基于FPGA芯片的GPS信號(hào)源的設(shè)計(jì)方案介紹

頻率合成器是發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)中的核心器件，采用相位負(fù)反饋頻率控制技術(shù)，具有良好的窄帶載波跟蹤性能和帶寬調(diào)制跟蹤性能，為系統(tǒng)上、下變頻提供本振信號(hào)，對(duì)相位噪聲和雜散具有很好的抑制作用，通過(guò)鎖相頻率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)的頻率源已經(jīng)在雷達(dá)、通信、電子等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 

      本文以GPS信號(hào)源設(shè)計(jì)為參考，介紹ADI公司的頻率合成器ADF4360-4在GPS信號(hào)源設(shè)計(jì)中的典型應(yīng)用。

　　1 信號(hào)源系統(tǒng)組成

　　1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)文獻(xiàn)了解了GPS信號(hào)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)GPS信號(hào)源的目的是模擬衛(wèi)星發(fā)射的GPS信號(hào)，也就是對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行基帶調(diào)制并產(chǎn)生頻率為1 575.42 MHz的GPS射頻信號(hào)，根據(jù)文獻(xiàn)，在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中，采用超外差上變頻思路，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，分?jǐn)?shù)字電路和模擬電路兩部分，系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示，數(shù)字電路部分設(shè)計(jì)采用軟件無(wú)線電的思路，利用FPGA芯片完成GPS信號(hào)的基帶調(diào)制和中頻調(diào)制，輸出8 b的GPS數(shù)字中頻信號(hào)，通過(guò)D/A器件轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后送到模擬電路;模擬電路部分是整體設(shè)計(jì)的核心，主要是進(jìn)行射頻電路板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，采用頻率合成器、混頻器等器件，對(duì)信號(hào)進(jìn)行混頻，濾波，功率控制等，將GPS中頻信號(hào)混頻調(diào)制到射頻信號(hào)，利用射頻電路完成上變頻功能。

　　1.2 模塊設(shè)計(jì)

　　(1)數(shù)字電路：數(shù)字電路部分就是基帶/中頻模塊設(shè)計(jì)，采用軟件無(wú)線電思路，根據(jù)文獻(xiàn)，利用FPGA芯片產(chǎn)生GPS導(dǎo)航電文(D碼)、C/A碼、數(shù)字中頻載波，對(duì)它們進(jìn)行基帶調(diào)制、擴(kuò)頻調(diào)制輸出GPS數(shù)字中頻信號(hào)，其中GPS信號(hào)調(diào)制原理如圖2所示，主要由C/A碼模塊、D碼模塊、DDS模塊和調(diào)制模塊等組成。其中C/A碼模塊產(chǎn)生速率l.023MHz的第i顆衛(wèi)星的C/A碼序列，C/A碼有1 023個(gè)碼片，持續(xù)周期是1 ms;D碼模塊產(chǎn)生速率50 Hz的第i顆衛(wèi)星的導(dǎo)航電文(D碼);DDS模塊產(chǎn)生速率12.5 MHz的數(shù)字載波信號(hào);調(diào)制模塊對(duì)C/A碼、D碼和載波信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制和BPSK調(diào)制，輸出12.5 MHz的GPS數(shù)字中頻信號(hào)。

　　(2)模擬電路：根據(jù)文獻(xiàn)，模擬電路部分就是射頻模塊設(shè)計(jì)，利用頻率合成器、混頻器、濾波器和衰減器等器件進(jìn)行射頻電路設(shè)計(jì)，基本原理如圖1所示的模擬部分，功能是將GPS信號(hào)由中頻搬移到射頻上，通過(guò)濾波器濾波，經(jīng)可調(diào)衰減器調(diào)整功率后輸出GPS射頻信號(hào)，完成上變頻功能。

　　2 頻率合成器ADF4360-4

　　2.1 工作原理及其性能

　　頻率合成器主要功能是為系統(tǒng)上下變頻提供本振信號(hào)，多應(yīng)用于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常由數(shù)字鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)和可編程計(jì)數(shù)器(R計(jì)數(shù)器和N計(jì)數(shù)器)等組成，數(shù)字鑒相器(PD)對(duì)R計(jì)算器與N計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)進(jìn)行相位比較，得到一個(gè)誤差電壓，經(jīng)環(huán)路濾波器(LF)后控制壓控振蕩器(VCO)產(chǎn)生所需頻率。

　　頻率合成器ADF4360-4是ADI公司生產(chǎn)的高性能鎖相頻率合成芯片，是一款雙模前置分頻型單環(huán)頻率合成器，在不改變頻率分辨率時(shí)，能有效提高頻率合成器的輸出頻率;其主要性能有，輸出頻率范圍為1450～1750 MHz，可選擇二分頻，選擇二分頻時(shí)輸出信號(hào)頻率為725～875 MHz;工作電壓為3～3.6V;輸出信號(hào)的功率可控制范圍為-13～-4 dBm;可編程雙模前置分頻器的分頻比為8/9，16/17，32/33;能夠進(jìn)行模擬和數(shù)字鎖定檢測(cè);芯片內(nèi)部集成了VCO等。ADF4360-4的工作原理如圖3所示，P/(P+1)為高速雙模前置分頻器，其分頻模數(shù)為P+1和P，A為5位脈沖吞咽可編程計(jì)數(shù)器，B為13位主可編程計(jì)數(shù)器，R為14位可編程參考分頻器，MC為模控制邏輯電路。該器件通過(guò)可編程5位A計(jì)數(shù)器、13位B計(jì)數(shù)器及雙模前置分頻器(P/P+1)來(lái)共同確定主分頻比N(N=BP+A)，14位可編程參考R分頻器對(duì)外部晶振分頻后得到參考頻率fr=f0/R，因此，設(shè)計(jì)時(shí)只需外加環(huán)路濾波器，并選擇合適的參考值，可獲得穩(wěn)定的頻率輸出，其輸出頻率為f0=fi/R(A+BP)，式中，fi為輸入頻率，由外部晶振提供。

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2.2 應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

　　在模擬電路射頻模塊中，頻率合成器ADF4360-4為混頻器提供本振信號(hào)，其應(yīng)用電路如圖4所示，頻率合成器的模擬輸入是外部溫補(bǔ)晶振，晶振通過(guò)一個(gè)濾波器將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘送到ADF4360-4的16腳REFin;頻率合成器的輸出管腳是4腳：RFoutA和5腳RFoutB，這兩路輸出差分高頻信號(hào)，通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)和諧振濾波網(wǎng)絡(luò)送入混頻器的差分輸入端;第17～19管腳分別是頻率合成器初始化時(shí)控制數(shù)據(jù)的CLK腳、DATA腳、LE腳，與測(cè)試輸出用的20腳MUXOUT一并接到一個(gè)5針插頭，以便與FPGA芯片連接，作為其輸入輸出控制接口;12腳Cc為補(bǔ)償管腳，連一個(gè)電容接地;13腳Rset用來(lái)設(shè)置電荷泵輸出最大電流的大小，電流大小由公式ICPmax=11.75/Rest決定，本電路中Rest=4.7 kΩ;14腳CN連一個(gè)電容接Vvco去耦;6腳VCO電源、21腳數(shù)字電源和2腳模擬電源分開(kāi)放置，分別加去耦電容;其他的模擬地和數(shù)字地直接接地。

　　2.3 初始化設(shè)計(jì)

　　頻率合成器ADF4360-4通過(guò)高速雙模前置分頻器P，5位脈沖吞咽可編程計(jì)數(shù)器A，13位主可編程計(jì)數(shù)器B和14位可編程參考R分頻器共同決定主分頻比，其輸出頻率為

　　。模擬電路中使用輸入晶振為fi=11.289 6 MHz，數(shù)字電路部分輸出GPS信號(hào)頻率為12.5 MHz，經(jīng)過(guò)推算可以設(shè)置頻率合成器參數(shù)A=5，B=34，P=8，因此頻率合成器輸出本振信號(hào)頻率為.f0=1 563.609 8 MHz。

　　頻率合成器ADF4360-4內(nèi)部有3個(gè)24位寄存器，R寄存器、C寄存器和N寄存器，由于寄存器是用來(lái)暫存指令和數(shù)據(jù)的，每次掉電后原來(lái)寫(xiě)入寄存器的數(shù)據(jù)也就丟失了，因此每次上電時(shí)，必須重新給寄存器寫(xiě)入數(shù)據(jù)才能獲得所需的本振輸出。通電時(shí)寄存器數(shù)據(jù)寫(xiě)入順序是R寄存器、C寄存器和N寄存器，寄存器數(shù)據(jù)輸入程序用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)，采用FPGA芯片來(lái)控制，其中3個(gè)24位寄存器的初始化設(shè)置值如表1所示。其中每個(gè)寄存器最末兩位DBl和DB0用來(lái)決定目標(biāo)寄存器，比如“01”代表R寄存器，“10”代表N寄存器，“00"代表C寄存器;R寄存器的DBl5～DB2用來(lái)設(shè)置14位可編程參考分頻器R，N寄存器的DB20～DB8用來(lái)設(shè)置13位主可編程計(jì)數(shù)器B，DB6～DB2用來(lái)設(shè)置5位脈沖吞咽可編程計(jì)數(shù)器A，C寄存器的DB23和DB22用來(lái)決定高速雙模前置分頻器P，比如“OO”表示P=8，C寄存器的DBl3和DBl2用來(lái)設(shè)置輸出功率大小，例如“10”表示頻率合成器輸出功率大小是-7 dBm，可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整輸出功率的大小。
 

　　ADF4360-4的3個(gè)寄存器數(shù)據(jù)寫(xiě)入是通過(guò)ADI公司的FPGA芯片PlC6Q240C8的3個(gè)雙向I/O口來(lái)實(shí)現(xiàn)的，連接原理如圖4所示，F(xiàn)PGA芯片的3個(gè)雙向I/O口，分別連接ADF4360-4的LE腳、DATA腳、CLK腳，其中CLK為串行時(shí)鐘輸入，DATA為串行數(shù)據(jù)輸入，LE為加載使能。ADF4360-4初始化時(shí)序如圖5所示。首先由DATA腳在每個(gè)CLK的上升沿從MSB(最高有效位)開(kāi)始依次寫(xiě)入24位移位寄存器中的數(shù)據(jù)，并根據(jù)LE腳的上升沿信號(hào)一次性將輸入的24 b數(shù)據(jù)加載到目標(biāo)寄存器，然后再進(jìn)行下一個(gè)目標(biāo)寄存器的初始化，其中C寄存器和N寄存器的賦值間隔應(yīng)該大于5 ms。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　數(shù)字電路模塊的核心是基帶/中頻模塊，采用ADI公司的FPGA芯片EPlC6Q240C8，該芯片采用130 nm工藝，邏輯單元有5 980個(gè)，在Quart-usⅡ8.O平臺(tái)下測(cè)試，測(cè)試結(jié)果是GPS信號(hào)調(diào)制占用邏輯單元337個(gè)，采用ModelSim仿真平臺(tái)，編寫(xiě)TestBench測(cè)試文件，在ModelSim平臺(tái)下導(dǎo)出時(shí)長(zhǎng)1 ms的GPS信號(hào)數(shù)據(jù)，在Matlab上進(jìn)行功率譜分析，仿真波形如圖6(a)所示，中心頻率是12.5 MHm將基帶/中頻模塊輸出的GPS中頻信號(hào)送到安泰頻譜分析儀AT5011進(jìn)行頻譜分析，頻譜波形如圖6(b)所示，信號(hào)中心頻率為12.5 MHz，中頻信號(hào)能量主要集中在主瓣上，仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果相符合。

　　模擬電路的射頻模塊在進(jìn)行PCB電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮的問(wèn)題是噪聲干擾，噪聲干擾是影響射頻電路性能的重要因素，在PCB布局時(shí)要考慮數(shù)字電路和模擬電路之間的干擾，大功率器件和小功率器件之間的干擾，供電電源的噪聲干擾，高頻線的布線及接地等因素。射頻模塊的驗(yàn)證是觀察是否將GPS中頻信號(hào)上變頻為1 575.42 MHz的信號(hào)，測(cè)試中將射頻模塊輸出的GPS射頻信號(hào)經(jīng)60 dB衰減后送到頻譜分析儀，頻譜顯示信號(hào)是一個(gè)單頻信號(hào)，中心頻率是1 575.4 MHz，測(cè)試符合系統(tǒng)設(shè)定要求。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)分析頻率合成器ADF4360-4的工作原理、性能特點(diǎn)及其應(yīng)用電路設(shè)計(jì)，結(jié)合GPS信號(hào)源設(shè)計(jì)，提出了以FPGA芯片和頻率合成器為核心的GPS信號(hào)源的總體設(shè)計(jì)方案，分?jǐn)?shù)字電路和模擬電路兩部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明，以FPGA為核心的基帶/中頻模塊實(shí)現(xiàn)了GPS信號(hào)的BPSK調(diào)制，擴(kuò)頻調(diào)制，輸出了12.5 MHz的GPS中頻信號(hào);以頻率合成器ADF4360-4為核心的射頻模塊完成了上變頻功能，將GPS中頻信號(hào)調(diào)制到射頻1 575.4 MHz上，測(cè)試滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。