多載波射頻信號源技術

劉占線

(陜西職業技術學院計算機科學系，陜西 西安 710100)

頻率源的設計和實現是無線通信系統設計中較為關鍵的一個環節，它的性能直接影響和決定通信系統的性能，在射頻發射和接收系統中處于核心位置。文中頻率源使用Si4133芯片設計，該芯片外圍電路少，各項參數能夠滿足設計要求。同時使用TRF3701芯片合成基帶和本振信號，使發射信號的功率得到較大提高。多路信號通過功率耦合芯片實現了耦合，最終合成、實現了多載波的射頻信號。

1 數字鎖相環

(1)Si4133工作原理。

Si4133芯片的功能是實現頻率的合成，它的內部結構框圖如圖1所示。該芯片有三路鎖相環路，每路鎖相環路包括環路濾波器、相位檢測器、可編程分頻器和VCO。

自該芯片的XIN管腳輸人一個頻率fin，經過一個放大器和R分頻器以后，頻率變為fin/R;同一時刻，fout作為該路VCO的輸出端頻率，通過N分頻器，頻率變為fout/N;在相位檢測器中兩個頻率通過相位的比較，形成一個誤差控制信號，進一步通過環路濾波器獲得一個直流分量，從VCO端輸人，通過調整實現fout/N≈fin/R，并且相位同步，最終完成兩路信號的鎖定。由fout=fin×N/R可知，影響輸出信號頻率的因素是R和N。VCO的諧振頻率由外部所接電感決定，誤差控制在。

三路鎖相環路中有兩路用作射頻輸出，利用時分復用技術，使兩路輸出在時間上徹底分開。通過對分頻器編程可以使兩路射頻輸出信號工作在兩個特定的頻段947 MHz～1.72 GHz和789 MHz～1.429 GHz。三路鎖相環路的第三路用作中頻信號的頻率合成，中頻信號VCO的諧振頻率在526～952 MHz范圍內可調。

(2)頻率設置與測試結果。

鎖相環路在VCO諧振頻率范圍內調節RF和IF的輸出頻率，外部電感對VCO諧振頻率的調節起著關鍵作用，它允許的誤差范圍是，自調節算法可以補償這一誤差。電感的量級是nH，所以封裝電感不能忽略，VCO的總電感Ltot應該等于封裝電感Lpkg和外部電感Lext相加，電容Cnom和總電感并聯，是一個標稱電容。諧振頻率計算公式為

設計中需要的射頻信號頻率范圍RF1:1.8～2.0 GHz，RF2:0.8～1 GHz。經過計算，Lext1幾乎為0，Lext2:3～5.9 nH。

輸出頻率在1.8～2.0 GHz范圍內，通常采用RF1－R分頻值設置;輸出頻率在0.8～1.0 GHz范圍內，通常采用RF2－R分頻值設置。下面兩個圖是兩個典型頻率點的測試結果，其中，0.8 GHz是RF2輸出，如圖2所示，2.0 GHz是RF1輸出，如圖3所示。

圖1 Si4133內部結構圖

2 模擬正交調制器

(1)TRF3701工作原理。

TRF3701芯片內部有個模擬組合器，可以實現輸出RF信號的實數和虛數分量相加。內部調制器由雙平衡混頻器實現，內部本振使用單端LO輸入，減少外部巴倫的消耗。該芯片利用雙平衡混頻器結構實現直接I、Q調制，I、Q信號可以是單端輸入，也可以是差分輸入。4個輸入端(IVIN，IREF，QVIN，QREF)需要外加一個直流信號，典型值3.7 V。輸入信號經過一對差分放大器和一個電壓/電流轉換器進入雙平衡混頻器，交流耦合的本振輸入信號通過一個相位轉換提供同相和正交分量。混頻器的輸出信號相加轉化為單端信號，經過放大在射頻端輸出。

(2)測試結果。

在本振頻率fo=920 MHz下，兩種不同的基帶信號加在TRF3701芯片上的測試結果。GSM信號，如圖4所示;CDMA信號，如圖5所示。

3 功率合成器

功率源對輸出功率的要求較高，在毫米波段，必須使用功率合成技術獲得比單路功率放大更高的功率。

功率合成器在理想情況下，輸出功率應該是作為輸入的多路功率放大器的功率相加。但是功率合成器都有損耗，多路信號的幅度、相位可能不同，導致它的輸出功率達不到理想值。為達到較為理想的效果，功率合成器的多路輸入信號幅度和相位一致性必須很好，而且要求損耗小、有足夠大的隔離度，使得多路輸入信號互不影響。

4 原理圖與PCB版圖

整個多載波射頻信號源的設計原理圖、PCB板圖以及實物圖分別如圖6～圖8所示。

圖8 多載波射頻信號源實物圖

5 結束語

文中通過下載接口對9個通道的射頻信號設置不同的本振頻率，實現不同載波的調制，最后通過功率合成到一路信號，實現多載波射頻信號。

［1］劉華平，郭偉.集成鎖相環芯片Si4133的原理及應用［J］.電子工程師，2007，33(3):35－37.

［2］陳強.頻率綜合器的小型化設計［J］.無線電工程，2007，37(5):42－44.

［3］何業軍，朱光喜，沈瑞華.雙頻段射頻合成器Si4133及其在CDMA直放站中的應用［J］.電子產品世界，2009(5):29－31.