一种应用于GNSS终端的频率综合单元设计_颜锦辉.pdf

电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|181通信技术及基础设施建设作者简介：颜锦辉，男，汉族，湖南邵阳，本科，研究方向：射频电路设计。通信作者：吴鹏，男，汉族，陕西西安，博士，副教授，研究方向：卫星导航信息处理算法。一种应用于GNSS终端的频率综合单元设计颜锦辉，刘威，杨欣怡，方新怡，吴鹏（通信作者）长沙学院电子信息与电气工程学院，湖南长沙，410000摘要：针对目前通用信号发生器存在成本高、体积大、使用复杂等问题，提出一种应用于全球卫星导航系统（globalnavigationsatellitesystem，GNSS）终端的频率综合单元设计方案。方案采用SI4133进行设计，利用间接频率合成技术，具备高可靠性、低成本、小体积等优势，该方案还可以通过修改频率综合单元的软件和硬件配置，实现不同频率信号输出。该频率综合单元可用作GNSS终端的本振信号和时钟信号源，也可以作为卫星通信、导航教学课程设计中的单载波信号源等。本文对频率综合单元的特点及其工作原理进行分析，阐述软硬件实现过程，并给出结果验证方式。关键词：GNSS；频率综合单元；SI4133；卫星导航中图分类号:U283文献标志码:ADOI:10.19772/ki.2096-4455.2023.1.041 0引言随着北斗三号的全面应用1，卫星导航定位技术的应用越来越广泛2，行业对人才的需求也逐渐旺盛，北斗卫星导航系统工程是国家经济建设、国防安全的战略性基础设施3，卫星导航定位是提供时空基准和位置信息的现代化技术。在通信工程专业开展对卫星导航领域的教学活动，有助于用户更好地理解卫星导航的工作原理和行业应用背景。目前在卫星导航原理及应用领域的教学活动已经较为完善，但在频率综合单元设计上的教学很少。教学使用的频率综合单元设计应符合经济性要求，在不降低性能的基础上力求简单、经济、实用。较第一代和第三代频率合成技术而言，采用以锁相式频率合成为代表的第二代间接频率合成技术设计的频率综合单元成本更低、体积更小、杂散抑制更好，故该方案采用锁相式频率合成。1频率综合单元介绍频率综合单元由软、硬件组成，频率生成采用SI4133设计，SI4133是美国SiliconLaboratories公司推出的一款射频芯片，压控振荡器（VCO）的低相位噪声使得SI4133适用于要求较高的无线通信应用，其工作频率范围在L频段内，可以覆盖GNSS所有信号的频点。它内部集成了三个完整的锁相环（PLL）等组件，两个PLL用于双波段射频合成，这两个PLL是多路复用的，通过芯片内部的寄存器控制进行选择，另外一个单独的通道可以输出62.51000MHz点频信号。在通信和导航信号处理中进行ADC数据分析等信号采样分析的过程中需要对信号源和采样时钟进行同源处理，采用SI4133进行频率综合单元设计可以实现射频信号和采样时钟（采样时钟由中频端输出）的同时输出，通过设计还可以将两个信号源的参考时钟对外输出，这样外部下变频所需要的参考时钟和测试信号的时钟就可以实现同源4。频率综合单元为基带单元提供基带处理所需要的时钟信号，由基带处理单元内部的CPU完成外部传感器数据的采集，并对其锁定状态和其他工作状态进行判断、识别。dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术182|2频率综合单元电路设计与实现频率综合单元采用MCU加PLL芯片设计实现，并设计了相关的信息采集电路，作为实验设备需要从可靠性等角度考虑，对频率综合单元的电源和控制电路进行了精心设计。2.1频率综合单元硬件电路设计2.1.1上电保护电路设计由于频率综合单元需要用于教学使用，考虑到用户操作过程中对设备不熟悉容易造成误操作，需要设计相应的保护电路。在电源输入端进行上电保护设计，采用过欠压保护芯片设计实现。外部DC供电后，经LTC4365HTS8芯片做浪涌抑制和过欠压保护，通过配置芯片的外部电阻值实现只允许通过8.0514.5V电压，确保不会导致供电异常和板卡烧坏。2.1.2监测电路设计监控电路的功能是通过传感器采集电路中的电压、电流、温度等信号，将所有的信号统一用电压来表征，这样就可以使用多通道的ADC对传感器信号进行采集，采集完成后通过固定的协议输出。频率综合单元电路中采用AD7888模数转换芯片采样各部的电压、电流、温度等情况，AD7888采集的电压范围在02.5V，需要检测电路提供的电压不能超过这个值。在设计时各支路电流、电压监控对核心部位增加了温度传感器，这样在使用过程中一旦监控单元发生故障就可以通过MCU感知5。2.1.3频率综合单元电路设计频率综合单元电路采用MCU进行寄存器控制，通过三线制SPI对寄存器进行读写操作。PLL电路采用MCU+SI4133和逻辑门电路实现。参考源采用10MHz晶振设计，支持外部参考输入和参考输出。由于SI4133的锁定指示数字电平为低有效，为了更直观地看到锁定指示状态，在锁定指示输出端增加非门电路，将锁定指示转为高有效，这样在PLL电路存在故障不上电的情况下不会导致锁定指示误判。2.1.4VCO频率修改不同的电感感值对应不同的中心频率范围。在外部走线电感和电感固定的情况下，通过修改PLL内部的R分频器和N倍频器控制输出频率。输出频率计算如公式（1）：outREFNffR=（1）分频器系数R决定了VCO输出频率的精度，当分频器的R值越小，输出频率的步进越小、噪声越小，由分频器系数R与倍频系数N共同决定的锁定输出频率范围也就越小。IF通道中心频率范围在526952MHz，可以通过修改寄存器中IFOutputDivider2bit的数据来实现2、4、8分频。以最低62.5MHz频率输出为例，控制IF输出526MHz的频率，对该频率进行8分频，由于PLL芯片自身设有5%的协调范围，最终实现5268(1-0.05)=62.5MHz频率输出6。2.1.5VCO频率计算SI4133集成了三个VCO单元，对应有IF、RF1、RF2通道。RF1和RF2为多路复用通道，同一时刻只能有一个通道在工作，通过只对其中一路通道的寄存器进行写入来实现通道的选择。外部电感和外部走线电感共同决定通道输出频率范围。以中频输出端为例，硬件电路设置外部电感为，根据SI4133手册得、，由公式（2）计算得出IF输出的中心频率为567MHz。（2）2.2频率综合单元单片机程序设计单片机编译器采用的是MicrochipStudio编译器，内部无针对PLL寄存器写入的库函数，需要自行设置单片机程序。2.2.1单片机程序设计该频率综合单元采用MCU+PLL实现频率输出。首先要对单片机做初始化，初始化设置包括管脚的初始化和单片机初始化。管脚初始化定义了管脚的输入输出以及上下拉、浮空输入等特性；单片机程序相对简单，不需要使用看门狗，电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|183通信技术及基础设施建设在初始化时将看门狗关闭。单片机采用三线ISP对PLL寄存器进行数据写入，当PLL锁定时PLL芯片的AUXOUT管脚会被拉低，通过单片机读取该管脚的值来判定PLL是否锁定，当PLL未锁定，单片机重新写PLL寄存器和判断是否锁定，直至PLL锁定。当PLL锁定后，程序进入监控状态7。2.2.2SI4133寄存器值配置注意事项SI4133内部具备16个寄存器，其中9个参与实际控制，7个寄存器为预留设计。每个寄存器为22bit，低4bit为地址位，决定写入的地址。高18bit是数据位，控制着PLL的中心频率、分频系数、相位检测增益等。第0号寄存器的第13、12bit（基0）控制着SI4133的辅助输出，当这两bit数据为00、10时不执行操作；数据为01时SI4133的AUXOUT管脚始终保持低电平；数据为10时SI4133启动锁定监控，AUXOUT管脚初始状态输出高电平，当锁相环锁定，AUXOUT管脚状态变为低电平。3频率综合单元功能验证采用频率综合单元电路设计章节所述电路完成设计后，对频率综合单元的功能和性能进行了测试，频率综合单元的设计指标满足预期，模块对应上电保护电路设计；模块为监控电路的AD采集芯片，传感器分布较为分散；模块为频率综合单元电路。3.1频率源输出功能验证在外部8V以下、14.5V以上的供电电压，频率综合单元不工作。外部12V、0.2A供电情况下，10nH的外部电感，IF输出的中心频率范围在470630MHz。IF的中心频率经过2、4、8分频后可为GNSS接收机提供参考时钟。在SI4133芯片的IFLC与IFLD管脚连接一个2.2nH的电感，RF1输出11601500MHz范围的频率。在目前的走线电感下，RF2能够输出的中心频率范围在12001580MHz。两路通道输出的频率范围能够覆盖目前GNSS系统所有的卫星频点8。3.2锁定状态识别频率综合单元的核心是锁相环，锁相环芯片的工作状态影响频率的工作状态，对于锁相环工作是否正常，在频率综合单元功能和性能测试验证的过程中发现，针对锁相环锁定状态的判断可以通过几种方式进行验证，具体验证方式见表1。表 1锁定状态验证识别表信号锁定信号未锁定硬件验证SI4133芯片的AUXOUT管脚为低电平，单片机锁定指示管脚为高电平SI4133 芯片的 AUXOUT管脚为高电平，单片机锁定指示管脚为低电平频谱仪验证 PLL 锁定PLL 锁定失败SI4133芯片输出了锁定指示状态，锁定状态管脚输出为低有效，考虑到在PLL芯片未上电或损坏的情况下也是为逻辑低状态，在设计中采用门电路对锁定状态进行了转换，将锁定状态转换为高有效。从表1可以看出，当CPU检测到高电平或者万用表测试门电路输出管脚长时间保持高电平状态，则可以判断为锁定，也可以通过频谱分析仪直观地进行判断，当锁相环输出频率在频谱仪分析带宽为1kHz左右时，还能保持尖锐的单载波尖峰，就可以判断为锁定。当CPU检测到低电平或者万用表测试门电路输出管脚长时间保持低电平状态，则可以判断为失锁，也可以通过频谱分析仪直观地进行判断，当锁相环输出频率在频谱仪分析带宽为50kHz左右时，看到频率为类似扫频状态波动时，可以判断为失锁。3.3VCO工作范围及特性常温下进行测试发现，IF输出端在保证外部配置电感为10nH时，中频端可以实现输出频率范围在470630MHz，更换电感为12nH后，可以稳定锁定输出的频率起点往左端移动，这和公式（2）表征的物理意义一致。在进行测试的过程中保证电感值固定不变的情况下，VCO有一定的dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术184|浮动范围，这一特性确保了电感不变的情况下，可以在相应带宽内输出所有频点的单载波信号。对应于IF端而言，外部配置电感确定情况下，IF可以稳定输出的VCO频率带宽在150MHz左右。电感10nH时，在高温60条件下，锁定的范围相对于470630MHz左右端都存在外扩的情况，低温-20条件下，锁定的范围相对于470630MHz左右端都存在内缩的情况9。本设计中RF1采用外接2.2nH电感、RF2采用走线电感设计，可稳定锁定的VCO频率范围分别为11601500MHz和12001580MHz。RF1和RF2的走线电感长度和相应的工艺处理都会影响其感值，支持的VCO频率也会存在差异，在高温60和低温-20条件下，同样存在VCO工作范围变化的情况。此实验结果说明，在外部配置电感保持不变的情况下，RF1和RF2端VCO可以稳定锁定的工作带宽在300MHz左右，IF端VCO可以稳定锁定的工作带宽在150MHz左右。在低温的情况下，相同参数、配置的锁相环更容易失锁，由于VCO内部存在放大电路，对于放大器件而言，高温下增益降低、低温下增益上升，低温下的工作稳定性要低于高温条件，这也就是低温下锁相环稳定性要弱于高温的原因。4结语本文介绍并制作了一种应用于GNSS终端的频率综合单元，通过电路设计、软件设计阐述了其工作原理，并结合工程实践给出了相关电路的设计方法和设计思路。频率综合单元具备频率在线可调、相位噪声低、可靠性高等特点，保障了通信实验的可行性、安全性。该频率综合单元输出的频率范围覆盖了GNSS系统中所有频点，可以用作GNSS接收机的本振信号，信号分频后也可作为参考时钟。通过对频率综合单元进行设计、调试后发现，可以基于该频率综合单元设计关于SPI读写时序、PLL寄存器配置及修改、PLL锁定状态识别、PLL_VCO工作带宽、VCO工作频率与外部环路电感对应关系等相关实验课程，可培养学生在嵌入式软件开发、PLL电路设计及相关电路设计上的能力。参考文献1 丁辰.北斗导航卫星定位系统在我国经济建设中的重要作用J.射频世界,2010,5(4):9-12.2 李博心,祁浩然,鲁祥,等.室内定位算法与技术综述J.电子元器件与信息技术,2020,4(1):4.3 雷晓敏.北斗定位导航系统在指挥控制领域的研究C.第八届中国指挥控制大会论文集,2020.4 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