一种高性能参差频率综合器及其频率计算方法与流程

本发明涉及超短波无线通信
技术领域：
，具体为一种参差低相位噪声低杂散频率综合器及其频率计算方法。
背景技术：
：在现代无线通信系统中，收发信机中接收机为实现高灵敏度高动态范围，发射机为实现低杂散输出，一般采用二次变频超外差的架构。频率综合器模块属于收发信机的核心模块，它为超外差收发信机混频单元提供所需的一本振和二本振信号，其指标的优劣直接影响到收发信机性能。对于频率综合器模块来说，一般由相位噪声、杂散抑制、频率转换时间、频率步进等关键技术指标来描述其性能，同时还受到系统体积、功耗和成本等方面的限制。目前225mhz～400mhz超短波收发信机工作步进为25khz，普遍采用一本振频率调谐变化，二本振频率固定频点的方式。一本振实现的方式有以下几种：一种方式采用整数锁相环芯片，其体积小、功耗小、成本低，一本振的鉴相频率与频率步进设置一样，但这样相位噪声恶化。另一种方式采用分数锁相环芯片，一本振频率步进可以满足，但这样频率杂散会增加。再一种方式是dds激励pll，但这样体积和功耗会增加，并且会有近端杂散。技术实现要素：发明目的：本发明解决传统方式中一种设计方案不能同时兼顾相位噪声、频率杂散和体积的问题，设计中提出一本振和二本振联合配置，增加一些软件复杂度，得到低相位噪声低杂散的参差调谐式频率综合器。技术方案：一种高性能参差频率综合器，包括晶体振荡器、分配器、频率合成器一、频率合成器二、隔离放大器一、隔离放大器二、滤波器一、滤波器二、射频开关一、射频开关二和微控制器，所述晶体振荡器连接分配器，fosc频点传输至分配器，所述分配器连接频率合成器一和频率合成器二，所述分配器接收的fosc频点作为一本振频率和二本振频率的参考频率，所述频率合成器一生成一本振频率，即高本振，所述频率合成器二生成二本振频率，即低本振，所述频率合成器一依次连接隔离放大器一、滤波器一、射频开关一，所述频率合成器二依次连接隔离放大器二、滤波器二、射频开关二，所述微控制器通过控制线一连接频率合成器一、通过控制线二连接频率合成器二，并发出收发信号(r/t)至射频开关一和射频开关二，所述射频开关一和射频开关二输出信号作为收发信道的本振信号。进一步地，还包含屏蔽罩一、屏蔽罩二，所述屏蔽罩一设置在频率合成器一外部，所述屏蔽罩二设置在频率合成器二外部。一种高性能参差频率综合器的频率计算的方法，包括如下步骤：步骤一：设定射频频率frf、一中频频率fif1、二中频频率fif2和射频频率间隔fr；步骤二：根据射频频率间隔设定一本振鉴相频率fr1、二本振鉴相频率fr2；步骤三：根据射频频率frf、一中频频率fif1、二中频频率fif2计算一本振频率flo1和二本振频率flo2；步骤四：根据一本振鉴相频率fr1、二本振鉴相频率fr2计算晶体振荡器的频率fosc；步骤五：一本振频率flo1和二本振频率flo2进行参差互调。进一步地，步骤二中，一本振鉴相频率fr1＝(n+1)*fr、二本振鉴相频率fr2＝n*fr，n取整数。进一步地，步骤二中，所述一本振鉴相频率和二本振鉴相频率的取值相差25khz。进一步地，步骤二中，一本振鉴相频率取值为225khz，二本振鉴相频率取值为200khz。进一步地，所述步骤三中，一本振频率和二本振频率计算方法如下：frf＝flo1-fif1(2-1)fif1＝flo2-fif2(2-2)根据2-1式和2-2式，可得出下式，进而计算出一本振频率和二本振频率，frf＝flo1-flo2+fif2(2-3)其中，frf为射频频率、flo1为一本振频率、fif1为一中频频率、flo2为二本振频率、fif2为二中频频率。进一步地，步骤四中选取一本振鉴相频率和二本振鉴相频率的最小公因数的倍数作为晶体振荡器的频点。进一步地，步骤四中所述晶体振荡器的频点为14.4mhz。进一步地，步骤五中，一本振频率和二本振频率参差互调的具体方法如下：根据步骤一、二中设定的各频率，以及步骤三中公式计算出一本振频率flo1和二本振频率flo2；射频频率依次增加射频频率间隔fr；一本振频率依次增加一本振鉴相频率fr1；二本振频率，以t次为一个周期，依次增加二本振鉴相频率，即第m*t+k次二本振频率与第k次二本振频率，t为频点变换周期，t＝fr1/fr，m为整数。有益效果：本发明高性能参差频率综合器及其频率计算方法满足超短波频率间隔的需求，综合低成本、小体积、低相位噪声、低杂散等因数简易实现，可作为收发信机的高性能本振信号。附图说明图1为频率综合器硬件组成框图；图2为si4133内部框图；图3为参差频率综合器一、二本振频点分布图；图4为常规频率综合器一、二本振频点分布图；图5为si4133内vco振荡回路图；图6为印制线电感设计图；图7为印制线设计软件流程图。具体实施方式下面结合附图对本发明做更进一步的解释。如图1所示的频率综合器硬件组成框图，包括晶体振荡器、分配器、频率合成器一、频率合成器二、隔离放大器一、隔离放大器二、滤波器一、滤波器二、射频开关一、射频开关二和微控制器，所述晶体振荡器连接分配器，fosc频点传输至分配器，所述分配器连接频率合成器一和频率合成器二，所述分配器接收的fosc频点作为一本振频率和二本振频率的参考频率，所述频率合成器一生成一本振频率，即高本振，所述频率合成器二生成二本振频率，即低本振，所述频率合成器一依次连接隔离放大器一、滤波器一、射频开关一，所述频率合成器二依次连接隔离放大器二、滤波器二、射频开关二，所述微控制器通过控制线一连接频率合成器一、通过控制线二连接频率合成器二，并发出收发信号(r/t)至射频开关一和射频开关二，所述射频开关一和射频开关二输出信号作为收发信道的本振信号，频率综合器输出后经放大到合适的电平值进收发信道混频单元本振端口。还包含屏蔽罩一、屏蔽罩二，所述屏蔽罩一设置在频率合成器一外部，所述屏蔽罩二设置在频率合成器二外部。设计此电路时，控制线包含数据(data)、时钟(clk)、使能(sen)和锁定指示(ld)。两个频率综合器的控制线独立控制，采用rc滤波，防止射频信号通过控制线路径传播。时钟分配器选用stcd1020rdg6e两通道输出的时钟分配器，它是一款低功耗，小体积，低附加相位噪声器件。频率综合器芯片选用集成vco的锁相环芯片si4133bt，该款芯片具有以下几个特点：(1)外围电路简单，电路体积小，功耗低；(2)电路调试简单；(3)输出频率范围宽，rf1波段900mhz～1800mhz，rf2波段750mhz～1500mhz，if波段62.5mhz～1000mhz；(4)输出相位噪声低。放大器选用宽带集成mmic增益放大模块，其输出p1db功率16dbm，满足接收机通道内无源混频器的lo端口13dbm电平要求，本振输入电平高，无源混频器的三阶交调指标会得到优化。滤波器选用高抑制比低通滤波器，抑制lo信号的谐波参与收发信道信号互调，抑制指标越高，谐波电平越低，组合干扰越小。射频开关采用高隔离非反射式开关hmc349ms8g，该款芯片dc～2ghz频段内单级隔离度57db，由于射频分布参数和信号辐射的影响，需采用多层印制板布线、多点接地与屏蔽处理，提高收发本振之间隔离度。相位噪声是频率综合器的关键指标，它的来源包括两个部分：1)环路外部的噪声，如晶体振荡器；2)环路部件产生的噪声，如n分频器、鉴相器、锁相环本底噪声、电荷泵噪声、压控振荡器噪声等。设计中需区别环路带宽内、外的噪声，环路带宽内噪声由晶体振荡器和锁相环芯片底部噪声、n分频器和鉴相增益等决定，环路带宽外的相位噪声由压控振荡器决定。由于si4133内置vco，相位噪声主要由集成的锁相环芯片决定，采用不同的软件配置模式，可有效提高相位噪声性能。锁相环的环路带宽内n分频引入噪声，相位噪声计算公式pnfloor＝floorfom+10log(fpd)+20log(fvco/fpd)(1-1)经换算pnfloor＝floorfom-10log(fpd)+20log(fvco)(1-2)其中pnfloor为带内相位噪声，floorfom为芯片的归一化底噪，fpd为鉴相频率，fvco为输出压控振荡器频率，fvco/fpd为倍频次数；经理论计算，鉴相频率225khz相比于传统方式25khz相位噪声可以提升10log(225/25)＝9.5dbc，整数分频频率合成器中鉴相频率(fr)相对的高，n＝fout/fr就相对的低，根据si4133的自身芯片的特点，针对rf1通道锁相环n<8191，鉴相增益(kp)可以设置为00，鉴相增益高有助于相位噪声的降低。为降低频率综合器的杂散输出，设计中注意到以下几个方面：1)si4133芯片的供电采用低噪声的adp150线性低压差稳压芯片，且独立供电防止电源串扰；2)电源滤波采用不同量级电容滤波，滤除不同频率噪声；3)控制线采用rc滤波，微控制器gpio独立控制锁相环芯片，防止信号通过控制线串扰；4)内部环路带宽设为鉴相频率的1/10，鉴相杂散可以得到有效抑制；5)合理pcb布局，mmic芯片周围放置接地过孔，减少信号反馈路径；6)合理屏蔽设计，频率合成器采用独立屏蔽罩，避免外部干扰信号。综上述选用本振信号采用225khz、200khz鉴相频率可满足系统相位噪声与杂散的要求。本发明的一种高性能参差频率综合器的频率计算的方法，具体包括如下步骤：步骤一：设定射频频率frf、一中频频率fif1、二中频频率fif2和射频频率间隔fr；步骤二：根据射频频率间隔设定一本振鉴相频率fr1、二本振鉴相频率fr，步骤二中，一本振鉴相频率fr1＝(n+1)*fr、二本振鉴相频率fr2＝n*fr，n取整数；一本振鉴相频率和二本振鉴相频率的取值可相差25khz，一本振鉴相频率可以取值为225khz，二本振鉴相频率可以取值为200khz。步骤三：根据射频频率frf、一中频频率fif1、二中频频率fif2计算一本振频率flo1和二本振频率flo2；所述步骤三中，一本振频率和二本振频率计算方法如下：frf＝flo1-fif1(2-1)fif1＝flo2-fif2(2-2)根据2-1式和2-2式，可得出2-3式，进而计算出一本振频率和二本振频率，frf＝flo1-flo2+fif2(2-3)其中，frf为射频频率、flo1为一本振频率、fif1为一中频频率、flo2为二本振频率、fif2为二中频频率。步骤四：根据一本振鉴相频率fr1、二本振鉴相频率fr2计算晶体振荡器的频率fosc；选取一本振鉴相频率和二本振鉴相频率的最小公因数的倍数作为晶体振荡器的频点，频点值需要被fr1即225khz和fr2200khz都能整除，即fosc频点为fr1和fr2的最小公因数的倍数，经计算最小公因数为1.8mhz，综合考虑成本、供货周期及振荡器体积等因数后选用频点为14.4mhz的晶体振荡器。步骤五：一本振频率flo1和二本振频率flo2进行参差互调，根据步骤一、二中设定的各频率，以及步骤三中公式计算出一本振频率flo1和二本振频率flo2；射频频率依次增加射频频率间隔fr；一本振频率依次增加一本振鉴相频率fr1；二本振频率，以t次为一个周期，依次增加二本振鉴相频率，即第m*t+k次二本振频率与第k次二本振频率，t为频点变换周期，t＝fr1/fr，m为整数。一本振的鉴相频率fr1为225khz，二本振的鉴相频率fr2为200khz，fif2为固定频点24mhz，fif1为900mhz～901.6mhz。表1频率计算表从表格归纳整理出，周期t＝9，一本振频率以225khz步进与二本振频率以200khz步进参差调谐出射频频率。用matalb编写一段程序代码如下：经测算本振频率点符合225mhz～400mhz频段要求。参差式频率综合器，flo1与flo2频点截取一段，如图3中参差式频率式合成器flo1的步进225khz，锯齿波阶梯上升，而flo2的步进200khz，锯齿波周期性变化，经过参差运算后，保证射频信号的二次变频后满足系统收发信道所需频率。常规频率综合器，flo1与flo2频点截取一段，如图4中，观测到常规频率式合成器flo1的步进明细比参差式频率式合成器flo1密集，常规频率式合成器flo1的步进25khz，呈线性上升，而flo2是固定频点。图5为si4133内vco振荡回路图，si4133是一款单片集成芯片，内部vco振荡回路是由标称电容(cnom)和外部电感(lext)和封装电感(lpkg)构成。vco的中心频率的计算公式见下式频率综合器输出频率设计需考虑，第一收发信道中频滤波器、组合干扰等对本振的要求，第二频率综合器芯片自身频率范围的能力，第三频率综合器输出功率平坦度，高低温范围内频率输出的稳定性。结合si4133自身的条件，设计外部电感尤其重要。图6为印制线电感设计图。表2尺寸大小(mm)a1.5b0.3c0.3d需计算e0.3f0.35g0.95印制板线电感计算公式为：其中cnqm为vco标称电容，lpkg为封装电感。si4133tssop型比例常数为：其中h指印制线与地平面之间的电介质厚度，单位μm。采用fr4环氧树脂板，印制线与地平面采用2层1080pp材料,介质高度h＝5.65mil，即143.5μm。印制线电感长度为：本振一的几何中心频率：其中flo1l＝1125mhz，flo1h＝1301.4mhz，flo1l表示一本振最低频率，flo1h表示一本振最高频率，它符合si4133rf1(947mhz～1720mhz)的中心频率的范围，rf1相关参数cnom＝4.3pf，lpkg＝2.0nh，外部电感lpkg范围是：0.0nh～4.6nh。第一步计算外部电感值，如3-1式，第二步计算比例常数参考，如3-2式，第三步计算印制电感长度，如3-3式，本振二的几何中心频率：其中flo2l＝924mhz，flo2h＝925.6mhz，flo2l表示二本振最低频率，flo2h表示二本振最高频率，它符合si4133rf2(789mhz～1429mhz)的中心频率的范围，rf2相关参数cnom＝4.8pf，lpkg＝2.3nh，外部电感lpkg范围是：0.3nh～6.2nh。图7为印制线设计软件流程图，计算完成的值仍需要经过参数验证，控制器需要通过spi控制口送频率码，且auxout端口配置成数据端口读取配置值，评估结果的正确与否。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
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的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12