雷達物位計調頻連續波信號頻率源的研究設計（2）

新型頻率源的設計 

在上一節中介紹了利用 DDS 與 PLL 外混頻設計的頻率合成器，雖然此方案可以克服電壓調制 VCO 方案中非線性度的缺點，但限于 DDS 技術還遠遠無法達到設計要求的頻率，須經過一系列的上變頻與倍頻處理，電路復雜，所需芯片較多，成本高，不利于廣泛應用?？紤]到這些因素，下面將利用 PLL 芯片 ADF4159 來設計一種新型的頻率源，不僅具有以上方法的高線性度、高頻率分辨率、高頻率、對雜散抑制較強等優點，而且在此方案中 DDS 不再使用，電路簡單，成本較低。是 FMCW 雷達信號源的理想解決方法之一。 

項目指標要求 

根據 FMCW 測距原理以及實際系統的需求，確立本次頻率源設計的指標： 

輸出頻率：24GHz~25GHz 

頻率步進：50k Hz 

頻率分辨率：小于 10Hz 

線性度：小于 0.01% 

調頻周期：16ms 

相位噪聲：優于-90d Bc/Hz@100k Hz 

           優于-105d Bc/Hz@1MHz 

系統方案設計 

如圖 4-4 為該系統方案框圖。 

該方案系統主要由兩部分構成，一是以 ADF4159 為**的小數分頻頻率合成器部分，通過對芯片的設置來對整個源部分的輸出進行控制；二是 PLL 環路部分，結合 ADF4159，通過環路濾波器和帶有二分頻器的 VCO 輸出 24GHz~25GHz 步進20k Hz 的掃頻頻率。該方案有以下幾點優勢： 

1、該方案的**是一個頻率合成器芯片ADF4159，其片內具有FMCW掃頻功能，由其構成的PLL環路即可滿足頻率源調頻要求，設計過程不再需要DDS部分，簡化了電路，并使成本降低。

2、方案應用了PLL環路，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，進而降低雜散水平。

3、ADI公司自帶的PC端軟件可對ADF4159直接進行設置，無需另外的單片機控制以及編程，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13GHz的PLL頻率合成器，在ADF4159上的鑒頻鑒相器較高頻率可達110MHz，功耗低于100mW；內置高分辨率25位小數N分頻模數和片內FMCW斜坡發生功能，這使其非常適合頻率調制連續波（FMCW）雷達功能，包括汽車雷達系統、微波點到點（PtP）系統、通信儀器和測試設備。

如圖4-5所示，ADF4159由低噪聲數字鑒頻鑒相器（PFD）、精密電荷泵和可編程參考分頻器組成。該器件內置一個-A型小數插值器，能夠實現可編程小數N分頻。INT和FRAC寄存器可構成一個總N分頻器（N=INT+（FRAC/2²⁵））。

圖 4-5 ADF4159 內部結構框圖 

ADF4159 是一款具有調制、以及快速和慢速波形產生能力的 13GHz 小數 N 分頻頻率合成器，該器件使用25位固定模數，提供次赫茲頻率分辨率。ADF4159可用于實現頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）調制。還有一些可用的頻率掃描模式，可在頻域內產生各種波形，例如鋸齒波和三角波。掃描可以設置為自動進行，也可以設置為通過外部脈沖手動觸發每個步驟。ADF4159具有周跳減少電路，可進一步縮短鎖定時間，而無需修改環路濾波器。所有片內寄存器均通過簡單的三線式接口進行控制。ADF4159采用2.7V至3.45V模擬電源和1.62V至1.98V數字電源供電，不用時可以關斷。

ADF4159工作原理

ADF4159由單頻模式、頻率調制模式和中斷模式，它能夠在頻域內產生五種波形：單一斜坡突發脈沖、單一三角突發脈沖、單一鋸齒突發脈沖、連續鋸齒斜坡和連續三角斜坡。在本次設計中，主要應用的是ADF4159產生連續三角斜坡的特性，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分頻器結構圖，

ADF4159具有25位固定模數。此模數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，可實現2.98Hz的頻率步進。

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

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位分頻器的預設分頻比（23至4095）；FRAC是小數分頻的分子（0至25-1）。PFD頻率（frfo）公式為：

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

圖4-7為斜坡信號產生的示意圖。定義斜坡的關鍵參數有：頻率偏差；超時間隔；步進數。

其中：CLK，和CLK，12位時鐘值（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）。對于斜坡分頻器，寄存器R4中的位DB[20：19]必須設為11。fero為PFD頻率。CLK，或CLK，必須大于1，即不允許CLK，=CLK2=1。

（4）步進數：

20位步進值定義了發生跳頻的次數。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，它們的產生機理分別為：

（1）單一斜坡突發脈沖：

較基本的波形是單一斜坡突發脈沖。其他所有波形均在此波形基礎上變化。

在單一斜坡突發脈沖中，ADF4159被鎖定至FRAC/INT寄存器（RO）內定義的頻率。使能斜坡模式時，ADF4159將N分頻器遞增DEVx25V-OFFSE7，造成各定時器間隔上的頻移focv。此頻移重復發生至設置的步進數為止。然后ADF4159保留較終N分頻值。

（2）單一三角突發脈沖：

三角突發脈沖類似于單一斜坡突發脈沖。不過，完成步進后，ADF4159開始在每個超時間隔中將N分頻值遞減DEV×20EV-OFFSET。

（3）單一鋸齒突發脈沖

在單一鋸齒突發脈沖中，N分頻值在步進數后的下一個超時間隔中復位至初始值。ADF4159將保留此N分頻值。

（4）連續鋸齒斜坡

連續鋸齒斜坡是單一鋸齒突發脈沖的重復版本。波形重復至禁用斜坡為止。

（5）連續三角斜坡

連續三角斜坡是單一三角突發脈沖的重復版本。不過，完成步進后，ADF4159開始在每個超時間隔中將N分頻值遞減DEV×2^EV-0FFSET。當再次完成步進數時，它會重新遞增N分頻值。重復這一過程便產生三角波形。波形重復至禁用斜坡為止。