基于ADF4153的数字电视激励器上变频本振设计

赵小寒 宋经雄（广西广播电视技术中心）



基于ADF4153的
数字电视激励器上变频本振设计

赵小寒 宋经雄
（广西广播电视技术中心）

［摘 要］通过分析频率合成器的基本原理，阐述采用小数分频的ADF4153芯片完成频率合成器的设计。详细介绍元器件的选型以及采用ADIsimPLL来对环路滤波器进行仿真和优化设计。最后通过实验来验证软硬件设计的可行性。

［关键词］ADF4153芯片 ; 地面数字电视 ; 激励器 ; 频率合成器

1　引言

地面数字电视网与有线数字电视网、卫星数字电视网并列为三大数字电视网络，是覆盖我国移动电视终端、广大城郊、农村电视用户的良好途径，通过地面电视数字化改造后的数字电视网的覆盖，能够让更多的用户观看内容丰富的数字电视节目。

地面数字电视广播激励器技术指标直接影响地面数字电视广播发射机性能和地面数字电视网络覆盖效果。数字电视激励器中上变频部分是实现中频信号到电视射频信号变换的关键模块。上变频器对频率合成器的相位噪声、带内杂散提出越来越高的要求。在常用的几种频率合成技术中，锁相频率合成系统因为结构简单，输出频谱纯度高，是目前频率合成广泛采用形式［1］。本文研究通过小数分频锁相合成技术来产生宽带、低噪、低成本的频率合成器。

2　锁相环原理及锁相芯片选型

锁相环是一个相位负反馈控制系统，其原理框图如图1所示。鉴相器把晶振输入信号相位与压控振荡器输出信号相位进行比较，产生控制电压，该控制电压经过环路滤波器滤除误差信号的高频分量之后改变压控振荡器的输出频率，该输出频率经分频后反馈到鉴相器，从而减小输入信号与压控振荡器的相位误差。锁相环利用其良好的窄带跟踪特性使压控振荡器的输出频率准确地锁定在所需要的频率上。

从图1中可以看出，改变分频比N能得到不同的合成频率，环路的输出频率fo=N*fref。fref为来自晶体振荡器的输入参考频率，fo为压控振荡器的输出频率。

本次设计频率合成器技术指标要求是：工作频率稳定输出在1.1GHz，输出杂散优于 -60dBc，相位噪声优于-90 dBc@1kHz。

现阶段的频率合成器大多采用整数分频比，缺点是频率转换时间长，频率分辨率低；小数分频比的频率合成器，可以获得较高分辨率，较低的相位噪声［2］。本设计采用美国ANALOG DEVICES公司生产的一款高性能小数频率合成芯片ADF4153。

图1　锁相环原理框图

3　频率合成器的实现

3.1参考频率和压控振荡器选择

参考晶振频率和压控振荡器的选择首先是考虑这两者的输出功率是否能满足输入灵敏度要求。保证参考计数器和反馈计数器不会误工作。本文采用10MHz恒温晶体来提供ADF4153要求的参考频率。

压控振荡器主要是通过调整外加电压来改变输出频率，尽量选择压控振荡器的输出频率对应的控制电压在可用调谐电压范围的中点。灵敏度是选型考虑的一个重要因素，器件灵敏度越低，其稳定性也较差，输出的相位噪声也会随稳定性下降而急剧增加。设计中采用的是ZCOMM公司的V582ME10-LF，调谐电压为0.5V-5.5V。

3.2环路滤波参数设置

频率合成电路设计中，锁相环的基本频率特性由环路滤波器性能决定。环路滤波器的主要作用是控制带内外噪声，抑制鉴相器输出的高频成分噪声，维持环路稳定。环路滤波器的设计主要包括环路带宽、滤波器的结构。环路带宽对噪声的抑制、对环路的稳定性和捕获时间的影响在参考文献［3］中已经做过分析。

采用参考文献［3］中对有源和无源环路滤波器的设计方法来进行参数设计显得比较麻烦。为了简化设计难度，本文采用ADI发布的免费仿真工具ADIsimPLL来进行辅助设计，它具有对小数N分频杂散估计进行仿真的全新功能，允许用户调整参数，根据不同的环路滤波器来设置杂散，从而对系统中的杂散进行更好的完善。仿真参数设置：参考晶振为10MHz，鉴相频率为5MHz，环路带宽为200kHz，压控振荡器灵敏度为38 MHz/V，输出中心频率为1.100GHz。为了方便购买元件，结合仿真结果进行微调，最终确定环路带宽为270kHz，电路结构及元件值如图2所示。

图2　环路滤波器仿真图

图3　环路滤波器仿真图

经过软件优化，相位噪声仿真如图3所示，输出频率为1.100GHz，相位噪声为-100 dBc@1kHz，-105dBc@10kHz。仿真输出噪声和杂散都能满足系统要求。

3.3频率合成器的电路原理图

图4　频率合成器电路图

本频率合成器由ADF4153、环路滤波器、压控振荡器和控制单片机构成。单片机采用STC15F104W。整个频率合成器的电路原理图如图4所示。

4　测试结果分析及参数优化

本频率合成器测试采用ETL数字电视分析仪，安捷伦频谱分析仪，数字示波器，万用表。

4.1实测输出相噪分析

实测输出相噪如图5所示。本设计理论相噪满足系统要求。由于布线和器件选择的原因，实测与理论分析有一定差距。实测中发现，调整环路滤波器带宽对相噪有影响。选择相噪指标高的晶振和压控振荡器对系统相噪有一定的改善，但是会增加系统成本。

图5　系统实测相噪图

4.2实测输出频谱杂散分布分析及改进

从图6可以看出在中心频率附近有2个小尖峰脉冲，根据文献［1］分析，尖峰的产生第一个原因可能是因为电荷泵电流适配，针对这个原因，测试的时候通过程序设计将电荷泵电流适配调低到原来的一半，但是杂散尖峰脉冲没有明显改善，也就是说电荷泵电流适配这个因素对尖峰的产生影响不大。第二个原因可能是环路的带宽影响。调整环路带宽，虽然有一定的改善，但改善幅度不大。第三个原因可能是电路隔离滤波，因为电路PCB在不重新布线的情况下几乎没有办法改善，只能选择改善电源滤波。电源滤波原来采用的陶瓷电容，示波器测得纹波有20mV。在陶瓷电容的基础上并联钽电容，纹波降到10mV以内。尖峰脉冲得到了极大的改善，同时相位噪声也得到改善。改善之后频谱实测图如图7所示。

5　结束语

采用ADF4153设计数字地面电视激励器的第一固定频率本振，具有系统结构简单。本文分别从锁相环原理、器件选型、电路调试和优化等几个方面阐述了整个设计过程。实验结果表明设计的频率合成器在频率稳定性和相噪要求方面都能满足设计要求。

图6　改进前频谱图

图7. 改善之后的频谱图

参考文献

［1］ 基于ADF4153的频率合成器设计 张景山 张其善［M］.遥测遥控,2008,29（5）,9-13

［2］ S波段锁相频率合成器的设计 王飞 马胜前［M］.

［3］ 频率合成器环路滤波器的设计 赵彦芬［M］.无线电工程,2006,36（4）,39-41