基于ADF4113的可控本振源在网桥的变频应用

李 悦

（西安雷通科技有限责任公司研发部 陕西 西安 710100）

0 引言

频率合成器是频率合成技术的重要体现，目前多数电子设备的功能强大与否均直接依赖其内在合成器的性能。频率合成是将一个或多个信号源通过合成线性运算，产生新频率的过程。频率合成的方法有锁相式频率合成、直接频率合成、直接数字频率合成等多种。本文由于项目需求，为了使电路尺寸更小，实现更简便，将采用ADF4113 芯片进行锁相式频率合成，从而得到一个稳定可控的本振源。

由于某可跳频的无线网桥研发需求，需要使用一个频率为2 100 MHz 的稳定本振源，并要求本振源所输出的频率在需要改变时（在网桥跳频时需要此功能），能随时改变其输出频率。本文基于锁相器为ADF4113 频率合成模块、单片机STC89C52 和一个E2PROM AT24C02 设计了一款可变频的本振源，将详细分析具体电路和相关控制程序代码[1]。

1 无线网桥变频系统

随着技术的发展，无线网桥已经普遍应用于各种工作场景，传输速率由最早的几兆发展到现在的百兆以上，得到了质的提高。由于无线网桥产品大多工作在开放频段，为了避免该频段内产品的相互干扰，此类产品的发射功率均受到严格控制（一般小于18 dBm），因此限制了信号的传输距离（一般在300 m 内）。在点对点系统中采用定向天线和加大天线口径的方法，可以提高传输距离，但会带来系统移动性差的问题。同时，2.4 GHz 频段高，空间传输衰耗大，信号绕射能力差，限制了无线网桥的应用范围[2]。考虑到网桥产品具有的上述特点，如果把网桥产品的射频频段降低到较低的频段，使空间传输衰耗降低，同时避开开放频段的功率限制，提高发射功率，而天线又采用了八木天线，使信号的传输距离大大增加，且具备快速移动性的特点。

本文设计了一个2.4 GHz 网桥变频系统，使用发射端通过混频和滤波的方法将2.4 GHz 的发射信号降频至300 MHz，在接收端通过相反的方式将接收到得300 MHz 信号升频至2.4 GHz，从而实现网桥工作频段的变换。通过共用时序控制信号，保证了系统与网桥射频开关的严格同步。

2 无线网桥变频后性能分析

通过变频系统降低网桥产品的工作频段，可以提高网桥信号的传输性能，根据无线链路的计算公式可表示为：

Pr=Pt-Ltl+Gta-Ltm+Gra-Lrl。

其中，Ltm=32.5+20log f+20log d，Pr ≥Sr。

式中：Pr 为接收功率；Pt 为设备的发射功率；Gta 为发射天线的增益；Gra 为接收天线的增益；Ltl 为发射端传输线路衰耗；Lrl 为接收端传输线路衰耗；Ltm 为传输空间衰耗；f 为使用频率，MHz；Sr 为设备的接收灵敏度；d 为两站之间的距离，km。

假设发射功率为30 dBm，接收灵敏度为-70 dBm，发射、接收天线增益同为20 dBm，在不考虑传输线衰耗下，则2.4 GHz 信号和300 MHz 信号的传输距离分别为9.89 km和79.00 km。可见通过降低网桥的工作频段，在自由空间中信号的传输距离显著增加。此外，低频信号的波长较长，信号的绕射能力增强，在树林和障碍物较多的环境下的传输性能也更强[3]。

3 无线网桥变频系统模型

变频系统主要利用高频混频器混频后得到含有300 MHz 的混合信号，通过带通滤波器滤除高次谐波得到最终的发射信号。接收端同样经过混频滤波后将信号还原到2.4 GHz 连接到网桥。2.4 GHz 网桥变频器结构，如图1所示。

图1 2.4 GHz 网桥变频器结构

射频信号RF1 与网桥射频输出端连接，将网桥输出的信号送到变频器的衰减器，将信号电平调整到合适的范围。传送到2.4 GHz 带通滤波器去除外界干扰，并送往下变频混频器，与本地振荡器混频后，产生了包含有300 MHz 信号的复合信号，经过中心频率为300 MHz 的带通滤波器滤除谐波，选出300 MHz 的传输信号，再经过功率放大器放大到需要的功率，最后由300 MHz 滤波器滤除谐波后发射出去，保证发射信号频谱的干净[4]。变频系统的电子开关控制信号与网桥电子开关控制信号同步，保证在TDD 工作方式时信号收发同步，避免数据丢失。

相反接收到的300 MHz 传输信号RF2，由固定的300 MHz 滤波器滤除外界干扰，并经过放大后送往上变频混频器，与本地振荡器混频后得到网桥的射频信号RF1，由网桥频段滤波器滤除干扰信号后，经放大器放大至合适的电平后送往网桥。

4 本振源电路设计方案

本振系统结构，如图2所示。频率合成器是基于亚德诺半导体技术有限公司（ADI 公司，美国）生产的一款高性能锁相频率合成芯片ADF4113，外加滤波器和压控振荡器组成，设置频率合成器的输入频率为13 MHz。控制单片机芯片选用STC 公司生产的AT89C52。为了能使本振源输出不同频率的信号，引出单片机的串口引脚连接上位机[5]，以及能使设备在掉电后能存储配置好的控制信息，选用24C02 存储芯片以存储控制信息。

图2 本振系统结构

5 频率合成器模块的电路原理及电路分析

频率合成器电路原理如图3所示，其中，C1、C2、C3 为隔直电容，防止直流电流进入鉴相器；C4、C5 为射频输入口的旁路电容，根据ADF4113 的具体要求其大小为100 pF。R1、R2、R3 为功分器，高频信号分为两路，一路输出，另一路用作反馈。Rset 管脚用于设置锁相器输出的最大电流，其电流从管脚CP 输出。在Rset 管脚与地之间放置1 个电阻，用于控制鉴相器输出的最大电流，其关系是Icp=23.5/R4。在频率合成器设计中要求Icp max=5 mA，因此R4=4.7 k。R5、R6 为匹配电阻。R7、R8、C6、C7、C8 为组成环路滤波电路对管脚CP 输出的高频信号滤波，然后进入压控振荡器。

图3 频率合成器电路原理

6 本振源可变频的算法设计

在本文应用中，除此可变频本振源与2.4 GHz 混频得到300 MHz 外，在网桥调试时，还希望此可变频本振源输出其他频率（1 900～2 200）MHz，因此关键程序算法如下。

初始时要得到一个频率为2 100 MHz 的稳定本振源，根据项目的要求性能规定，选择使用13 MHz 的晶振，则鉴频器的参考频率fre=13 MHz，而2 097 不是13 的整倍数，因此将基准频率分频器R=13，即fre/R=1，fvco=P×B+A。而ADF4113 要求fvco/P ＜200 MHz，由此将P=16。开机初始时，要得到的频率为2 100 MHz，即2 100÷16 ≈131，且余数是4，因此B=131、A=4，则可将它们先配置到初始数组中。变频时可控本振的输出频率范围要求在1 900～2 200 MHz，在上位中输入一个需要输出的频率值，该值可以通过串口传递给单片机，此时在单片机中需要对接收的数进行一定的运算，从而计算出A 值和B 值的具体数值并写入ADF4113。该运算的算法为1 900÷16 ≈118。而A 范围最大为63，因此可将（1 900～2 200）MHz 分为5 个区间，第一个区间B=118，则其输出频率最大值为118×16+63=1 952。为了使下一个区间最小能把1 953 包括进去，则下一个区间B=1 953÷16 ≈122。因此这5 个区间B 分别为118、122、126、130、134，而相应A=（输出频率-B）×16。最后，将A 与B 写入相应寄存器。通过以上算法，可将想要本振输出的频率通过串口发送给单片机，本振源就可以直接输出相应频率的高频信号。

7 本振源控制程序流程

本振源控制程序流程，如图4所示。

图4 本振源控制程序流程

程序开始运行，先判定E2PROM 24C02 芯片中指定存储区域是否存有数据。如果24C02 中的指定存储区域已经存有数据，则将存储器的数据写入到ADF4113 的R 计数锁存器和N 计数锁存器。如果在指定存储区域未有任何数据，则将配置好的初始化数组中的数据直接写入ADF4113芯片。在无线网桥不进行跳频时，要求其输出频率为2 100 MHz，其输出2 100 MHz 的配置数据已经保存在初始数组中，可以直接将数组中的值写入ADF4113，这样的好处是不用运行存储程序，使得设备开机速度提高，同时也提高了程序执行效率。接着单片机中程序便进入while(1)死循环，等待上位机发出的串口中断命令，如果接收到中断请求则进入中断程序，对24C02 中的数据重新配置然后直接写入ADF4113，从而达到本振输出可变频的目的，并且在下次开机时保存住了配置数据[6]。

8 结语

综上所述，本文提出了基于ADF4113 的可控本振源的设计原理，分析了频率合成器的电路原理及ADF4113 芯片的部分控制程序，并通过ADF4113 设计的可控本振源丰富了网桥的工作频段，对扩展网桥产品的应用范围，缩短开发周期，节约了成本。结果表明，变频后的网桥只要配置适当的终端产品，就可以实现图像、语音、数据等的快速传输，具有广阔的市场前景。