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摘 要：基于实际导航信号接收机设计项目需求，同时结合项目特点，采用了基于PXI总线的本振设计方案，设计了导航信号接收机本振模块。本文给出了本振模块的详细设计方案，重点介绍了设计方案中所采用的HMC833芯片的特点及控制方法。本文设计的PXI总线本振模块具有设计方案简单、易于控制、输出功率范围宽、相噪指标高等特点。文章最后给出了PXI总线本振模块的相位噪声及宽频段输出功率一致性指标的测试结果，并对结果进行分析。实际项目应用中，该PXI总线本振模块技术指标满足项目需求，应用效果良好。
关键词：PXI；本振模块；HMC833；相位噪声
中图分类号：TN742 文献标识码： B 文章编号： 2095-8595 （2016） 03-208-04电子科学技术 URL： http//www.china-est.com.cn DOI： 10.16453/j.issn.2095-8595.2016.03.004
引言
PXI总线[1]是PCI总线在仪器领域的扩展，该总线具备处理速度快、体积小、结构坚固、可靠稳定等特点，在射频和微波测试模块应用中具有明显的优势，同时由于PXI总线标准测试模块的小型化和便于集成等特点，越来越广泛地应用于各种自动测试系统中。世界主流的几大仪器设备厂商推出了各种类型的PXI测试模块以及基于PXI模块的自动测试系统[2]。本振模块是接收机类仪器的核心组成部分，在构建各类测试系统解决方案过程中必不可少。本文以某类导航信号接收机项目为背景，设计了一个只占一槽的3U本振模块。该本振模块输出频率范围为560MHz～3.2GHz，输出功率为全频段为-4dBm左右。另外该模块还输出一个100MHz参考信号。
1 总体方案设计
基于传统的小数环、取样环和大环的多环本振方案因电路结构复杂无法直接应用到PXI模块上，结合导航信号接收机项目的特点，该接收机只需要点频本振。另外，PXI机箱电源种类有限，这也在电源方面对本振方案设计提出了更高的要求。在本文PXI本振模块设计方案中采用了HMC833芯片[3]，4]。HMC833是一款高精度、低相噪的集成锁相环VCO，该芯片具备体积小、功耗低、控制简单等优点，完全能够满足PXI本振模块在体积和指标方面的要求。HMC833芯片有两种工作模式，分别为整数分频模式和小数分频模式，输出频率范围为25MHz～6000MHz。鉴相信号频率根据信号格式不同而有所不同，最高鉴相频率为100MHz。芯片采用LP6形式封装，外形尺寸为6mm×6mm。HMC833内部固有的VCO频率为1500MHz～3000MHz，经芯片内部的分频器和倍频器可将输出频率扩展到25MHz～6000MHz。输出功率可以调节，调节范围为0dBm～9dBm，调节步进3dB。在本振模块方案中，HMC833芯片的参考源选择了100MHz恒温晶振，经过衰减之后直接输送到了芯片的外部参考输入端，通过内部的参考分频器设置，使得实际使用的鉴相频率为50MHz。100MHz恒温晶振的相噪指标@1kHz为-131dBc/Hz，@10kHz为-155dBc/Hz，@100kHz为-160dBc/Hz。本振模块后端添加了分段滤波单元，用于滤除本振谐波和其他干扰信号。PXI本振模块的具体设计方案如图1所示。
2 本振模块的实现
下面详细介绍一下本振模块的实现过程。
2.1 模块接口设计
PXI接口电路设计[5，6]包括硬件设计和通信设计两个方面的内容。硬件设计应满足PXI总线规范的机械、电气要求；通信设计主要负责将复杂的PXI总线通过一定的转换电路变为简单的本地通信总线。在硬件设计上采用的连接器是AMP公司的AMP352068-1和AMP352152-1。在通信设计中，本文采用PCI接口芯片PXI9054加FPGA的设计方案，PCI9054负责将复杂的PCI总线协议转换成简单的本地总线时序，具体PXI接口通信设计方案如图2所示。该设计方案可以大大简化设计难度，在实际操作中只需要将地址、数据总线和控制信号线与PCI9054对应管脚连接，地址、数据总线和控制信号经过PCI9054之后，就可以转换成简单的本地总线。
设计方案中采用的PCI接口芯片PCI9054只作为PXI总线的从设备，不具备主动向PXI总线请求数据的功能。对PCI9054的功能设置可通过配置其内部寄存器来实现的，内部寄存器的配置可以通过PXI总线和EEPROM（M93S56WMN6P）来实现。PCI9054与FPGA之间的数据通信需要一个时钟信号，本文采用泰艺公司的40M晶体振荡器来提供。
2.2 HMC833寄存器设置
HMC833芯片内部共用18个PLL寄存器和7个VCO寄存器。设置PLL寄存器可以控制输入参考分频次数、工作模式、电荷泵偏置电流等功能。内部VCO寄存器，可控制输出频范围、输出功率等。
初始化过程如下：
（1）Reg0Ah设置为：000005h。参考直接输入。
（2）Reg05h设置为：000788h。频率直接输出不分频，输出功率最大。
（3）Reg05h设置为：006090h。频率直接输出不分频，输出功率最大。
（4）Reg05h设置为：002898h。频率输出不分频不倍频，直接输出。
（5）Reg05h设置为：000000h。將VCO子带宽始终设置为最大。
（6）Reg06h设置为：200B4Ah。芯片工作在小数分频模式。
（7）Reg02h设置为：000002h。将输入的100MHz参考信号2分频为50MHz，作为鉴相器的鉴相频率。
初始化完成之后，根据输出频率设置Reg03h和Reg04h寄存器。当输出频率为为25MHz～1500MHz，或者3000MHz～6000MHz时，需重新配置Reg05h寄存器的内容。 例如要输出4250MHz信号，需设置内容如下
（1）Reg05h为000018h；
（2）Reg05h为000000h；
（3）Reg03h为00002Ah；
（4）Reg04h为800000h。
经过以上设置流程之后，本振频率输出应为4250MHz信号。
注意每次改变频率之前都要重新初始化内部VCO寄存器到默认值，以防输出频率出错。
2.3 环路滤波器设计
不同的电荷泵输出滤波器带宽[7]会给本振模块输出信号近端的相位特性造成不同的影响，最终将影响输出信号的相位噪声指标。本振模块环路滤波器采用的结构和参数如图3所示，电路的两端直接连接到HMC833芯片的CP引脚和VTUNE引脚。
在实际设计中测试了三种滤波器分别为：74kHz、90 kHz、214kHz。其中环路滤波器带宽为214kHz时，频偏1MHz以内的底噪抬起过高，造成相位噪声恶化，整个频段表现并不好。典型测试指标如输出频率为3GHz时，相位噪声指标分别为：-99dBc@1kHz、-99dBc@10kHz、-101dBc@100kHz。通过实际测试结果比较，最终在本模块设中环路滤波器带宽选择90kHz。
2.4 分段滤波设计
为滤除输出端谐波和其他频率信号，在本振模块的输出端添加了分段滤波电路。分段滤波共分4段分别为：560MHz～800MHz、800MHz～1200MHz、1200MHz～1800MHz、1800MHz～3200MHz。本振模块根据输出频率的变化自动选择频率段，以输出尽量纯净的信号。
3 本振模块输出分析
PXI本振模块的输出结果分析用AV4036进行了测量。
设置本振模块输出范围为560MHz～3200MHz，设置AV4036起始频率设为500MHz，终止频率设置为3250MHz，分辨率带宽设为3MHz。观察带内输出功率的平坦度。测试结果如图4所示。在672.333333MHz时输出功率最大为-2.21dBm，在560MHz～3200MHz带内功率起伏在3dBm以内，能够满足项目指标要求。
设置本振模块输出频率为2220MHz。设置AV4036中心频率为2220MHz，扫宽为25kHz。
利用频标功能，测出在10kHz处的相位噪声指标为-112.71dBc/Hz，如图5所示。测出在1kHz处的相位噪声指标为-103.61dBc/Hz，如图6所示。测出在100Hz处的相位噪声指标为-86.69dBc/Hz，如图7所示。从测试结果可以看出本振模块输出相噪指标较好，杂散较低，能够满足项目要求。
4 结论
本设计以实际项目需求为背景，利用集成芯片HMC833芯片为核心设计了一个本振模块。该模块具备硬件方案简单、PCB尺寸小、输出频率范围宽、远端相噪指标好等特点。通过本振模块的输出信号调理电路，可以调节输出信号功率以满足后端混频器的要求，各项性能指标完全满足实际项目要求。
基金项目：
民航科技创新引导资金项目（MH20140109）资助。
参考文献
范梅生，魏震生，馮振声. PXI规范简介[J].国外电子测量技术，1998，（4）：44-45.
王虎，温建中等. PXI模块仪器系统[J].国外电子测量技术，2001，（5）：14-17.
柳星普，李青平，冯占群.HMC830芯片的一种应用[J].产业与科技论坛，2013，12（9）：61-62.
周勇，李晓波，秦国领.基于HMC833的低相噪低杂散频率源的设计[J].舰船电子对抗，2014，37（5）：114-117.
黄身锞. PCI总线接口芯片9054及其应用[J].世界电子元器件，2006，（3）：57-59.
王鲁平，李飚.基于EPLD技术的PCI总线接口设计[J].电子技术应用，2001，（3）：5.
闫亚力，杜会文等.一种多环路宽带微波频率合成器设计[J]. 国外电子测量技术，2014，33（5）：48-51.
关键词：PXI；本振模块；HMC833；相位噪声
中图分类号：TN742 文献标识码： B 文章编号： 2095-8595 （2016） 03-208-04电子科学技术 URL： http//www.china-est.com.cn DOI： 10.16453/j.issn.2095-8595.2016.03.004
引言
PXI总线[1]是PCI总线在仪器领域的扩展，该总线具备处理速度快、体积小、结构坚固、可靠稳定等特点，在射频和微波测试模块应用中具有明显的优势，同时由于PXI总线标准测试模块的小型化和便于集成等特点，越来越广泛地应用于各种自动测试系统中。世界主流的几大仪器设备厂商推出了各种类型的PXI测试模块以及基于PXI模块的自动测试系统[2]。本振模块是接收机类仪器的核心组成部分，在构建各类测试系统解决方案过程中必不可少。本文以某类导航信号接收机项目为背景，设计了一个只占一槽的3U本振模块。该本振模块输出频率范围为560MHz～3.2GHz，输出功率为全频段为-4dBm左右。另外该模块还输出一个100MHz参考信号。
1 总体方案设计
基于传统的小数环、取样环和大环的多环本振方案因电路结构复杂无法直接应用到PXI模块上，结合导航信号接收机项目的特点，该接收机只需要点频本振。另外，PXI机箱电源种类有限，这也在电源方面对本振方案设计提出了更高的要求。在本文PXI本振模块设计方案中采用了HMC833芯片[3]，4]。HMC833是一款高精度、低相噪的集成锁相环VCO，该芯片具备体积小、功耗低、控制简单等优点，完全能够满足PXI本振模块在体积和指标方面的要求。HMC833芯片有两种工作模式，分别为整数分频模式和小数分频模式，输出频率范围为25MHz～6000MHz。鉴相信号频率根据信号格式不同而有所不同，最高鉴相频率为100MHz。芯片采用LP6形式封装，外形尺寸为6mm×6mm。HMC833内部固有的VCO频率为1500MHz～3000MHz，经芯片内部的分频器和倍频器可将输出频率扩展到25MHz～6000MHz。输出功率可以调节，调节范围为0dBm～9dBm，调节步进3dB。在本振模块方案中，HMC833芯片的参考源选择了100MHz恒温晶振，经过衰减之后直接输送到了芯片的外部参考输入端，通过内部的参考分频器设置，使得实际使用的鉴相频率为50MHz。100MHz恒温晶振的相噪指标@1kHz为-131dBc/Hz，@10kHz为-155dBc/Hz，@100kHz为-160dBc/Hz。本振模块后端添加了分段滤波单元，用于滤除本振谐波和其他干扰信号。PXI本振模块的具体设计方案如图1所示。
2 本振模块的实现
下面详细介绍一下本振模块的实现过程。
2.1 模块接口设计
PXI接口电路设计[5，6]包括硬件设计和通信设计两个方面的内容。硬件设计应满足PXI总线规范的机械、电气要求；通信设计主要负责将复杂的PXI总线通过一定的转换电路变为简单的本地通信总线。在硬件设计上采用的连接器是AMP公司的AMP352068-1和AMP352152-1。在通信设计中，本文采用PCI接口芯片PXI9054加FPGA的设计方案，PCI9054负责将复杂的PCI总线协议转换成简单的本地总线时序，具体PXI接口通信设计方案如图2所示。该设计方案可以大大简化设计难度，在实际操作中只需要将地址、数据总线和控制信号线与PCI9054对应管脚连接，地址、数据总线和控制信号经过PCI9054之后，就可以转换成简单的本地总线。
设计方案中采用的PCI接口芯片PCI9054只作为PXI总线的从设备，不具备主动向PXI总线请求数据的功能。对PCI9054的功能设置可通过配置其内部寄存器来实现的，内部寄存器的配置可以通过PXI总线和EEPROM（M93S56WMN6P）来实现。PCI9054与FPGA之间的数据通信需要一个时钟信号，本文采用泰艺公司的40M晶体振荡器来提供。
2.2 HMC833寄存器设置
HMC833芯片内部共用18个PLL寄存器和7个VCO寄存器。设置PLL寄存器可以控制输入参考分频次数、工作模式、电荷泵偏置电流等功能。内部VCO寄存器，可控制输出频范围、输出功率等。
初始化过程如下：
（1）Reg0Ah设置为：000005h。参考直接输入。
（2）Reg05h设置为：000788h。频率直接输出不分频，输出功率最大。
（3）Reg05h设置为：006090h。频率直接输出不分频，输出功率最大。
（4）Reg05h设置为：002898h。频率输出不分频不倍频，直接输出。
（5）Reg05h设置为：000000h。將VCO子带宽始终设置为最大。
（6）Reg06h设置为：200B4Ah。芯片工作在小数分频模式。
（7）Reg02h设置为：000002h。将输入的100MHz参考信号2分频为50MHz，作为鉴相器的鉴相频率。
初始化完成之后，根据输出频率设置Reg03h和Reg04h寄存器。当输出频率为为25MHz～1500MHz，或者3000MHz～6000MHz时，需重新配置Reg05h寄存器的内容。 例如要输出4250MHz信号，需设置内容如下
（1）Reg05h为000018h；
（2）Reg05h为000000h；
（3）Reg03h为00002Ah；
（4）Reg04h为800000h。
经过以上设置流程之后，本振频率输出应为4250MHz信号。
注意每次改变频率之前都要重新初始化内部VCO寄存器到默认值，以防输出频率出错。
2.3 环路滤波器设计
不同的电荷泵输出滤波器带宽[7]会给本振模块输出信号近端的相位特性造成不同的影响，最终将影响输出信号的相位噪声指标。本振模块环路滤波器采用的结构和参数如图3所示，电路的两端直接连接到HMC833芯片的CP引脚和VTUNE引脚。
在实际设计中测试了三种滤波器分别为：74kHz、90 kHz、214kHz。其中环路滤波器带宽为214kHz时，频偏1MHz以内的底噪抬起过高，造成相位噪声恶化，整个频段表现并不好。典型测试指标如输出频率为3GHz时，相位噪声指标分别为：-99dBc@1kHz、-99dBc@10kHz、-101dBc@100kHz。通过实际测试结果比较，最终在本模块设中环路滤波器带宽选择90kHz。
2.4 分段滤波设计
为滤除输出端谐波和其他频率信号，在本振模块的输出端添加了分段滤波电路。分段滤波共分4段分别为：560MHz～800MHz、800MHz～1200MHz、1200MHz～1800MHz、1800MHz～3200MHz。本振模块根据输出频率的变化自动选择频率段，以输出尽量纯净的信号。
3 本振模块输出分析
PXI本振模块的输出结果分析用AV4036进行了测量。
设置本振模块输出范围为560MHz～3200MHz，设置AV4036起始频率设为500MHz，终止频率设置为3250MHz，分辨率带宽设为3MHz。观察带内输出功率的平坦度。测试结果如图4所示。在672.333333MHz时输出功率最大为-2.21dBm，在560MHz～3200MHz带内功率起伏在3dBm以内，能够满足项目指标要求。
设置本振模块输出频率为2220MHz。设置AV4036中心频率为2220MHz，扫宽为25kHz。
利用频标功能，测出在10kHz处的相位噪声指标为-112.71dBc/Hz，如图5所示。测出在1kHz处的相位噪声指标为-103.61dBc/Hz，如图6所示。测出在100Hz处的相位噪声指标为-86.69dBc/Hz，如图7所示。从测试结果可以看出本振模块输出相噪指标较好，杂散较低，能够满足项目要求。
4 结论
本设计以实际项目需求为背景，利用集成芯片HMC833芯片为核心设计了一个本振模块。该模块具备硬件方案简单、PCB尺寸小、输出频率范围宽、远端相噪指标好等特点。通过本振模块的输出信号调理电路，可以调节输出信号功率以满足后端混频器的要求，各项性能指标完全满足实际项目要求。
基金项目：
民航科技创新引导资金项目（MH20140109）资助。
参考文献
范梅生，魏震生，馮振声. PXI规范简介[J].国外电子测量技术，1998，（4）：44-45.
王虎，温建中等. PXI模块仪器系统[J].国外电子测量技术，2001，（5）：14-17.
柳星普，李青平，冯占群.HMC830芯片的一种应用[J].产业与科技论坛，2013，12（9）：61-62.
周勇，李晓波，秦国领.基于HMC833的低相噪低杂散频率源的设计[J].舰船电子对抗，2014，37（5）：114-117.
黄身锞. PCI总线接口芯片9054及其应用[J].世界电子元器件，2006，（3）：57-59.
王鲁平，李飚.基于EPLD技术的PCI总线接口设计[J].电子技术应用，2001，（3）：5.
闫亚力，杜会文等.一种多环路宽带微波频率合成器设计[J]. 国外电子测量技术，2014，33（5）：48-51.