基于LMX2306的頻率合成器設計

杜慶磊，余國文，王振華

(空軍雷達學院 信息對抗系，湖北 武漢 430019)

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施通信對抗的前提和基礎，是使用通信偵察設備探測、搜索、截獲敵方無線電通信信號，并對其信號進行測量、分析、識別、監視以及對敵方通信設備的測向和定位，以截獲其信號頻率、電平、調制方式等技術參數以及電臺位置、通信方式、通聯特點、通信網結構和屬性等情報[1]。頻率合成器是接收機中的一個關鍵部件，它的性能直接決定了接收機的性能指標。而頻率合成器中應用最廣泛的就是鎖相環頻率合成器。在通信對抗偵察接收機中，廣泛應用鎖相環頻率合成器構成本地振蕩器，它的性能指標在整個偵察系統性能指標中起著決定性的作用。本文介紹了利用美國國家半導體(NS)公司的鎖相芯片LMX2306為核心器件設計的鎖相環電路構成的頻率合成器，將其應用在通信對抗偵察接收機中，通過PC機控制，實現其輸出的頻率在搜索頻率范圍之間進行步進自動搜索和按預置頻率選頻搜索以及在指定頻率駐留的功能。

1 系統實現原理

頻率合成器原理框圖如圖1所示。本系統基于鎖相環原理，利用12.8 MHz的溫度補償晶振與壓控振蕩器MAX2606的反饋信號經LMX2306的分頻、鑒相，并經電荷泵和環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AT89S52在上位機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，從而達到一本振掃描的目的。

圖1 頻率合成器框圖

2 LMX2306的內部結構及控制方法

LMX2306是NS公司生產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 0.5 μm技術及數字鎖相環技術，可提供靈活的鎖相環設計。因此，由LMX2306構成鎖相環，只需結合高穩定度的本地參考振蕩，再外置環路濾波和壓控振蕩器(VCO)及其他的外圍電路即可實現頻率的合成。

LMX2306內置1個分頻比為8/9的雙模前置分頻器(以 P表示)、1個程序分頻器(N)、1個參考分頻器(R)和數字鑒相器(PD)，并自帶鎖相檢測指示(Lock Detect)、電荷泵輸出等。LMX2306本地參考基準時鐘頻率為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的優勢之一是能提供靈活的分頻系數，可通過CPU接口實現對其不同的設置。其功能框圖如圖2所示。

圖2 LMX2306功能框圖及控制接口

根據圖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構成，A分頻范圍：0～7(A＜P)，B分頻范圍：3～8 191且有 B≧A，因此程序分頻器總分頻比為：

單片機AT89C52的P1口作為鎖相環的輸出端口，P1.7、P1.6、P1.5口分別對應 LMX2306的 LE(使能端，低電平有效 )、DATA(數據輸入腳)、Clock(時鐘輸入端 ， 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表示輸入數據設置 R分頻器，01表示輸入數據設置N分頻器；高19位是數據位 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位數據寄存器中。其中，R分頻器有效數據位為 D1～D14，最大分頻比為 16 383；數據位 D1～D5配置N分頻器的吞吐分頻器A最大分頻比為7，數據位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。

3 環路濾波器的設計

在頻率合成器的設計過程中，環路濾波器的選擇和設計是必不可少的，也是整個設計成功與否的關鍵。因為：(1)目前在頻率合成器設計中，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的匹配就可以了，只有環路濾波器是自己計算設計的；(2)最重要的原因是環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，且對環路參數調整起著決定性的作用。

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

圖3 三階環路濾波器結構

其傳遞函數如下：

式中：

從環路帶寬的定義中：

得到

表1 LMX2306控制字表

最后得：

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。在設計中，根據計算及工程經驗來確定環路濾波器各元件的參數值。

4 電路設計及測試

由理論計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時所得的頻譜分析儀的測試圖如圖5所示，經測試頻率合成器的主要技術指示如下：

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

[1]王銘三.通信對抗原理[M].北京:解放軍出版社，1999:128-130.

[2]National Semiconductor Corporation.LMX2306 datasheet[Z].2004.

[3]張厥盛，鄭繼禹，萬心平.鎖相技術[M].西安:西安電子科技大學出版社，1994.