雷達(dá)物位計(jì)調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)頻率源的研究設(shè)計(jì)（2）

新型頻率源的設(shè)計(jì) 

在上一節(jié)中介紹了利用 DDS 與 PLL 外混頻設(shè)計(jì)的頻率合成器，雖然此方案可以克服電壓調(diào)制 VCO 方案中非線性度的缺點(diǎn)，但限于 DDS 技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求的頻率，須經(jīng)過一系列的上變頻與倍頻處理，電路復(fù)雜，所需芯片較多，成本高，不利于廣泛應(yīng)用。考慮到這些因素，下面將利用 PLL 芯片 ADF4159 來設(shè)計(jì)一種新型的頻率源，不僅具有以上方法的高線性度、高頻率分辨率、高頻率、對(duì)雜散抑制較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且在此方案中 DDS 不再使用，電路簡(jiǎn)單，成本較低。是 FMCW 雷達(dá)信號(hào)源的理想解決方法之一。 

項(xiàng)目指標(biāo)要求 

根據(jù) FMCW 測(cè)距原理以及實(shí)際系統(tǒng)的需求，確立本次頻率源設(shè)計(jì)的指標(biāo)： 

輸出頻率：24GHz~25GHz 

頻率步進(jìn)：50k Hz 

頻率分辨率：小于 10Hz 

線性度：小于 0.01% 

調(diào)頻周期：16ms 

相位噪聲：優(yōu)于-90d Bc/Hz@100k Hz 

           優(yōu)于-105d Bc/Hz@1MHz 

系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 

如圖 4-4 為該系統(tǒng)方案框圖。 

該方案系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成，一是以 ADF4159 為**的小數(shù)分頻頻率合成器部分，通過對(duì)芯片的設(shè)置來對(duì)整個(gè)源部分的輸出進(jìn)行控制；二是 PLL 環(huán)路部分，結(jié)合 ADF4159，通過環(huán)路濾波器和帶有二分頻器的 VCO 輸出 24GHz~25GHz 步進(jìn)20k Hz 的掃頻頻率。該方案有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)： 

1、該方案的**是一個(gè)頻率合成器芯片ADF4159，其片內(nèi)具有FMCW掃頻功能，由其構(gòu)成的PLL環(huán)路即可滿足頻率源調(diào)頻要求，設(shè)計(jì)過程不再需要DDS部分，簡(jiǎn)化了電路，并使成本降低。

2、方案應(yīng)用了PLL環(huán)路，可以充分利用PLL的窄帶濾波特性，提升帶外雜散的抑制程度，進(jìn)而降低雜散水平。

3、ADI公司自帶的PC端軟件可對(duì)ADF4159直接進(jìn)行設(shè)置，無需另外的單片機(jī)控制以及編程，使控制更加便捷靈活。

芯片 ADF4159 介紹

ADF4159 基本介紹 

ADF4159是一種RF頻率高達(dá)13GHz的PLL頻率合成器，在ADF4159上的鑒頻鑒相器較高頻率可達(dá)110MHz，功耗低于100mW；內(nèi)置高分辨率25位小數(shù)N分頻模數(shù)和片內(nèi)FMCW斜坡發(fā)生功能，這使其非常適合頻率調(diào)制連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)功能，包括汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)、微波點(diǎn)到點(diǎn)（PtP）系統(tǒng)、通信儀器和測(cè)試設(shè)備。

如圖4-5所示，ADF4159由低噪聲數(shù)字鑒頻鑒相器（PFD）、精密電荷泵和可編程參考分頻器組成。該器件內(nèi)置一個(gè)-A型小數(shù)插值器，能夠?qū)崿F(xiàn)可編程小數(shù)N分頻。INT和FRAC寄存器可構(gòu)成一個(gè)總N分頻器（N=INT+（FRAC/2²⁵））。

圖 4-5 ADF4159 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 

ADF4159 是一款具有調(diào)制、以及快速和慢速波形產(chǎn)生能力的 13GHz 小數(shù) N 分頻頻率合成器，該器件使用25位固定模數(shù)，提供次赫茲頻率分辨率。ADF4159可用于實(shí)現(xiàn)頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）調(diào)制。還有一些可用的頻率掃描模式，可在頻域內(nèi)產(chǎn)生各種波形，例如鋸齒波和三角波。掃描可以設(shè)置為自動(dòng)進(jìn)行，也可以設(shè)置為通過外部脈沖手動(dòng)觸發(fā)每個(gè)步驟。ADF4159具有周跳減少電路，可進(jìn)一步縮短鎖定時(shí)間，而無需修改環(huán)路濾波器。所有片內(nèi)寄存器均通過簡(jiǎn)單的三線式接口進(jìn)行控制。ADF4159采用2.7V至3.45V模擬電源和1.62V至1.98V數(shù)字電源供電，不用時(shí)可以關(guān)斷。

ADF4159工作原理

ADF4159由單頻模式、頻率調(diào)制模式和中斷模式，它能夠在頻域內(nèi)產(chǎn)生五種波形：?jiǎn)我恍逼峦话l(fā)脈沖、單一三角突發(fā)脈沖、單一鋸齒突發(fā)脈沖、連續(xù)鋸齒斜坡和連續(xù)三角斜坡。在本次設(shè)計(jì)中，主要應(yīng)用的是ADF4159產(chǎn)生連續(xù)三角斜坡的特性，并以此來介紹ADF4159的工作原理。

由圖4-5可知，ADF4159由低噪聲數(shù)字鑒頻鑒相器（PFD）、精密電荷泵和可編程參考分頻器組成。如圖4-6為RFINT分頻器結(jié)構(gòu)圖，

ADF4159具有25位固定模數(shù)。此模數(shù)輸出頻率間隔分辨率為：

F_RES=F_PFD/2²⁵      （4-1）

其中P_FDf 是鑒頻鑒相器（PFD）的頻率。例如，PFD頻率為100MHz時(shí)，可實(shí)現(xiàn)2.98Hz的頻率步進(jìn)。

利用INT和FRAC的值以及R分頻器，可以產(chǎn)生間隔為鑒頻鑒相器（PFD）的分?jǐn)?shù)的輸出頻率。

VCo的輸出頻率公式為：

其中：RFour是外部電壓控制壓控振蕩器（VCO）的輸出頻率；INT是12位分頻器的預(yù)設(shè)分頻比（23至4095）；FRAC是小數(shù)分頻的分子（0至25-1）。PFD頻率（frfo）公式為：

其中：REFM是基準(zhǔn)輸入頻率；D是REFN倍頻器位（0或1）；R是二進(jìn)制5位可編程參考分頻器的預(yù)設(shè)分頻比（1至32）；T是REFN2分頻位（0或1）。

圖4-7為斜坡信號(hào)產(chǎn)生的示意圖。定義斜坡的關(guān)鍵參數(shù)有：頻率偏差；超時(shí)間隔；步進(jìn)數(shù)。

其中：CLK，和CLK，12位時(shí)鐘值（寄存器R2中的12位CLK，分頻器和寄存器R4中的12位CLK，分頻器）。對(duì)于斜坡分頻器，寄存器R4中的位DB[20：19]必須設(shè)為11。fero為PFD頻率。CLK，或CLK，必須大于1，即不允許CLK，=CLK2=1。

（4）步進(jìn)數(shù)：

20位步進(jìn)值定義了發(fā)生跳頻的次數(shù)。從起始值起，INT值的遞增幅度不得超過28=256。

ADF4159可完成斜坡的種類有多種，它們的產(chǎn)生機(jī)理分別為：

（1）單一斜坡突發(fā)脈沖：

較基本的波形是單一斜坡突發(fā)脈沖。其他所有波形均在此波形基礎(chǔ)上變化。

在單一斜坡突發(fā)脈沖中，ADF4159被鎖定至FRAC/INT寄存器（RO）內(nèi)定義的頻率。使能斜坡模式時(shí)，ADF4159將N分頻器遞增DEVx25V-OFFSE7，造成各定時(shí)器間隔上的頻移focv。此頻移重復(fù)發(fā)生至設(shè)置的步進(jìn)數(shù)為止。然后ADF4159保留較終N分頻值。

（2）單一三角突發(fā)脈沖：

三角突發(fā)脈沖類似于單一斜坡突發(fā)脈沖。不過，完成步進(jìn)后，ADF4159開始在每個(gè)超時(shí)間隔中將N分頻值遞減DEV×20EV-OFFSET。

（3）單一鋸齒突發(fā)脈沖

在單一鋸齒突發(fā)脈沖中，N分頻值在步進(jìn)數(shù)后的下一個(gè)超時(shí)間隔中復(fù)位至初始值。ADF4159將保留此N分頻值。

（4）連續(xù)鋸齒斜坡

連續(xù)鋸齒斜坡是單一鋸齒突發(fā)脈沖的重復(fù)版本。波形重復(fù)至禁用斜坡為止。

（5）連續(xù)三角斜坡

連續(xù)三角斜坡是單一三角突發(fā)脈沖的重復(fù)版本。不過，完成步進(jìn)后，ADF4159開始在每個(gè)超時(shí)間隔中將N分頻值遞減DEV×2^EV-0FFSET。當(dāng)再次完成步進(jìn)數(shù)時(shí)，它會(huì)重新遞增N分頻值。重復(fù)這一過程便產(chǎn)生三角波形。波形重復(fù)至禁用斜坡為止。