基于FPGA和频率合成器的GPS信号源的设计

　　频率合成器是发射系统和接收系统中的核心器件，采用相位负反馈频率控制技术，具有良好的窄带载波跟踪性能和带宽调制跟踪性能，为系统上、下变频提供本振信号，对相位噪声和杂散具有很好的抑制作用，通过锁相频率合成技术实现的频率源已经在雷达、通信、电子等领域得到了广泛应用。

　　本文以GPS信号源设计为参考，介绍ADI公司的频率合成器ADF4360-4在GPS信号源设计中的典型应用。

　　1 信号源系统组成

　　1.1 系统设计

　　根据文献了解了GPS信号的结构特点，本文设计GPS信号源的目的是模拟卫星发射的GPS信号，也就是对GPS信号进行基带调制并产生频率为1 575.42 MHz的GPS射频信号，根据文献，在系统总体设计中，采用超外差上变频思路，根据系统设计特点，分数字电路和模拟电路两部分，系统设计如图1所示，数字电路部分设计采用软件无线电的思路，利用FPGA芯片完成GPS信号的基带调制和中频调制，输出8 b的GPS数字中频信号，通过D/A器件转换为模拟信号后送到模拟电路;模拟电路部分是整体设计的核心，主要是进行射频电路板的设计与实现，采用频率合成器、混频器等器件，对信号进行混频，滤波，功率控制等，将GPS中频信号混频调制到射频信号，利用射频电路完成上变频功能。

　　1.2 模块设计

　　(1)数字电路：数字电路部分就是基带/中频模块设计，采用软件无线电思路，根据文献，利用FPGA芯片产生GPS导航电文(D码)、C/A码、数字中频载波，对它们进行基带调制、扩频调制输出GPS数字中频信号，其中GPS信号调制原理如图2所示，主要由C/A码模块、D码模块、DDS模块和调制模块等组成。其中C/A码模块产生速率l.023MHz的第i颗卫星的C/A码序列，C/A码有1 023个码片，持续周期是1 ms;D码模块产生速率50 Hz的第i颗卫星的导航电文(D码);DDS模块产生速率12.5 MHz的数字载波信号;调制模块对C/A码、D码和载波信号进行扩频调制和BPSK调制，输出12.5 MHz的GPS数字中频信号。

　　(2)模拟电路：根据文献，模拟电路部分就是射频模块设计，利用频率合成器、混频器、滤波器和衰减器等器件进行射频电路设计，基本原理如图1所示的模拟部分，功能是将GPS信号由中频搬移到射频上，通过滤波器滤波，经可调衰减器调整功率后输出GPS射频信号，完成上变频功能。

　　2 频率合成器ADF4360-4

　　2.1 工作原理及其性能

　　频率合成器主要功能是为系统上下变频提供本振信号，多应用于发射机和接收机系统设计中，通常由数字鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)、压控振荡器(VCO)和可编程计数器(R计数器和N计数器)等组成，数字鉴相器(PD)对R计算器与N计数器的输出信号进行相位比较，得到一个误差电压，经环路滤波器(LF)后控制压控振荡器(VCO)产生所需频率。

　　频率合成器ADF4360-4是ADI公司生产的高性能锁相频率合成芯片，是一款双模前置分频型单环频率合成器，在不改变频率分辨率时，能有效提高频率合成器的输出频率;其主要性能有，输出频率范围为1450～1750 MHz，可选择二分频，选择二分频时输出信号频率为725～875 MHz;工作电压为3～3.6V;输出信号的功率可控制范围为-13～-4 dBm;可编程双模前置分频器的分频比为8/9，16/17，32/33;能够进行模拟和数字锁定检测;芯片内部集成了VCO等。ADF4360-4的工作原理如图3所示，P/(P+1)为高速双模前置分频器，其分频模数为P+1和P，A为5位脉冲吞咽可编程计数器，B为13位主可编程计数器，R为14位可编程参考分频器，MC为模控制逻辑电路。该器件通过可编程5位A计数器、13位B计数器及双模前置分频器(P/P+1)来共同确定主分频比N(N=BP+A)，14位可编程参考R分频器对外部晶振分频后得到参考频率fr=f0/R，因此，设计时只需外加环路滤波器，并选择合适的参考值，可获得稳定的频率输出，其输出频率为f0=fi/R(A+BP)，式中，fi为输入频率，由外部晶振提供。

　　2.2 应用电路设计

在模拟电路射频模块中，频率合成器ADF4360-4为混频器提供本振信号，其应用电路如图4所示，频率合成器的模拟输入是外部温补晶振，晶振通过一个滤波器将标准时钟送到ADF4360-4的16脚REFin;频率合成器的输出管脚是4脚：RFoutA和5脚RFoutB，这两路输出差分高频信号，通过匹配网络和谐振滤波网络送入混频器的差分输入端;第17～19管脚分别是频率合成器初始化时控制数据的CLK脚、DATA脚、LE脚，与测试输出用的20脚MUXOUT一并接到一个5针插头，以便与FPGA芯片连接，作为其输入输出控制接口;12脚Cc为补偿管脚，连一个电容接地;13脚Rset用来设置电荷泵输出最大电流的大小，电流大小由公式ICPmax=11.75/Rest决定，本电路中Rest=4.7 kΩ;14脚CN连一个电容接Vvco去耦;6脚VCO电源