锁相调频发射机原理及设计

第9卷　第10期　2009年5月167121819(2009)1022736204　

科　学　技　术　与　工　程

ScienceTechnologyandEngineering

　Vol19　No110　May2009

Ζ　2009　Sci1Tech1Engng1

通信技术

宋小勇　(,)

摘　要　,指出环路设计时应注意的问题。分析影响有源滤波器特性的因素,并对其仿真,。关键词　　　有源滤波器中图法分类号　TN92211;　　　　文献标志码　

A

调频发射机可分为中频调制发射机和锁相环(Phase2LockedLoop,PLL)调制发射机。相较于中

频调制发射机而言,锁相调频发射机电路简单,且具有平坦的宽带调制特性,只要合理设计锁相环路的各种参数,就可以响应频率较低的调制信号,能够满足遥测系统的需要

[1]

。下面介绍锁相环调频

发射机的原理及设计方法,并对其环路特性进行分析和仿真,最终应用于实际中。

1　锁相环调频发射机原理

调制信号首先经过调制电路进行电平转换与幅度调整,然后与环路产生的误差电压相加,控制压控振荡器。由于环路带宽低于调制频谱的下限,因此调制信号不参与环路的反馈,使压控振荡器仍锁定于中心频率,实现调制信号对载波的频率调制。调制信号经过功放和低通滤波之后,经由天线发射出去,实现信息的传输,其原理如图1所示。

功放和低通滤波器用来进行功率放大和谐波滤波,主要讨论锁相环路的相关内容。锁相调频发射机的相位模型如图2所示。

根据图2可列出如(1)式

。

θo(s)θ[(r(s)-θo(s)/N)KdF(s)+Um(s)/Km]KV

s

(1)

(1)式中θθr(s)、o(s)分别表示参考信号和输

出信号由于寄生调频而引起的相位变化。令θr(s)=0,由式(1)可得。

KV

NUm(s)

θo(s)=

KmNS+KVKdF(s)

(2)

对(2)式两边取微分即可得到压控振荡器频率输出变化的特性

ωo(s)KV

Km

Um(s)KVKdF(s)

NS

(3)

2009年2月16日收到

1

10期宋小勇,等:锁相调频发射机原理及设计27　37

对于采用有源比例积分滤波器的锁相环,(3)式可用标准的控制方程表示为:

ωo(s)=

2

2

2

KV

ξωnsωnKms+2

Um(s)(4)

当调制频率满足KVKdF(s)/NSν1,即

F(s)/SνN/KVKd的条件时,

KKm

ωo(s)=

Um(s)3　3次有源环路滤波器电路图

所以在进行环路设计时N要取的尽量大。

fC=

πC1(R1+R3)Av2

M=

R2R1+R3

(8)(9)

。

2　锁相调频发射机设计

锁相调频发射机的核心是锁相环路及调制电路的设计。在本设计中,鉴相鉴频器采用ADF4107,它采用单端电荷泵输出,可通过LE、DA2TA、CLOCK三个端口实现输出频率和鉴相频率等

其中Av为运算放大器的直流增益,M为滤波器平坦部分增益。该有源环路滤波器有fc,fL,fH三个拐点,平坦部分的增益由R1,R2,R3确定,相位裕量仅由fH/fL确定

[3]

。

212　调制电路设计

由于VCO的工作频率较高,变容二极管可以响应的调制频率很高,此时影响调制频率偏移大小的主要是发射机的输入电阻与压控振荡器的输入电容。发射机的输入电阻Rin与压控振荡器的输入电容Cin组成一个低通滤波器,对高频率的调制信号具有较大的衰减作用。为了保证调制信号频率响应的平坦性,该低通滤波器的截止频率必须大于调制信号的最高频率。在VCO的输入电容确定的情况下,输入电阻的值必须小于某一个值。为了使编码器的负载不至过重,一般要求发射机的输入阻抗大Ω,因此发射机的调制电路中应包含阻抗变于10k

换电路。由场效应管组成的源极跟随器输入阻抗高输出阻抗低,可以很容易的进行频偏调整,并可以为压控振荡器的变容二极管提供所需的反向偏压,在此使用较为合适。其原理图如图4所示

。

参数的可编程化,具有较好的通用性。电荷泵输出经环路滤波器之后变换为控制电压至VCO,实现载波频率的输出,下面介绍环路滤波器及调制电路的设计。

211　环路滤波器设计

锁相环路的设计,从根本上来说就是环路滤波器的设计。环路滤波器具有低通作用,用来滤除电压中的高频分量和噪声。它对环路参数调整起着决定性的作用,可以改善控制电压的频谱纯度,提高系统稳定度。常用的有RC积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器

[2]

。ADF4107

电荷泵输出电压较低,且采用的VCO需要较高的控制电压才能获得所需的载波频率,由于无源环路的负增益,在此处不适合采用。考虑鉴相频率的泄漏问题,本设计采用3次有源环路来实现,其电路图如图3所示。

若C2=C3,R3=R4,R4νR1,则有

fLfHπC1R22(6)(7

)

图4　调制电路原理图

πR3C22

2738科　学　技　术　与　工　程9卷

图4中3DJ9I为选用的场效应管,R1、R2是分压电阻,方便调制频偏的调整,场效应管输出至VCO完成调制功能。

312　调制特性仿真

实现锁相调频的条件是:调频信号的频谱要处于低通滤波器通带之外,且调制指数不能太大。这样,,因而在环路能,,即,几乎不起。对环路滤波器进行仿真,得到调制信号的频率响应如图6所示

:

3　环路特性分析及仿真

311　环路稳定性分析

锁相环是一个非线性反馈系统,下,状态。定性问题,,实际上是线性系统的稳定性问题。

如果压控振荡器相位因噪声而发生摆动,经过环路负反馈以后,原则上应趋于减小而维持锁定。如果在某些误差频率下变成相位正反馈,以至于相位摆动不是减小而是加大,环路就可能趋于失锁。因此,为了确保环路锁定,还必须对环路作稳定性判决。环路无条件稳定的条件是:

当|H0(ωjT)|=1时,∠H0(ωjT)|<π

(10)

[4]

(10)式中H0(ωjT)为锁相环的开环传递函数。利

图6　环路对调制信号的频率响应关系图

由仿真结果可知,该环路能够响应100Hz以上频率的调制信号,实际对发射机的测量结果和仿真所得基本吻合,能够满足系统对发射机调制特性的要求。

用仿真软件ADIsimPLL对所设计锁相环进行仿真可以得到其开环传递函数的增益与相位曲线,如图5所示

。

4　总结

由以上分析可以看出,该锁相调频发射机具有较低的环路带宽,能够传输频率100Hz以上的调制信号。对鉴相频率有较好的抑制,且载波频率能够通过编程改变,具有较好的通用性。

参　考　文　献

1　彭　勇1射频通信实验系统中发射机的设计与实现1武汉理工

大学硕士毕业论文,2007:5—7

图5　环路对输入信号的开环频率响应关系图

2　张　涛,陈　亮1电荷泵锁相环环路滤波器参数设计与分析1现

本设计中,鉴相频率设定为5kHz,环路带宽100Hz,由上图可以看出该环路滤波器的相位裕量

代电子技术,2008;(9):87—90

3　(日)远坂俊昭1锁相环(PLL)电路设计与应用1何希才,译1北

京:科学技术出版社,2007

4　张厥盛,郑继禹1锁相技术1西安:西安电子科技大学出版社,

2003:49—54

大于45°,可以保证环路较好的稳定性。对鉴相频率的抑制大于60dB,能够保证发射机具有较小的寄生调频。

(下转第2746页)

2746科　学　技　术　与　工　程9卷

像元相当于0.5μrad,因而能够满足ATP精跟踪系统所需的探测带宽和探测精度。

参　考　文　献

1　LiuZhi.ResearchonapplicationofseveraltrackingdetectorsinAPT

5　结论

针对远距离激光通信ATP系统高频率高精度的光电探测需求,实现了ATP精跟踪光斑探测相机,证了其性能满足要求system.SPIE,2006;6027:2S1—2S9

2　LUPA2300CMOSImageSensor.SemiconductorCorporation.

1—3　,,马　,等.CCD成像光斑弥散

.,2007;34(1):67—71

4RP.Beard,CI.Purll.DJ.AnalysisofSILEXAtracking

sensorperformance.SPIE,1990;1218:129—141

Spot2detectingCamerainLaserCommunicationATPFineTrackingSystem

LINJun2yang

(ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200083,P1R1China)

[Abstract]　Requirementsofhigh2precisionspotdetectioninlasercommunicationATPfinetrackingsystemsareanalyzed,anddesignprinciplesofaspot2detectingcameraaswellashardwareimplementationmethodsofspotcen2troidingalgorithmareexplained.AccordingtotheneedsofperformanceparametersoflasercommunicationATPfinetrackingsystem,ahigh2performancespot2detectingcameraisdesignedandmanufactured.Testresultsverifythat,framefrequencyofthecameraisupto2.5kHz,spotpositionextractionaccuracyisbetterthan0.1pixels.SotheperformanceofthecameracansatisfytheneedsofdetectingbandwidthandaccuracyofATPfinetrackingsystem.

[Keywords]　lasercommunication　　ATP　　laserspot　　camera　　finetracking　　centroiding

(上接第2738页)

PrincipleandDesignofFMTransmitterBasedonPLL

SONGXiao2yong,FANZhong2guo,WANGZheng

(ChinaAirborneMissileAcademy,Luoyang471009,P1R1China)

[Abstract]　TheprincipleanddesignofFMtransmitterareintroducedbasedonPLL,analyseditstransformationcharacteristics,particularizedthequestionsondesigningthePLL,analyedtheactivefilterandsimulatesitscharac2teristics,confirmedthedesignmeetstheneedofthesystem.

[Keywords]　FMtransmitter　　Phase2LockLoop　　activefilter

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/22ji.html