（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）短波發(fā)射機高穩(wěn)頻率合成器的設計與實現(xiàn).pdf

武漢理t 大學碩士學位論文 摘要 短波通信多年來被廣泛地用于政府、外交、軍事、航空、氣象、商業(yè)等部 門，用以傳送語言文字、圖像數(shù)據(jù)等信息。尤其在軍事及國家安全部門，它始 終是國家最可信賴的指揮手段之一。近年來，世界各國加緊了對短波通信的研 究，出現(xiàn)了許多新型的短波通信系統(tǒng)。但不論是何種設備，頻率合成器都占據(jù) 著短波通信設備中較為核心的一個地位。鑒于此原因，本論文對短波發(fā)射機高 穩(wěn)頻率合成器的設計與實現(xiàn)進行了較為深入的研究。 隨著現(xiàn)代通信技術的發(fā)展，系統(tǒng)對頻率合成器提出的要求越來越高，低相 噪、高純度、高捷變速率及高分辨率的頻率合成器已經(jīng)成為當今頻率合成技術 發(fā)展的主要趨勢。本文經(jīng)過對多種頻率合成技術的研究比較，最后，通過采用 d d s 專用芯片的實現(xiàn)方案來獲得高頻率穩(wěn)定度、低相噪、低雜散的頻率源，為 了達到更好的輸出效果，方案中采用高穩(wěn)定晶體振蕩器電路為d d s 模塊提供參 考時鐘源，另外還給出了跟蹤濾波器的設計。該方案不論是在技術上還是在一 些具體模塊電路的實現(xiàn)上都有一定的創(chuàng)新與獨到之處。 本文首先介紹了課題的研究背景和研究意義。接著介紹了頻率合成的概念、 發(fā)展，并分別討論了p l l 頻率合成和直接數(shù)字頻率合成技術各自的特點和差異， 對頻譜特性、雜散等特性進行了理論分析。然后根據(jù)系統(tǒng)指標合理地采用了直 接數(shù)字頻率合成技術。整個系統(tǒng)以基于d d s 專用芯片a d 9 9 5 3 的信號發(fā)生器為 核心，單片機為控制器、加上采用高穩(wěn)定晶體振蕩器和實用的跟蹤濾波器，保 證了整個頻率合成系統(tǒng)的高精度、高頻帶范圍和高頻譜純度。論文中詳細分析 了頻率合成器的系統(tǒng)結構、軟硬件設計和具體電路實現(xiàn)。最后完成實驗電路板 的制作，電路的調(diào)試工作，對輸出信號頻譜進行了分析并給出硬件實物照片和 測試結果及相關分析。 關鍵詞：短波發(fā)射機，d d s ，頻率穩(wěn)定度，跟蹤濾波器 武漢理工大學碩士學位論文 a b s t r a c t s h o r t w a v ec o m m u n i c a t i o nf o rm a n yy e a r si sw i d e l ya p p l i e dt ot h eg o v e r n m e n t ， t h ed i p l o m a t i c ，t h em i l i t a r y , t h ea v i a t i o n ，t h ew e a t h e r , t h eb u s i n e s sa n ds oo n ， t r a n s m i t t i n gt h ei n f o r m a t i o ns u c h a l ss p e e c h ，l e t t e r s ，i m a g e sa n dd a t a m o r et h a n m a t ，i ti so n eo ft h em o s tr e l i a b l em e t h o d so nm i l i t a r yc o m m a n da n dn a t i o n a ls e c u r i t y s e c t o r i nr e c e n ty e a r s ，c o u n t r i e sa r o u n dt h ew o r l ds t e p p e du pt h es h o r tw a v e c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h ，a n dm a n yn e ws h o r t w a v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a v e a p p e a r e d b u tn om a t t e rw h a tk i n do fe q u i p m e n t ，f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r sp l a y sac o r e r o l e i ns h o r t - w a v ec o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t f o rt h i sr e a s o n ，t h ep a p e rd o e sa i n - d e p t hr e s e a r c ho nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fh i 曲s t a b i l i t yf r e q u e n c y s y n t h e s i z e ro ns h o n - w a v e t r a n s m i r e r w i mt h ed e v e l o p m e n to fm o d e mc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s ，f r e q u e n c y s y n t h e s i z e ri sr e q u i r e d t oh a v eh i 【g h e rp e r f o r m a n c ea n dl o ws p u r i o u sl e v e l ，p u r e o u t p u ts p e c t r u m ，f a s tf r e q u e n c ys w i t c h i n gs p e e da n dh i g h r e s o l u t i o na g i l ef r e q u e n c y s y n t h e s i z e rf r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n o l o g y h a sb e c o m et h em a i nt r e n do f d e v e l o p m e n t a f t e rc o m p a r i n gk i n d so ft e c h n i q u eo ff r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , f i n a l l t h ep a p e rc h o o s et h ed d sa s i ci m p l e m e n t a t i o ns c h e m et oo b t a i nh i g hf r e q u e n c y s t a b i l i t y , l o wp h a s en o i s e ，l o ws p u r i o u sf r e q u e n c ys o u r c e ，i no r d e rt oa c h i e v eb e t t e r o u t p u t ，i tu s e sh i 曲s t a b i l i t yc r y s t a lo s c i l l a t o rc i r c u i tf o rt h ed d s m o d u l ep r o v i d e st h e r e f e r e n c ec l o c ks o u r c e ，t h ed e s i g no ft r a c k i n gf i l t e ra l s oi sg i v e d t h es c h e m ei s i n n o v a t i v ea n do r i g i n a ln o to n l yi nt h et e c h n o l o g yb u ta l s oi ns o m em o d u l ec i r c u i t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et o p i co ft h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e t h e ni n t r o d u c e st h es y n t h e s i z e r sc o n c e p t ，d e v d o p m e n 4a n dd i s c u s s e sap l l f r e q u e n c ys y n t h e s i sa n d d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n o l o g ya n dd i f f e r e n c e s i nm e i rc h a r a c t e r i s t i c s ，i ta l s oh a sc a r r i e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i st ot h ef r e q u e n c y s p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i ca n ds p u r i o u ss u p p r e s s i o nc h a r a c t e r i s t i c t h e na c c o r d i n g t ot h e t a r g e ts y s t e m ，t h ep a p e rr e a s o n a b l ec h o o s e st h ed i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s t h e w h o l es y s t e mt a k e ss i g n a lg e n e r a t o rb a s e do nd d sa s i ca d 9 9 5 3 嬲t h ec o r e ，s i n g l e i i 武漢理工大學碩士學位論文 c h i pa sc o n t r o l l e r , c o u p l e dw i t hh i g hs t a b i l i t yc r y s t a lo s c i l l a t o ra n dp r a c t i c a lt r a c k i n g f i l t e rt oe n s u r eh i g ha c c u r a c y , h i g hf r e q u e n c yb a n dr a n g ea n dh i g hs p e c t r a lp u r i t y p a p e rad e t a i l e da n a l y s i so ft h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e rs y s t e ma r c h i t e c t u r e ，h a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g na n dt h es p e c i f i cc i r c u i t 。f i n a lc o m p l e t i o no ft h ep i l o tc i r c u i t b o a r dm a n u f a c t u r e ，c i r c u i td e b u g ，t h eo u t p u ts i g n a ls p e c t r u mw a sa n a l y z e d ，t h e p h y s i c a lh a r d w a r e ，p h o t o sa n d t e s tr e s u l t sa n dr e l a t e da n a l y s i si sp r o p o s e d k e yw o r d s ：s h o r t w a v et r a n s m i t t e r , d d s ，f r e q u e n c ys t a b i l i t y , t r a c k i n gf i l t e r 1 i i 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及 取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外， 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得 武漢理工大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一 同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說 明并表示了謝意。 簽名：齟日期：址：衛(wèi)形 學位論文使用授權書 本人完全了解武漢理工大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即： 學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權武漢理工大學可以將本學位論文的 全部內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復制 手段保存或匯編本學位論文。同時授權經(jīng)武漢理工大學認可的國家有 關機構或論文數(shù)據(jù)庫使用或收錄本學位論文，并向社會公眾提供信息 服務。 ( 保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定) 研究生( 簽名) 黃妻口閂 導師( 簽名) 髓怖日期加n 6 武漢理工大學碩士學位論文 第1 章緒論 1 1 短波通信技術的發(fā)展和研究背景 按照國際無線電咨詢委員會的劃分，短波是指波長在l o 至1 0 0 米，頻率為3 兆赫茲至3 0 兆赫茲的電磁波。利用短波進行的通信稱為短波通信，也稱高頻通 信。實際上，為充分利用好短波近距離通信的優(yōu)點，短波通信實際上使用的頻 率范圍為1 5 兆赫茲至3 0 兆赫茲【l 】。 自從上世紀2 0 年代初短波被發(fā)現(xiàn)可實現(xiàn)遠距離通信以來，短波通信迅猛 發(fā)展，一躍成為世界各國中、遠程通信的主要手段，在各行各業(yè)中，被用以傳 送電報和傳真、低速數(shù)據(jù)、語音及圖像等信息。衛(wèi)星通信出現(xiàn)以前，短波在軍 事通信、國際通信、防汛救災以及海難救援等方面發(fā)揮了獨特的重要作用。 與衛(wèi)星、地面微波、同軸電纜和光纜等通信手段相比，短波通信有著它顯 著的優(yōu)點：不需要建立中繼站即可實現(xiàn)遠距離通信，不但建設周期短，還減 少了建設和維護費用；設備簡單，既可以固定設置進行定點固定通信，還可 以背負或裝入車輛、艦船及飛行器中進行移動通信；電路調(diào)度容易并且臨時 組網(wǎng)方便、迅速，具有極大的靈活性；抗毀滅能力強。通信設備的體積小， 極容易隱蔽，便于改變工作頻率，且破壞后容易恢復【2 】。 這些都是短波通信被長期保留，至今仍然受到全世界普遍重視的主要原因。 然而，短波通信也存在一些明顯的缺點：可使用的頻段窄，容量小。信號 傳輸?shù)姆€(wěn)定性差。噪聲干擾嚴重。這些問題的存在，使得它不能夠滿足人們 日益增長的對數(shù)據(jù)通信業(yè)務的需求，極大地限制了短波通信技術的發(fā)展。2 0 世 紀6 0 年代衛(wèi)星通信興起，由于與短波通信相比，衛(wèi)星通信具有信道穩(wěn)定、可 靠性高、通信質(zhì)量好以及通信容量大等諸多優(yōu)點，短波通信受到嚴重挑戰(zhàn)。很 多原屬短波通信的一些重要業(yè)務，逐漸被衛(wèi)星通信所取代，各國對它的投入開 始急劇減少，其地位也隨之大為降低，短波通信的發(fā)展進入低潮。至7 0 年代后 期，有人甚至開始懷疑短波通信存在的價值，認為短波通信已經(jīng)完成了它的歷 史使命。 然而，實踐證明，衛(wèi)星通信的初建費用昂貴、靈活性也有限。事實上，它 武漢理1 ：大學碩七學位論文 并不能滿足所有情況下的用戶需要，另外一個事實是并不是所有的用戶都需要 寬帶線路。此外，一旦發(fā)生戰(zhàn)爭，衛(wèi)星容易遭受敵方攻擊，衛(wèi)星通信的信道也 不易抵御敵方的電磁干擾。而與此相比，短波通信不僅成本低廉、容易實現(xiàn)且 使用靈活，更重要的是它有電離層這個天然的不易被摧毀的中繼系統(tǒng)。衛(wèi)星中 繼系統(tǒng)可能發(fā)生故障或被摧毀，但是電離層這個中繼系統(tǒng)，除非是高空原子彈 爆炸才可能使它中斷，何況就算是高空原子彈爆炸，那也僅僅是在有限的電離 層區(qū)域內(nèi)，電離密度短時間地受到影響而已。事實上，從上世紀7 0 年代末開始， 短波通信又重新開始受到重視，許多國家加大了對短波通信技術的研究和開發(fā) 的力度，陸續(xù)推出了一些性能相當優(yōu)良的新型設備和系統(tǒng)。短波通信除了在軍 事領域具有突出的地位外，在民用通信的某些領域，短波通信的應用也顯出良 好的發(fā)展趨勢。特別是近些年來，人們在短波通信設備中大量采用了像數(shù)字信 號處理技術、跳頻技術、自適應技術以及高速數(shù)據(jù)傳輸技術等新技術，使短波 通信很好地彌補了它的缺點，極大地提高著短波通信的質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩?增加了許多新的業(yè)務功能。新技術還使短波通信的設備更加小型化、操作使用 更加靈活方便，進一步地發(fā)揮了短波通信設備簡單、造價低廉以及機動靈活等 固有的優(yōu)點。短波通信東山再起，又重新煥發(fā)了青春。 短波通信重新引起了世界各國的高度重視，諸多機構都在不遺余力地對它 進行研究。對于中國這樣的大國，無疑，短波通信技術的研究，意義非凡。 1 2 相關領域國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。 1 9 9 1 年1 0 月美國國防部制定了“s p e a k e a s y 計劃，目的是研制出一個波形可 編程、多頻段、多模式的電臺能夠處理各種調(diào)制方式的信號：能夠兼容不同頻 段的電臺、通信制式、語音速率、加密方法、編碼方式和組網(wǎng)方式都能夠通過 可編程軟件實現(xiàn)【3 】，并于1 9 9 6 年9 月成功研制出了電臺的樣機。 歐洲正在進行的a c t s f i r s t 項目和美國r u t g e r s 大學的研究計劃中已 利用軟件無線電的思想進行了3 g 系統(tǒng)的針對性研究”】。還有南非的g r i n d 公司 開發(fā)的t r 6 0 0 型數(shù)字電臺，以及美國哈里斯公司研制的a n v r c 9 4 ( e ) 型車 載通信機和馬格納泛斯克公司的a n g r c 2 0 6 ( v ) 型數(shù)字電臺，另外，還包括 美軍方設計的新一代作戰(zhàn)用衛(wèi)星通信終端等都已應用了軟件無線電思想進行系 統(tǒng)開發(fā)。 國內(nèi)也研制出了一些短波產(chǎn)品，如北京萬瑞公司于2 0 0 8 年推出的w r - g 3 0 3 i 2 武漢理工大學碩士學位論文 是世界上第一部專用于短波的插卡式p c 接收機( p c i 總線) ，可運行在個人計算 機上，完全用軟件處理末級中頻和全方位式解調(diào)的商用接收機；陜西烽火也研 制出了x d d 1 1 g 型短波跳頻自適應電臺、x d d 1 2 b 型短波數(shù)字化抗干擾電臺 和x d d 1 8 型手持式短波電臺，它們均采用了先進數(shù)字信號處理( d s p ) 及微機 控制技術，實現(xiàn)了自動控制通信、自動選擇最佳信道、自適應鏈路建立( a l e ) 、 跳頻通信等功能，具有收發(fā)短信、有線遙控和d s p 軟件在線加載功能。但是與 國外的產(chǎn)品相比，它們在性能指標上仍然存在著差距。 1 3 短波發(fā)射機高穩(wěn)頻率合成器的主要技術指標 頻率范圍：1 5 m h z 3 0 m h z ； 頻率間隔：l o h z ； 雜散抑制指標： 5 6 d b ； 頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于lx 1 0 。7 每周； 優(yōu)于lx l o 。8 每秒； 1 4 本論文主要工作及基本框架 本論文著注于短波發(fā)射機部分。 對現(xiàn)代短波單邊帶發(fā)射機，為了在整個短波波段內(nèi)獲得高穩(wěn)定的載波頻率， 頻率源應采用頻率合成技術。頻率合成器在短波發(fā)射機內(nèi)占有著相當重要的地 位。頻率合成器頻率準確度和頻率穩(wěn)定度指標達不到要求將導致通信系統(tǒng)的性 能下降，嚴重時甚至使通信中斷，很多大功率單邊帶發(fā)射機的頻率合成器的頻 率標準要求是很高的。 本論文的主要工作是結合新一代的高性能芯片設計一種結構簡單，性能優(yōu) 良的短波發(fā)射機高穩(wěn)頻率合成器。整個系統(tǒng)以單片機控制、d d s 專用芯片 a d 9 9 5 3 為核心，并配以跟蹤濾波器電路、寬帶緩沖放大電路和高穩(wěn)定晶體振蕩 器電路，組成一個功能齊全的短波發(fā)射機高穩(wěn)頻率合成器。 本文的主要工作如下： 根據(jù)課題要求，深入分析比較了多種頻率合成技術，并最終得出本課題 的方案。 熟悉所選擇的各集成電路芯片并完成d d s 單元電路的設計，跟蹤濾波器 武漢理工人學碩七學位論文 單元電路的設計、寬帶緩沖放大器單元電路的設計、控制系統(tǒng)單元電路的設計 和高穩(wěn)定晶體振蕩器電路的設計。 完成p c b 板制作調(diào)試，并對各單元電路和整機系統(tǒng)電路進行了測試，并 對測試結果進行了相關的分析。 各章節(jié)內(nèi)容安排如下： 第l 章首先介紹了短波通信技術的發(fā)展和本課題的研究背景、國內(nèi)外現(xiàn)狀 和本論文的主要工作。 第2 章介紹了頻率合成技術，包括鎖相頻率合成技術和直接數(shù)字頻率合成 技術，比較了各種技術方案的特性特點并最終選取本文的頻率合成方案。 第3 章主要完成了短波發(fā)射機高穩(wěn)頻率合成器的設計與實現(xiàn)。包括d d s 單 元電路、跟蹤濾波器單元電路、寬帶緩沖放大單元電路和控制單元電路的設計 與印制板的實現(xiàn)。 第4 章主要完成了高穩(wěn)定晶體振蕩器電路設計，包括原理分析、具體設計 過程分析和印制板的實現(xiàn)。 第5 章主要完成了對系統(tǒng)的測試，并對測試結果進行了分析。 第6 章主要是總結本論文的工作，指出其中的不足之處，并對發(fā)展趨勢提 出展望。 4 武漢理t 大學碩士學位論文 2 1 概述 第2 章頻率合成技術 所謂頻率合成，是指從一個或多個高穩(wěn)定、高精度的參考頻率，經(jīng)過各種 運算和技術處理，生成大量離散頻率的過程【5 】。隨著頻率合成技術的發(fā)展，頻率 合成的處理方法，可以是傳統(tǒng)的硬件實現(xiàn)辦法，可以是鎖相技術，還可以是各 種數(shù)字技術和計算技術。頻率合成的參考頻率可由高穩(wěn)定的參考振蕩器產(chǎn)生。 頻率合成所產(chǎn)生的一系列離散頻率與參考頻率有嚴格的比例關系，且具有同樣 的穩(wěn)定度和準確度。 頻率合成技術起源于二十世紀三十年代，至今己有近七十多年的歷史，依 次經(jīng)過了傳統(tǒng)的l c 振蕩器、直接頻率合成、鎖相環(huán)頻率合成、直接數(shù)字頻率合 成( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ，d d s ) 技術【5 】。早期的頻率合成技術因為諸多缺陷， 不利于推廣。鎖相頻率合成經(jīng)過7 0 多年的發(fā)展，無論是鎖相壞還是p l l 頻率合 成技術的理論都已相當成熟，鎖相頻率合成系統(tǒng)的雜散性能較好，系統(tǒng)相位噪 聲性能較好，再加上集成鎖相頻率合成芯片的性能越來越優(yōu)良但價格卻越來越 低，使得在頻率合成系統(tǒng)設計中，p l l 頻率合成技術仍屬于首選方案之一。直 接數(shù)字頻率合成技術是近二十年新興的一種頻率合成技術，它具有分辨率高、 切換速度快、相位連續(xù)等系列優(yōu)點。d d s 技術的飛速發(fā)展，讓它在頻率轉(zhuǎn)換 時間、相位連續(xù)性、高分辨率、正交輸出以及集成化等一系列性能指標方面， 遠遠超過了傳統(tǒng)頻率合成技術的水平。由于d d s 技術具有諸多顯著的優(yōu)點，使 得它在通信領域如移動通信、數(shù)字調(diào)制以及擴頻通信等方面得到了極廣泛使用。 頻率合成器的使用場合不同，對它的指標要求也不全相同。不過，大體上， 頻率合成技術都有如下幾項主要技術指標：輸出頻率范圍、頻譜純度、頻率穩(wěn) 定度、頻率間隔、頻率轉(zhuǎn)換時間等。在方案選取和設計時，應著重從這幾方面 進行考慮。 2 2 鎖相頻率合成技術 鎖相環(huán)是一個閉環(huán)的跟蹤系統(tǒng)，它能夠跟蹤輸入信號的相位和頻率1 6 1 。 武漢理工人學碩七學位論文 鎖相環(huán)具有廣泛的用途，當中一個重要的應用方向就是利用高穩(wěn)定的參考 振蕩器作系統(tǒng)時鐘，通過環(huán)路鎖定以提供一系列高純度、高穩(wěn)定度頻譜的頻率 源，即鎖相頻率合成【7 1 。 圖2 1 是基本的p l l 頻率合成框圖。 圖2 1 基本p l l 頻率合成器 當環(huán)路鎖定時，有：z = f o ，即輸出頻率是參考頻率的倍：f o = 彳。 這是組成鎖相頻率合成的一種最簡便的方法，但這種方法在實際應用中存在著 一些問題。其中之一是，可編程分頻器的最高工作頻率往往要比合成器所需的 工作頻率低許多，如上圖那樣將壓控振蕩器的輸出直接加到可編程分頻器上是 不行的。另外，鎖相頻率合成的頻率分辨率決定于z ，輸出頻率只能夠按照z 的 增量來變化。要提高合成頻率的分辨率就得減小參考頻率石，而這與轉(zhuǎn)換時間 的要求是相矛盾的。根據(jù)工程中的經(jīng)驗公式： 9 氣 乃= 等 ( 2 1 ) jt 本節(jié)圍繞鎖相頻率合成介紹了鎖相環(huán)的結構、工作原理，并對其主要特性 作了簡要分析。 2 2 1 鎖相環(huán)路的工作原理和基本結構 p l l 是一個閉環(huán)的相位控制系統(tǒng)，可分為模擬鎖相環(huán)和數(shù)字鎖相環(huán)，它們 都包括三個基本的組成部分：鑒相器( p d ) 、環(huán)路濾波器( l f ) 和壓控振蕩器( v c o ) 【8 1 。其結構框圖如圖2 2 示，下面以模擬鎖相環(huán)為例簡要介紹各個組成部分的原 理。 6 武漢理下大學碩士學位論文 色 一i ， 毪( 易 ( 1 ) 鑒相器 圉，竺 簍蘭蘭n 焉 圖2 2 鎖相環(huán)的基本組成框圖 鑒相器數(shù)學模型如圖2 3 所示。它是一個相位比較裝置，其核心為乘法器。 鑒相器將系統(tǒng)輸入信號( f ) 與系統(tǒng)輸出信號( t ) 的相位進行比較，根據(jù)兩信 jl 屹 以 兀。 沙 r 呼 圖2 - 3 鑒相器的數(shù)學模型 號的相位差，產(chǎn)生一對應的誤差電壓( t ) ，從而實現(xiàn)相位到電壓的轉(zhuǎn)換。 ( 2 ) 環(huán)路濾波器 環(huán)路濾波器是一種線性電路，由電阻、電容、運算放大器等組成。環(huán)路濾波 器具有十分重要的作用，它能改善控制電壓的頻譜純度，很好地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定 度，更重要的是它對環(huán)路參數(shù)的調(diào)整起著決定性的作用，直接影響著輸出信號的 穩(wěn)定度、頻譜純度和鎖定時間等關鍵參數(shù)。帶寬、直流增益和高頻增益是環(huán)路濾 波器的三大主要指標，由濾波器的時間常數(shù)和濾波器的類型共同決定f 9 】。 ( 3 ) 壓控振蕩器 壓控振蕩器是一個將電壓變換為相應頻率的一種裝置，是在環(huán)路中受控制 電壓控制的被控振蕩器。圖2 - 4 是v c o 的控制曲線。其振蕩頻率隨輸入電壓( t ) 線性變化，變換關系為： q ( t ) = 吃+ k “。( f ) ( 2 2 ) 7 武漢理工大學碩七學位論文 配jl 礦 - 0 7 u ， 圖2 4v c o 控制曲線 式中q ( f ) 是壓控振蕩器的瞬時角頻率，k 是壓控靈敏度，單位是【刪j ，】。 在實際應用中，壓控振蕩器的控制特性的線性控制范圍有限，超出這個范圍壓 控靈敏度會下降。 2 2 2 鎖相環(huán)路的特性分析 跟蹤特性 在前面的分析中，我們都是假設包( f ) 很小，滿足線性模型的條件。在此給 出如下結論： a 、鎖定時的穩(wěn)態(tài)相差 理想二階環(huán)穩(wěn)態(tài)時的相差為包( ) = a r c s i n 等。 b 、同步帶緲 由前面的分析可知，理想二階環(huán)的穩(wěn)態(tài)相差為零。也就是說，在鎖定條件 下，緩慢加大固有頻差，直至眈達到無限大，可導出環(huán)路的同步帶為無限大， 即彩= o o ，事實上，這是不可能的。因為v c o 是有一定的壓控范圍的，其最 大頻偏總是有限的，另外環(huán)路濾波器的線性工作范圍也不是無限大。因此同步 帶往往受限于壓控振蕩器的控制范圍。即a o j = k ，其中k = 疋，是環(huán)路增 益。 捕捉特性 鎖相環(huán)在開機、換頻( 由開環(huán)到閉環(huán)) 開始的一段時間，環(huán)路總是失鎖的。 因此環(huán)路有一個從失鎖到鎖定的過程。通常稱這個過程為環(huán)路的捕獲過程。 a 、捕獲過程 武漢理1 ：大學碩士學位論文 捕獲帶是指保證環(huán)路必須進入鎖定的最大固有頻率差，記為國，。快捕帶 是指保證環(huán)路只有相位捕獲個過程的最大固有頻差，記為吼。在二階環(huán)中， 當吃 a c o ，時，會產(chǎn)生穩(wěn)定的差拍狀態(tài)，環(huán)路不能被鎖定；當吃吼時， 環(huán)路可以鎖定，但在入鎖之前只有相位捕獲這一個過程；當吼 噥q 時， 壓控振蕩器的頻率將逐漸被牽引向輸入頻率靠攏，經(jīng)過一段時間以后，當平均 頻差d i2 ( f ) i d r 減小到進入快捕帶時，頻率捕獲過程即告結束，達到鎖定狀態(tài)。 b 、捕獲時間 頻率捕獲時間就是頻率捕獲所需要的時間。相位捕獲時間( 或快捕時間) 就是相位捕獲所需要的時間。一般所說的捕獲時間，是指頻率捕獲時間。通常 頻率捕獲時間總是遠大于相位捕獲時間。 噪聲特性 在鎖相環(huán)的實際工作中，噪聲是客觀存在的。各種噪聲和干擾的影響會因 鎖相環(huán)應用場合的不同而不同，本文僅討論鎖相環(huán)用于頻率合成器當中時，噪 聲和干擾對系統(tǒng)的影響。一般來說，噪聲分為輸入噪聲和內(nèi)部噪聲，以及在鎖 相環(huán)路各單元部件中，存在著的隨機噪聲。這些噪聲與干擾會增加環(huán)路捕獲的 難度而使壞路輸出相位隨機抖動【l o 】。當環(huán)路用于頻率合成器當中時，則會產(chǎn)生 輸出相位噪聲，使輸出信號頻譜不純，短期頻率穩(wěn)定度變差。 a 、環(huán)路對各類噪聲與干擾的線性過濾 為了簡化分析，設在基本環(huán)路中，存在著三個主要的噪聲源。圖2 5 是它的 噪聲與干擾的環(huán)路線性相位模型【l 。 包( f ) + - 或，( f ) 【，p d ( f ) 眈，( f ) 圖2 5 帶有噪聲源的環(huán)路相位模型 其中，幺，( t ) 是輸入白高斯噪聲形成的等效輸入相位噪聲：( t ) 是輸出諧 波或鑒相器本身的輸出噪聲電壓；幺，( t ) 是壓控振蕩器內(nèi)部噪聲形成的相位噪 聲。設輸入信號相位6 | ( t ) - - 0 ，運用線性分析方法，可得環(huán)路方程 9 武漢理： 火學碩七學位論文 i 見( j ) = - a 。( s ) 1 0 o ( s ) ：僻( j ) 4 - 包( s ) 巧+ ( s ) f ( j ) 等4 - 幺，( s ) 屹q ) 經(jīng)合并簡化，得出環(huán)路總輸出相位噪聲為 f，1 幺。( s ) = 1 只，( s ) 4 - 鼉筍1 日( s ) 4 - 幺，( s ) 1 一日( s ) ( 2 - 4 ) l 1 、dj 上式右邊第一項實際上是括號內(nèi)噪聲通過環(huán)路閉環(huán)響應的過濾，也就是低 通過濾，故稱這類噪聲為低通型噪聲：第二項實際上是見，( j ) 經(jīng)過環(huán)路誤差響應 的過濾，即高通過濾，所以這類噪聲被稱為高通型噪聲。 無論何種類型的噪聲，其噪聲源皆是相互獨立的，可用各自的噪聲功率譜 密度表示。設( ，) 、( f ) 、( ，) 分別是巳( f ) 、( f ) 、幺。t ) 的功率 譜密度，則環(huán)路輸出的總相位噪聲功率譜密度& ( f ) 為 ( f ) ：1 ( f ) + 粵b ( 伽f ) 2 + ( f ) 1 一日( ，2 萬f ) 2 ( 2 - 5 ) l “d j 由此式可知，環(huán)路對參考源的相位噪聲以及鑒相器的電壓噪聲有低通過濾 作用，而對壓控振蕩器的相位噪聲則有高通過濾作用。低通的高端頻率和高通 的低端頻率就是1 日( 2 刀，) | 的帶寬z ( = q 2 萬) ，也就是環(huán)路的帶寬1 。 b 、環(huán)路帶寬的最佳選擇 在工程上，一般只考慮參考源和壓控振蕩器的相位噪聲，而忽略鑒相器的 噪聲。由前面的分析可知，環(huán)路對參考源的相位噪聲相當于低通過濾，故我們 希望環(huán)路帶寬，：越低越好；而另一方面，環(huán)路對壓控振蕩器的噪聲又相當于高 通過濾，所以我們又希望z 越高越好。因此要想使這兩種相位噪聲都得到相對 合理的抑制，顯然選擇環(huán)路帶寬時，需要兼顧好參考源和壓控振蕩器的噪聲功 率譜的交叉點。一個實用的鎖相環(huán)路，常常對輸出信號的隨機相位噪聲提出很 高的要求。采用低噪聲的壓控振蕩器并且合理地選擇環(huán)路參數(shù)，可有效地提高 鎖相環(huán)路對隨機相位噪聲的抑制程度。這就是工程上常用的選擇最佳環(huán)路帶寬 的方法和依據(jù)。 2 3 直接數(shù)字頻率合成技術 直接數(shù)字式頻率合成( d d s ) 技術是近年來隨著數(shù)字集成電路和計算機的發(fā) l o 武漢理工大學碩十學位論文 展而迅速發(fā)展起來的一種新的頻率合成技術【1 2 1 。 d d s 技術是一種把一系列數(shù)字量形式的信號通過d a c 轉(zhuǎn)換成模擬量形式的 信號合成技術。這樣的方式使其具備了以下優(yōu)良的工作特點【1 3 】： 極高的頻率分辨率 d d s 的分辨率在參考頻率固定時，取決于相位累加器的位數(shù)，只要累加器 位數(shù)取足夠大，理論上可以獲得任何滿足要求的頻率分辨精度，這在傳統(tǒng)的頻 率合成方法上是難以實現(xiàn)的。 頻率變化速度快 在d d s 中，一個頻率的建立時間通常取決于濾波器的帶寬。其主要影響因 素有內(nèi)部數(shù)控振蕩器內(nèi)的工藝結構、數(shù)模變換及其它信號處理步驟產(chǎn)生的時延。 由于d d s 中沒有相位反饋控制這一環(huán)節(jié)，因而頻率建立和切換非常快，只與數(shù) 字信號處理部分的時延與時鐘周期相關。 頻率變化時相位連續(xù) 當改變其輸出頻率時，d d s 頻率改變就是改變f c w ，它是通過改變頻率控 制字實現(xiàn)的。實際上這改變的只是信號的相位增長速率，而輸出信號的相位本 身仍然是連續(xù)的，這就是d d s 頻率捷變時相位連續(xù)性的原因。 易于實現(xiàn)各種數(shù)字調(diào)制 由于d d s 采用全數(shù)字結構，d d s 信號的頻率、相位及幅度均可通過數(shù)字信 號精準地控制，因此d d s 非常易于實現(xiàn)如a s k 、p s k 、f s k 等高精度的數(shù)字調(diào) 制和正交調(diào)制。 集成度高 整個d d s 系統(tǒng)，除濾波器以外，幾乎所有的結構部件都屬于數(shù)字信號處理 部件，因此系統(tǒng)易于集成、功耗低、體積小并且重量輕。 目前使用最廣泛的一種d d s 方式是利用高速存儲器作查尋表，然后通過高 速d a c 產(chǎn)生己經(jīng)用數(shù)字形式存入的正弦波。正弦輸出d d s 是實際應用最廣的 一類。目前所見到的國外公司，如a d i 公司、q u a l c o m m 公司等生成的d d s 芯 片絕大多數(shù)都采用正弦信號輸出。 2 3 1d d s 的基本原理與組成 d d s 技術的理論基礎同大多數(shù)的數(shù)字信號處理技術一樣，仍然是香農(nóng)抽樣 定理。香農(nóng)抽樣定理是把任何模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的基礎，它論述的是一 武漢理工大學碩士學位論文 個帶限的模擬信號經(jīng)抽樣變成離散值后，可不可以由這些離散值恢復出原始模 擬信號的問題【1 4 】。香農(nóng)抽樣定理告訴我們，當抽樣頻率大于或等于模擬信號最 大頻率的2 倍時，可以由抽樣得到的離散信號無失真地恢復出原始信號。而在 d d s 中，這個過程被顛倒了過來。d d s 不是對一個模擬信號進行抽樣，而是一 個假定抽樣過程已經(jīng)發(fā)生并且抽樣的值己經(jīng)量化完成，如何通過某種映射把己 經(jīng)量化的二進制值送到d a 及后級的低通濾波器重建原始信號的問題【”】。 d d s 一般由相位累加器、波形存儲器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器及低通濾波器組成，其 基本的工作原理是將波形數(shù)據(jù)先存儲，在頻率控制字( f r e q u e n c yc o n t r o lw o r d s ) k 的作用下，由相位累加器( p h a s ea c c u m u l a t o r ，p a ) 從r o m 中讀出波形數(shù)據(jù)，再 經(jīng)過d a 和l p f 后輸出合成頻率【l6 1 。具體的工作過程為：在每一個時鐘周期z 內(nèi)，頻率控制字k 與nb i t 的相位累加器累加一次，并同時對2 取模運算，用 運算結果以二進制代碼的形式( 正弦表的地址) 去查詢r o m 中的正弦函數(shù)表， 得到由相位信息轉(zhuǎn)變過來的數(shù)字量化正弦幅度值，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變?yōu)殡A梯模擬 信號，最后通過低通濾波器進行平滑而得到純凈的正弦模擬信號。這種頻率合 成方法可以獲得高精度頻率和相位分辨率、快速頻率轉(zhuǎn)換時間和低相位噪聲的 頻率信號，而且結構簡單集成度高【1 7 】。 d d s 基本的結構如圖2 - 6 所示，其中：k 是頻率控制字，n 是相位累加器的 字長，m 是r o m 地址線位數(shù)，m 是r o m 數(shù)據(jù)線位數(shù)，即d a c 的位數(shù)。f 為 d d s 的參考時鐘頻率，互= 1 z ；z 為d d s 的輸出頻率，乙= i z ； 頻 率 控 制 字 圖2 - 6d d s 的基本結構框圖 當相位累加器計數(shù)大于2 時，累加器會自動溢出最高位并保留后面的nb i t 位數(shù)據(jù)于累加器中。顯然該相位累加器平均每2 依個時鐘周期溢出一次。由此 1 2 武漢理：1 ：大學碩十學位論文 可見d d s 輸出信號的頻率值由k 和時鐘頻率z 共同決定著，之間的關系滿足 礦 f o = 號z ( 2 6 ) 二 當k = i 時，d d s 的輸出頻率最小，即為d d s 的最小頻率分辨率 1 虬。= 者z ( 2 7 ) 二 綜上所述，d d s 相當于一個小數(shù)分頻器。其最小頻率分辨率是頻率控制字 為1 時所對應的d d s 的輸出頻率，只要累加器的長度n 足夠大，總能得到所需 的頻率分辨率。由于實際使用中的頻率控制字k 值很難為整數(shù)，因此將會存在 一定的頻率誤差f 1 8 】。另外由于存儲波表的大小受限，遠不及相位累加器的位數(shù)， 故一般僅取累加結果的高位作為尋址地址送入正弦查詢表獲得波形幅度值【1 9 】。 在d d s 系統(tǒng)中，從頻率寄存器開始到波形存儲表的數(shù)字部分通常也被稱作 數(shù)控振蕩器( n c o ) 。通過數(shù)控振蕩器，能讓輸入的數(shù)字頻率值產(chǎn)生出相應頻率的 數(shù)字波形?，F(xiàn)對其工作原理討論如下【2 0 】： 相位累加器 相位累加器是d d s 最基本的組成部分，用來實現(xiàn)相位的累加及存儲其累加 結果 1 9 】。設當前相位累加器的值為。，一個時鐘周期后變?yōu)榇?，則滿足 。= 。+ k ( 1 l 8 ) 一n + i 一一 t 。o ， 可見，。是一等差數(shù)列，設。為初始相位值，顯然 。= n k + z o ( 2 9 ) 圖2 7 是相位累加器的基本結構框圖，由一個n 位加法器和一個n 位寄存 器構成，它通常采用n 個d 觸發(fā)器來構成。 圖2 7 相位累加器的基本結構 1 3 武漢理工大學碩士學位論文 正弦查詢表 如前所述，d d s 查詢表存儲的是相位所對應的二進制數(shù)字表示的正弦量化 幅值。在一個時鐘周期內(nèi)，相位累加器輸出序列的高位對r o m 尋址，其輸出為 該相位相對應的正弦幅值的二進制序列【2 1 1 。 在一塊d d s 芯片中集成大容量的r o m ，可以提高輸出信號的精度，但這 樣會使成本提高，功耗增大，且可靠性下降。我們可以通過讓累加器輸出的低 位舍棄來壓縮r o m 容量的方法加以改善。 數(shù)模轉(zhuǎn)換器( d a c ) d d s 中，d a c 的作用是將相位所對應的二進制形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成相應 頻率的模擬信號。根據(jù)前面的分析討論，它輸出的信號并不能真正連續(xù)可變， 而是以分辨率為最小單位的，其輸出實際上是一個階梯模擬信號。 2 3 2d d s 的理想輸出頻譜 要得到理想的d d s 信號，須滿足以下三個條件【2 2 1 ： 相位累加器輸出的位數(shù)無舍位，也就是用全部的位來尋址正弦查詢表。 相幅轉(zhuǎn)換器輸出的相位碼為無限精度，也就是正弦查詢表的幅度量化值位 數(shù)要無窮大。 不存d a c 誤差，也就是d a c 的位數(shù)要無限大，并且d a c 具有理想的模 數(shù)轉(zhuǎn)換特性，不存在產(chǎn)生非線性的條件。 因為理想的d d s 在頻率合成過程中不存在相位截斷誤差、幅度量化誤差和 d a c 誤差，因此整個d d s 相當于一個理想的采樣保持電路，其中n c o 相當于 一個理想采樣器，d a c 相當于一個理想保持電路。其系統(tǒng)沖激響應為： f 1 0 t t r h ( t ) = ，、 。 。 ( 2 - 1 0 ) 【u e l s e 輸入正弦信號s i n ( 2 7 r f o t ) ，因為其頻譜分布是在一z 和z 兩個頻率點上的沖 激，所以經(jīng)過采樣之后，得到的頻譜是以采樣頻率7 ：為周期的原信號頻譜的周 期重復。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻率她必須大于或等于兩倍的被采樣信 號帶寬，這樣才不會發(fā)生混疊現(xiàn)象而無法完整地恢復原信號，因此d d s 的最 f， 高輸出頻率厶一須小于。在實際中，存在著鏡象頻率正一，為保證可以 有效地分開輸出頻率和鏡象頻率，d d s 的輸出丘一一般只能等于z 的 1 4 武漢理工人學碩士學位論文 3 0 4 0 t 2 3 1 。因此，在采樣頻率大于兩倍的被采樣信號帶寬時，在 【- 丘2 ，以2 】頻帶內(nèi)并沒有引入新的頻率點。1 t t ( 2 2 9 ) 式可得i l ( f ) 的頻譜h ( f ) 為： h ( f ) = z & ( 7 r 屈) e m ( 2 一1 1 ) 其中，s a ( x ) = s i n ( x ) x ，為取樣函數(shù)。時域卷積對應頻域相乘，可見，理 想d a c 只是改變信號輸出頻譜的幅度和相位，并不增加新的頻率點，因此，理 想d d s 情況下輸出信號在 o ，正2 】內(nèi)無雜散。 2 3 3d d s 的雜散特性和相位噪聲特性分析 ( 1 ) 雜散特性分析 d d s 的數(shù)字化處理技術集中體現(xiàn)了頻率分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換快、輸出相位 連續(xù)、便于集成可編程等優(yōu)越性能。與此同時，d d s 的全數(shù)字結構也帶來了不 利的一些因素，豐富的雜散隨著主頻率一起輸出，使降低雜散設計成為一個系 統(tǒng)必須考慮的問題。d d s 的雜散噪聲來源主要有三方面，分別是相位截斷誤差、 幅度量化誤差和由d a c 轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的誤差?，F(xiàn)通過圖2 8 ，分別討論如下【2 4 1 。 相位截斷誤差幅度量化誤差d a 轉(zhuǎn)換誤差 圖2 - 8d d s 雜散來源模型 相位截斷產(chǎn)生的雜散 為了得到一定的頻率分辨率，通常相位累加器的位數(shù)取得很大，如果相位 累加器的所有位數(shù)都用來查詢正弦函數(shù)表，則正弦函數(shù)表的容量會非常大。由 式瓴抽= z 2 可知，只要值取得足夠大，就可以得到極高的頻率分辨率。但 如果用全部的n 位來尋址r o m ，則需要極大的存儲量，這個在實際中難以實現(xiàn)。 因此，實際中常使用相位截斷方法，即用相位累加器輸出的高w 位來尋址，舍 去其中低的b = n w 位。由此產(chǎn)生的相位截斷誤差是d d s 雜散的主要來源。 因為d d s 的輸出通常都是正弦信號，有明顯的周期性，相位截斷方法相當于周 1 5 武漢理t 大學碩士學位論文 期性地引入了截斷誤差，造成輸出信號帶有一定的諧波分量，而表現(xiàn)在頻譜上 就是雜散信掣2 5 1 。 當只取相位累加器輸出地址線的高w 位作為尋址r o m 的地址線時，應有 s ( n ) ：s i n ( 2 萬 等】籌) ( 2 1 2 ) 其中，算式i x 表示對x 作不大于x 的取整運算。 經(jīng)轉(zhuǎn)化，上式可表示為： s ( n ) ：s i n ( 2 萬掣) ( 2 1 3 ) 其中妒( 刀) 為相位截斷誤差，并且有： 緲( 以) ：k 刀一2 b 【等】：( k 刀) m o d 2 矗 ( 2 1 4 ) 對s ( n ) 進行展開，有： s ( n ) - s i n ( 2 n 等) _ 2 萬等c o s ( 2 萬等) ( 2