鎖相環頻率合成器

鎖相環頻率合成器的應用使得無線終端可在基站很小的頻率間隔內快速地切換頻率和相位， 滿足頻率分辨率高、 頻率轉換時間短、 轉換時信號相位連續、 調頻電路頻率穩定性高及相對帶寬較寬的要求，實現了無線終端在不同基站之間的快速漫遊切換 ^[1]  。

採用鎖相環 頻 率 合 成 器 的 中 頻 無 線 通 信 系 統 增 加了IP 通信技術， 基站可以就近接入網絡， 實現了工作面、 機車運輸巷等地點無線信號的全覆蓋， 完成了語音通信、 打點呼叫等功能， 非常適用於比較彎曲起伏的巷道 ^[1]  。

頻率合成器是無線通信收發機中的一個重要模塊，它通過產生一系列與參考信號具有同樣精度和穩定度的離散信號，為頻率轉換提供基準的本地振盪信號。鎖相環頻率合成器採用鎖相環實現頻率合成，是目前頻率合成器的主流。在煤礦井下，攜帶手機的工作人員常常需要從一個基站小區進入另一個基站小區。在空閒狀態，手機無線電頻率需停留在小區空閒信道上；在通話狀態，手機需切換到新小區的無線電信道進行連續通信。在礦井中頻無線通信系統中應用鎖相環頻率合成器，可以隨時跟蹤所在小區的空閒無線電信道，給出所需的工作頻率，實現無線終端在不同基站間的快速漫遊切換 ^[1]  。

毫米波全息成像是近幾年發展起來的主動式毫米波成像技術，它基於毫米波反射原理，利用反射毫米波對人體進行掃描檢測，能夠在不直接接觸人體的情況下有效檢測出藏匿於人體衣物下的違禁品和危險品，能滿足機場、車站等場所的人體安檢需求 ^[1]  。

與被動式無源毫米波成像系統相比，毫米波全息成像系統具有實時操作、三維成像、高分辨率、成像口徑大等優點。毫米波全息成像的關鍵技術之一是設計具有快速跳頻功能的頻率合成器，合成器要求跳頻時間小於30μs。目前，頻率合成的方法主要有三種:直接頻率合成(DFS)，鎖相環頻率合成(PLL)以及直接數字頻率合成(DDS)。這三種頻率合成方法各有特點，傳統的PLL在低相位噪聲和低雜散方面有其他兩種方法所無法比擬的優點，但是它的缺點就是鎖定時間較長，所以設計具有快速鎖定功能的鎖相環頻率合成器是當今通信領域的一大挑戰。傳統的鎖定時間表達式雖然很詳盡，但是如果沒有計算機的輔助計算是很難應用的 ^[1]  。

鎖相環頻率合成器廣泛地應用於大規模數字集成電路,如視頻圖像處理系統、通訊系統和微處理器中的各種低抖動的時鐘都是由PLL頻率合成器產生 ^[1]  。集成鎖相環頻率合成器的設計採用Top-Down設計方法,具體設計步驟如下:

第一步是系統的規格定義,即確定項目指標參數,本設計根據視頻處理芯片系統設計的要求來確定 ^[1]  。

第二步是通過Matlab進行數學模型的建模和仿真,研究鎖相環頻率合成器的穩定性和鎖定性能。通過Matlab的仿真,檢驗和調整系統參數:電荷泵電流IP、VCO的壓控增益KVCO、環路帶寬ωBW、阻尼因子ζ、濾波器的電容和電阻等 ^[1]  。

第三步是使用Verilog-A進行行為級模型的建模與仿真,編寫PLL頻率合成器各個子模塊的Verilog-A代碼,研究環路的動態性能,同時提前研究各個子模塊的性能,簡化晶體管級的設計,為系統仿真做準備 ^[1]  。

第四步是在理想的行為級模型仿真後,應用Hspice或者Spectre進行晶體管級電路設計與仿真。晶體管的模型是由集成電路生產廠商提供的,因此,能很好地反映一些實際的非理想特性。將晶體管設計的各個模塊電路逐個代替第三步所設計的Verilog-A代碼的模塊,這樣,既能調試單獨的模塊,又能完成系統仿真 ^[1]  。

第五步是對晶體管級電路進行版圖設計和驗證 ^[1]  。

第六步是抽取版圖帶寄生參數的網表,並完成整個PLL頻率合成器系統的後仿真。值得提出的是,由於鎖相環頻率合成器面臨着穩定性的考驗,在電路設計之前,需要通過高級的數學模型仿真得到某些重要的系統參數 ^[1]  。

礦井中頻無線通信系統由地面調度指揮台、通信服務器、礦用/通信接口、井下無線基站、手機等組成。　假設煤礦井下無線基站及手機採用5對全雙工通信信道，其收發頻道頻率分別為2500kHz和1600kHz。根據頻道間隔25kHz的要求，可得出無三階互調的手機無線電收發頻率。因此，為滿足多信道無線電信號的可靠接收，實現無線終端在不同基站小區之間的快速漫遊切換，在手機中使用低成本、高可靠性、易於調整的鎖相環頻率合成器十分必要 ^[1]  。

系統設計思路：每個基站均具有2個無線收發信道、1個緊呼信道，採用頻率複用方式佈網，每個基站無線覆蓋範圍為1km。在有用户佔用通話信道時，緊呼信道能滿足緊急情況下的向上呼叫，保證了危情信息的上行下達。每個手機具有5個通信信道，通過鎖相環頻率合成器能夠在基站範圍內快速、自動鎖定在該基站的通信信道上，實現漫遊切換。通過通信服務器，不同基站下的手機可相互通信，也可以與地面調度指揮通信 ^[1]  。

1構成模型

鎖相環頻率合成器主要由高穩定度晶體振盪器、鑑相器PD、環路濾波器LPF、壓控振盪器VCO、程序分頻器、CPU頻道選擇控制電路、鎖定輸出控制電路組成，其中fr為參考頻率，fo輸出頻率 ^[1]  。

2工作原理

當無輸入信號加到鎖相環系統時，鑑相器輸出為0，環路濾波器輸出電壓Vd（t）也為0，壓控振盪器工作於設定的中心頻率。當有輸入信號加到鎖相環時，鑑相器將輸入信號的相位和頻率與壓控振盪器輸出（經分頻器）進行比較，產生對應於兩信號相位差的誤差電壓Vd（t），誤差電壓被濾波並加到壓控振盪器的控制輸入，其作用是減少壓控振盪器輸出和輸入信號的頻率誤差。當壓控振盪器的頻率足夠接近於輸入信號的頻率時，鎖相環的閉環特性強迫壓控振盪器鎖定在輸入信號的頻率上，除了有限相位誤差外，壓控振盪器的頻率等同於輸入信號的頻率，並能自動跟蹤輸入頻率的變化。由此得到鎖相環頻率合成器的輸出頻率為fo=Nfr，參考頻率fr是由高穩定度晶體振盪器經固定參考分頻後獲得的。設晶體振盪頻率為3．2MHz，固定頻率係數為128，則參考頻率fr=3．2MHz/128=25kHz。由單片機給出頻道數控程序分頻器參數，改變分頻係數N，即可得到所需的不同頻率 ^[1]  。

調頻波的特點是輸出頻率隨調製信號幅度的變化而變化，通過在壓控振盪器的輸入中加入調製信號，可使壓控振盪器的輸出信號成為隨調製信號幅度變化而變化的調頻波信號，從而使鎖相環具有優異性能，因此，被廣泛應用於無線通信中 ^[1]  .

3應用電路

鎖相環頻率合成應用電路主要由4046鎖相調製電路、壓控振盪電路、環路濾波電路、145158程序分頻電路、鑑相電路、4081與門電路及2051CPU等語音、導頻通過電路加到4046的引腳9構成調製信號，壓控振盪電路頻率由R16，R17，C33及引腳9控制電壓共同確定；通過改變CPU對145158的DAT，CLK輸入即可獲得不同的分頻係數，從而獲得不同的載波頻率；最後經語音、導頻調製的載波信號通過4081與門電路加到V7三極管放大器輸出到天線，經調諧後向空間發射 ^[1]  。