基于鎖相芯片LMX2306實(shí)現(xiàn)頻率合成器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

通信對抗是電子對抗的重要組成部分， 而通信對抗偵察是實(shí)施通信對抗的前提和基礎(chǔ)， 是使用通信偵察設(shè)備探測、搜索、截獲敵方無線電通信信號， 并對其信號進(jìn)行測量、分析、識別、監(jiān)視以及對敵方通信設(shè)備的測向和定位， 以截獲其信號頻率、電平、調(diào)制方式等技術(shù)參數(shù)以及電臺位置、通信方式、通聯(lián)特點(diǎn)、通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)和屬性等情報(bào)。頻率合成器是接收機(jī)中的一個(gè)關(guān)鍵部件， 它的性能直接決定了接收機(jī)的性能指標(biāo)。而頻率合成器中應(yīng)用最廣泛的就是鎖相環(huán)頻率合成器。在通信對抗偵察接收機(jī)中， 廣泛應(yīng)用鎖相環(huán)頻率合成器構(gòu)成本地振蕩器，它的性能指標(biāo)在整個(gè)偵察系統(tǒng)性能指標(biāo)中起著決定性的作用。本文介紹了利用美國國家半導(dǎo)體(NS) 公司的鎖相芯片LMX2306 為核心器件設(shè)計(jì)的鎖相環(huán)電路構(gòu)成的頻率合成器， 將其應(yīng)用在通信對抗偵察接收機(jī)中， 通過PC 機(jī)控制， 實(shí)現(xiàn)其輸出的頻率在搜索頻率范圍之間進(jìn)行步進(jìn)自動(dòng)搜索和按預(yù)置頻率選頻搜索以及在指定頻率駐留的功能。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

頻率合成器原理框圖如圖1 所示。本系統(tǒng)基于鎖相環(huán)原理， 利用12.8 MHz 的溫度補(bǔ)償晶振與壓控振蕩器MAX2606 的反饋信號經(jīng)LMX2306 的分頻、鑒相， 并經(jīng)電荷泵和環(huán)路濾波器形成與相位差成比例的電壓信號來控制壓控振蕩器MAX2306 的輸出。單片機(jī)AT89S52 在上位機(jī)軟件通過串行口接收搜索范圍及搜索速度， 控制LMX2306 的鎖定輸出， 從而達(dá)到一本振掃描的目的。

2 LMX2306 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及控制方法

LMX2306 是NS 公司生產(chǎn)的一款單片集成的射頻PLL 芯片， 使用了NS 公司的ABiC 第5 代BiCMOS 0.5μm 技術(shù)及數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)， 可提供靈活的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)。

因此， 由LMX2306 構(gòu)成鎖相環(huán)， 只需結(jié)合高穩(wěn)定度的本地參考振蕩， 再外置環(huán)路濾波和壓控振蕩器(VCO) 及其他的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)頻率的合成。

LMX2306 內(nèi)置1 個(gè)分頻比為8/9 的雙模前置分頻器( 以P 表示)、1 個(gè)程序分頻器(N) 、1 個(gè)參考分頻器(R)和數(shù)字鑒相器(PD) ， 并自帶鎖相檢測指示(Lock Detect) 、電荷泵輸出等。LMX2306 本地參考基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率為5 MHz ～40 MHz ， 最大鑒相頻率為10 MHz ， 射頻輸出工作頻率為25 MHz～550 MHz ， 工作電源從2．3 V～5．5 V。LMX2306 的優(yōu)勢之一是能提供靈活的分頻系數(shù)， 可通過CPU 接口實(shí)現(xiàn)對其不同的設(shè)置。其功能框圖如圖2 所示。

根據(jù)圖2 可得：

式中，R 為14 位可編程參考分頻器的分頻比， 分頻比為3～1 683 ，LMX2306 預(yù)分頻比P 固定為8；N 為18 位程序分頻器的分頻比，N 由5 位吞吐分頻器A 和13 位可編程分頻器B 構(gòu)成，A 分頻范圍：0～7（A

單片機(jī)AT89C52 的P1 口作為鎖相環(huán)的輸出端口，P1.7 、P1.6 、P1.5 口分別對應(yīng)LMX2306 的LE( 使能端， 低電平有效)、DATA( 數(shù)據(jù)輸入腳)、Clock ( 時(shí)鐘輸入端， 上升沿有效)。從Data 腳輸入的頻率控制字共21 位， 其中低兩位是地址位為C1、C2，00 表示輸入數(shù)據(jù)設(shè)置R 分頻器，01 表示輸入數(shù)據(jù)設(shè)置N 分頻器； 高19 位是數(shù)據(jù)位D1、D2……D19 ， 在Clock 信號配合下按位輸入， 按D19 、D18……D1 及C2、C1 的順序輸入， 在LE 的上升沿鎖存到21 位數(shù)據(jù)寄存器中。其中，R 分頻器有效數(shù)據(jù)位為D1 ~D14 ， 最大分頻比為16 383 ； 數(shù)據(jù)位D1 ~D5 配置N 分頻器的吞吐分頻器A 最大分頻比為7， 數(shù)據(jù)位D6~D18 配置N 分頻器的可編程分頻器B 最大分頻比為8 189 。在本系統(tǒng)中， 參考晶振頻率為12.8 MHz ， 信道間隔為25 kHz。若要求本振鎖定輸出為120 MHz，由式(1) 、式(2) 得R=12.8 MHz/25 kHz =512 ，N=120 MHz/25 kHz =4 800，A=3，B=4 776。具體DATA 管腳的輸出如表1 所示。

表1 LMX2306 控制字表

3 環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)

在頻率合成器的設(shè)計(jì)過程中， 環(huán)路濾波器的選擇和設(shè)計(jì)是必不可少的， 也是整個(gè)設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。因?yàn)椋?( 1 ) 目前在頻率合成器設(shè)計(jì)中， 鑒相器和壓控振蕩器采用的都是集成器件， 一般只要在選擇的器件中注意其性能指標(biāo)的匹配就可以了， 只有環(huán)路濾波器是自己計(jì)算設(shè)計(jì)的；(2)最重要的原因是環(huán)路濾波器可以濾除由鑒相器輸出的誤差電壓的高頻分量和噪聲， 且對環(huán)路參數(shù)調(diào)整起著決定性的作用。

環(huán)路濾波器由電阻、電容以及放大器組成， 可分為無源環(huán)路濾波器和有源環(huán)路濾波器兩類。有源環(huán)路濾波器在無源環(huán)路濾波器增益不足的情況下可以加大環(huán)路增益，但從鎖相環(huán)系統(tǒng)的角度， 有源和無源環(huán)路濾波器沒有區(qū)別， 都是具有一定數(shù)量的零點(diǎn)和極點(diǎn)的低通濾波器。而對于有電荷泵的鎖相環(huán)，有源濾波器毫無必要， 反而會引入更多的噪聲， 所以電荷泵鎖相環(huán)都采用無源環(huán)路濾波器， 常用的有二階或三階無源濾波器， 而三階環(huán)路濾波器與二階環(huán)路濾波器相比， 能更好地濾除參考源的邊帶頻率， 所以應(yīng)用更為廣泛。三階環(huán)路濾波器的結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

其中C3可以自由的給定， 但至少要小于C1/5。C2取得較大有兩個(gè)好處： 一是給后面的VCO 一定的輸入電容， 可使寄生影響減小； 二是可以減小R3， 使得熱噪聲減少。

在設(shè)計(jì)中， 根據(jù)計(jì)算及工程經(jīng)驗(yàn)來確定環(huán)路濾波器各元件的參數(shù)值。

4 電路設(shè)計(jì)及測試

由理論計(jì)算得頻率合成器電路圖如圖4 所示， 用GSP810 頻譜分析儀在鎖定輸出為136 MHz 時(shí)所得的頻譜分析儀的測試圖如圖5 所示， 經(jīng)測試頻率合成器的主要技術(shù)指示如下：

頻率準(zhǔn)確度：±10 ppm； 輸出信號功率：17±1 dBm； 單邊帶相位噪聲：<-63 dBc/Hz@10 kHz 。