片使用ADF4107，其内部集成鉴相鉴频器、分频器、电荷泵等，通过改变内部寄存器的值能够实现频率的可编程。环路滤波器具有低通作用，用来滤除电压中的高频分量和噪声。它对环路参数调整起着决定性的作用，可以改善控制电压的频谱纯度，提高系统稳定度[2-3]。考虑鉴相频率的泄漏问题，本设计采用3阶有源环路来实现，其电路图如图2所示。

图2 有源环路滤波器电路图Fig.2 Active loop filter circuit diagram

利用仿真软件ADIsimPLL对所设计锁相环进行仿真，得到其开环传递函数的增益与相位曲线，如图3所示。

图3 输入信号的开环频率响应关系图Fig.3 Open-loop frequency response of input signal

本设计中，鉴相频率设定为5 kHz，环路带宽100 Hz，由上图可以看出该环路滤波器的相位裕量大于45，可以保证环路较好的稳定性[4]。对鉴相频率的抑制大于60 dB，能够保证发射机具有较小的寄生调频。

2.2 调制电路设计

调制前端的分压电路如图4所示。

图4 调制前端电路Fig.4 Modem front circuit diagram

数字电位器Rab中a为输入端，w为输出端，在w与地之间存在分布电容Cw，典型值为3～80 pF，选用的数字电位器AD5259的Cw为60 pF。该分布电容的存在使电位器呈低通特性，等效电路图如图5所示。

图5 数字电位器的等效电路图Fig.5 Digital potentiometer equivalent circuit diagram

由式（1）可得，AD5259-10 的带宽为 1 061 kHz，该带宽不能满足现有的调制信号需要。在设计中，在可调电位器的aw，wb之间分别接一相同阻值的电阻，扩展其带宽，此时其等效电阻 R=（Raw//R3）//（Rwb//R4）。 因 R3=R4，所以 Raw=Rwb时，等效电阻最大，此时的R值即对应于低通滤波器的截止频率。经计算，当R3=R4=2 kΩ时，带宽可扩展为3.5 MHz，能够满足现阶段需要。同时为了增加发射机的输入阻抗，满足采

该低通电路的-3 dB带宽在数值上等于低通滤波器的上限截止频率fC，即编器的带负载能力，在a端串联电阻R1。为了提高数字电位器的分辨率，在b端与地之间串接电阻R2[5]。

因压控振荡器的输入端存在对地电容，为了提高其频率响应，输入端要求低输入阻抗。采用运算放大器MAX4016设计一电压跟随电路，具有输入阻抗高输出阻抗低的特点，且其有高达350 MHz的增益带宽积，能够响应10 MHz以上的信号。

3 下位机软件实现

发射机的可编程通过上位机与Atmega8的串口通信来实现，在上位机的操作界面上输入设定的输出频率值或调制频偏值，通过串口发送给Atmega8。Atmega8根据接收到的值，对ADF4107或AD5259进行配置，从而实现可编程功能。约定一次有效设置发送的数据帧格式如下：

表1 配置数据帧格式Tab.1 Figuration data frame format

帧头为0x0F时判定为对输出频率进行编程，帧头为0xF0时判定为对调制频偏进行编程，帧头为其他数据时判定为无效数据，需重新配置。程序流程图如图6所示。

图6 下位机软件流程图Fig.6 Hypogenous machine software flow chart

3.1 串口通信实现

ATmega8单片机带有一个全双工通用同步/异步串行收发模块USART，有独立的高精度波特率发生器，支持5、6、7、8和9位数据位、1位或2位停止位的串行数据帧结构[6]。设计中采用中断的方式来实现接收功能，波特率设定为9 600 bps，采用8位数据位、无校验、1位停止位的数据帧结构。中断响应函数如下：

Atmega8完成一次中断响应后，数据保存在数组rx_data[]中，主程序根据接收到的数据调用频率或调制频偏配置函数。

3.2 配置函数设计

输出频率配置通过改变ADF4107控制字来实现。ADF4107共有4个控制寄存器需配置，输出频率改变时仅N寄存器改变即可，Atmega8与 ADF4107之间遵循 SPI通信协议。对ADF4107配置时，接收到的数据以unsigned char形式保存在三字节的数组中，需要转换成24位的寄存器控制字。

调制频偏配置通过改变AD5259的RDAC寄存器值来实现。Atmega8与AD5259之间遵循TWI通信协议。该通信协议需两根双向信号线，一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL，通过上拉电阻接正电源。每个接到I2C总线上的器件都有唯一的地址。主机发送地址时，总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的地址进行比较，如果相同，则认为自己正被主机寻址，根据R/T位将自己确定为发送器或接收器。

配置函数设计时，首先对各个寄存器进行初始化，再按照配置时序向各个寄存器写入预定的值。需要注意的是，TWI协议中每一个传送字节后面都必须跟随一位应答位，且SCL位为高电平时，SDA不能有上升或下降沿出现，否则就重新开始一个字节的数据传输或中断本字节传输。

4 结束语

该可编程发射机在不进行硬件改变的情况下，实现了输出频率和调制频偏的可编程，提高了发射机的通用性。该发射机频率覆盖 2 200～2 300 MHz，调制响应 100 Hz～3.5 MHz，能够满足大部分FM体制下的遥测任务需求。

[1]张厥盛，郑继禹.锁相技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.

[2]DEAN BANERJEE.PLL Performance， Simulation， and Design[M].Handbook 4th Edition，2006.

[3]石春燕.射频锁相环频率合成器的分析与设计 [D].南京：河海大学，2006.

[4]Thompson I V，Brennan P V.Fourth-order PLL loop filters design technique with invariant frequency and phase margin[J].IEE proc.-Circuits Devices Syst.，2005（152）：2.

[5]沙占友.数字电位器应用指南[M].北京：化学工业出版社，2008.

[6]马潮.Atmega8原理及应用手册[M].北京：清华大学出版社，2002.