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。