小数分频技术与ADF4193快速开关频率合成器的研究
小数分频是频率合成中的一项新技术。这种技术的特点是使单环锁相频率合成器的平均分频比变为小数。通过使分频比变为小数，可获得任意小的频率间隔，实现高频率分辨力的频率合成，利用小数分频技术完成的小数分频频率合成器，不仅频率分辨力高，而且频率转换速度快，还可使频谱改善、线路简化、体积缩小、程控方便、集成容易。
在数字移动通信系统的设计过程中，经常采用跳频方法来提高通信系统的抗干扰、抗多径衰落能力。但这要求快速跳频系统中的超快速跳频pll能够在几十微秒（μs）内稳定到所要求的相位和频率。为达到这个要求，可采用乒乓体系结构。但这种结构需要两个频率合成器。其中当一个频率合成器作为lo工作时。另一个频率合成器的作用是锁定下一步要求的频率。而现在。也可以用一个快锁芯片来实现。美国adi公司生产的adf4193快速开关频率合成器就是采用一个pll的快锁芯片。它能满足乒乓结构的切换指标，故可用在无线发射机和接收机的上变频和下变频电路的lo电路中。
1 adf4193的特点和pll工作原理
adf4193是基于小数分频的快锁芯片。该芯片的主要特点如下：
◇ 具有快速调整的小数-n锁相环结构；
◇ 可用单片锁相环代替开关式合成器；
◇可在gsm频带内实现5μs跳频，并可在20μs内使相位稳定；
◇ 2ghz输出时具有0.5级的相位误差；
◇ 可编程输出相位；
◇ 射频输入范围可达3.5 ghz;
◇ 带有3线串行接口；
◇ 芯片内置低噪声差动放大器；
◇ 其相位噪声灵敏度可达-216 dbc/hz.
adf4193主要是基于乒乓体系结构的跳频原理。adf4193的工作原理如图1所示，图中，vco的作用是提供一个参考频率fx,fx经过预分频r得到鉴相器输入端的参考频率，图1中的环路滤波器的作用是滤除鉴相器输出信号的高频成分和噪声，并将鉴相器的输出电流转化为电压送到vco的输入端。以控制vco的输出频率。同时将vco输出频率经过n分频后反馈给鉴相器。鉴相器的作用是对反馈频率和参考鉴相频率进行比较，当鉴相器两个输入信号的相位同步（且fvco/n=fr）时，vco的输出频率就是要锁定的频率。
2 分频器对pll的指标影响
2.1 相位噪声
一般情况下，分频器的分频比n对pll的有关指标的影响比较大。这里主要介绍其对相位噪声、锁定时间的影响。影响相噪的因素通常有分频比、鉴相频率、pll固有底噪和闭环传递函数等。其近端带内相噪的大小可用下式表示：
式中，pn/hz表示pll的固有底噪，n为分频比，fcomp为鉴相比较频率；
从（2）式可以看出，在通带内，相噪主要由鉴相器决定，当鉴相频率fcomp增大一倍时，对应值减小一半，输出频率保持不变，其相噪可改善了3db.所以，为了减小通带内的相噪，设计时应该尽量使用分频比比较小的pll.
2.2 锁定时间
锁定时间和闭环带宽有很大关系，环路带宽越大，锁定时间越短，环路带宽越小，锁定时间越长。对于2阶环，其锁定时间t∝1/ωξ（其中ω为环路带宽，ξ为阻尼系数）。所以，一般情况下，可以通过改变环路带宽的值来改变锁定时间。
对于整数分频来说，环路带宽的选取最多只能是参考频fr的1/10.所以，仅靠环路带宽来改变锁定时间的方法有其很大的局限性。
对于小数分频，环路带宽的选取基本上和参考频率fr的关系很小，小数分频的参考频率可以选的很大，如adf4193的fr可选为13mhz.如果1/10按来计算，环路带宽可以宽到1.3mhz,所以小数分频的环路带宽的选取几乎可以不考fr.
虽然环路带宽越宽，锁定时间越短，但是，也不能把环路带宽设置的特别大，因为环路带宽越大，滤波效果越差，这样，pll输出频率的底噪就越高。
在环路锁定的情况下，参考时钟和再生时钟通常都存在固定的相位差，若将相差假设为△t,则其相位误差计算公式如下：
其中：vtune是vco或vcxo的调谐端电压，单位v;ipump_out为鉴相器的输出鉴相电流，单位ma;fcomp表示鉴相频率，单位khz;zvco是vco或vcxo的输入阻抗，单位欧姆。
由式（3）此可以看出，要使参考时钟和再生时钟的相位差尽量小，起主要作用因素的是系统的鉴相频率和振荡器的输入阻抗要足够大。△t的范围与锁定是密切相关的。大多数的pll芯片都要求在锁定时刻，其连续3个或5个鉴相周期的绝对相位误差要小于15ns,否则即视为失锁。具体选取3个还是5个鉴相周期，可通过相应的寄存器来设置。在锁定期间，任一周期的相位误差大于25ns,即为失锁。
一般情况下，环路带宽、锁定时间和相位噪声会相互影响、相互制约。要获得较短的锁定时间，就需要较大的环路带宽，但也会引入更多的噪声，因而有可能导致相位噪声的恶化。同样，如果需要良好的相位噪声，则环路带宽就要变窄，此时的锁定时间就会增加。如果想在不改变环路带宽的情况下改善相位噪声，根据公式（2），可在分频器ⅳ和鉴相频率fcomp做一些改善。
3 fpga对adf4193的配置过程
通过verilog语言进行编程，可用fpga来实现对adf4193的配置。adf4193中有八个寄存器，通过对这八个寄存器的配置，可以使adf4193进入正常工作状态。adf4193有一个3线串行接口，这三个接口分别为le、clk、data.数据可在时钟的上升延从adf4193的3线串行接口输入到24-bit的输入移位寄存器，高字节在前。在使能信号le的上升延，移位寄存器的数据将被锁入到8个寄存器r0~r7的其中之一。具体写给哪个寄存器，可由移位寄存器的24-bit最低位的三个控制比特c3、c2、c1来决定。
按照一定的方式将初始化配置数据发送到adf4193对应的寄存器，即可实现adf4193的初始化。图2所示是用逻辑分析仪抓到的配置图。
图2给出了adf4193的17步配置过程。其中寄存器r0和r2的值决定了锁相环的输出频率。图2中，在配置完前两个寄存器后，还需要等待10ms的时间，以便环路滤波器的电容能够放电。通过这样的配置可以将adf4193配置在任何一个需要的频率上。需要说明的是，只有当初始化过程稳定，才可以进行跳频操作。否则，adf4193将无法进行正常的跳频功能。
对应图2,即可得到第一个被配置的寄存器的配置时序，其具体的时序图如图3所示。
从图3可见，给一个寄存器配置数据可通过le信号进行控制。在le为低电平时。恰好有24个时钟周期卡在le的前一个下降延和后一个上升延之内。从数据的后三位可以看出，这次配的寄存器是r5.其它寄存器的配置过程为此相同。
4 pll指标的测量
4.1 相噪的测量
利用仪表的相噪模板可对adf4193的输出相噪进行测量。其测量结果如图4所示。
从图4可以看到，freqoffset在：100hz、1khz、10khz、100khz和1mhz处都可以达到很好的指标。
4.2 锁定时间的测量
为了节约成本，可以采用adi公司提供的ad8302并结合示波器对锁定时间进行测量，基于ad8302的测量原理结构如图5所示。
实际使用证明，adf4193的锁定时间可以达到所需要的指标。此外，采用fpga来实现对adf4193的配置，其过程相对比较简单且易实现，而同时性能也能得到保证。
5 结语
由adf4193的配置时序可以看出，adf4193是一款易配置和使用的芯片，使用它可以简化设计复杂度，缩短项目调试周期。从测量的相位噪声和锁定时间的结果可以看出：adf4193具有很好的性能指标，而且稳定性比较好。adf4193的最主要的优点是可以简单的实现跳频，它不再需要使用乒乓切换电路，因而可缩短系统的切换时间，以在时隙的保护时间内实现频率切换。adf4193比乒乓切换电路更能简化电路，减少成本，同时可节省pcb的布板面积。很适合在通信系统中使用。
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1 adf4193的特点和pll工作原理
adf4193是基于小数分频的快锁芯片。该芯片的主要特点如下：
◇ 具有快速调整的小数-n锁相环结构；
◇ 可用单片锁相环代替开关式合成器；
◇可在gsm频带内实现5μs跳频，并可在20μs内使相位稳定；
◇ 2ghz输出时具有0.5级的相位误差；
◇ 可编程输出相位；
◇ 射频输入范围可达3.5 ghz;
◇ 带有3线串行接口；
◇ 芯片内置低噪声差动放大器；
◇ 其相位噪声灵敏度可达-216 dbc/hz.
adf4193主要是基于乒乓体系结构的跳频原理。adf4193的工作原理如图1所示，图中，vco的作用是提供一个参考频率fx,fx经过预分频r得到鉴相器输入端的参考频率，图1中的环路滤波器的作用是滤除鉴相器输出信号的高频成分和噪声，并将鉴相器的输出电流转化为电压送到vco的输入端。以控制vco的输出频率。同时将vco输出频率经过n分频后反馈给鉴相器。鉴相器的作用是对反馈频率和参考鉴相频率进行比较，当鉴相器两个输入信号的相位同步（且fvco/n=fr）时，vco的输出频率就是要锁定的频率。
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2.1 相位噪声
一般情况下，分频器的分频比n对pll的有关指标的影响比较大。这里主要介绍其对相位噪声、锁定时间的影响。影响相噪的因素通常有分频比、鉴相频率、pll固有底噪和闭环传递函数等。其近端带内相噪的大小可用下式表示：
式中，pn/hz表示pll的固有底噪，n为分频比，fcomp为鉴相比较频率；
从（2）式可以看出，在通带内，相噪主要由鉴相器决定，当鉴相频率fcomp增大一倍时，对应值减小一半，输出频率保持不变，其相噪可改善了3db.所以，为了减小通带内的相噪，设计时应该尽量使用分频比比较小的pll.
2.2 锁定时间
锁定时间和闭环带宽有很大关系，环路带宽越大，锁定时间越短，环路带宽越小，锁定时间越长。对于2阶环，其锁定时间t∝1/ωξ（其中ω为环路带宽，ξ为阻尼系数）。所以，一般情况下，可以通过改变环路带宽的值来改变锁定时间。
对于整数分频来说，环路带宽的选取最多只能是参考频fr的1/10.所以，仅靠环路带宽来改变锁定时间的方法有其很大的局限性。
对于小数分频，环路带宽的选取基本上和参考频率fr的关系很小，小数分频的参考频率可以选的很大，如adf4193的fr可选为13mhz.如果1/10按来计算，环路带宽可以宽到1.3mhz,所以小数分频的环路带宽的选取几乎可以不考fr.
虽然环路带宽越宽，锁定时间越短，但是，也不能把环路带宽设置的特别大，因为环路带宽越大，滤波效果越差，这样，pll输出频率的底噪就越高。
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其中：vtune是vco或vcxo的调谐端电压，单位v;ipump_out为鉴相器的输出鉴相电流，单位ma;fcomp表示鉴相频率，单位khz;zvco是vco或vcxo的输入阻抗，单位欧姆。
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图2给出了adf4193的17步配置过程。其中寄存器r0和r2的值决定了锁相环的输出频率。图2中，在配置完前两个寄存器后，还需要等待10ms的时间，以便环路滤波器的电容能够放电。通过这样的配置可以将adf4193配置在任何一个需要的频率上。需要说明的是，只有当初始化过程稳定，才可以进行跳频操作。否则，adf4193将无法进行正常的跳频功能。
对应图2,即可得到第一个被配置的寄存器的配置时序，其具体的时序图如图3所示。
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从图4可以看到，freqoffset在：100hz、1khz、10khz、100khz和1mhz处都可以达到很好的指标。
4.2 锁定时间的测量
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