双调制锁相频率合成器的设计与实现
发布时间：2010-8-3 15:20
发布者：lavida
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1 引 言 在便携式及车载型电台中，多采用直接调频技术，应用以电压调控的变容二级管，使振荡器的频率产生偏移，由于锁相环环路误差传递函数的高通特性，被搭载的调制信号不能出现阻带内的低频或直流分量，数字调制即表现为长"0"或长"1"的状态，否则会使频偏降低或消失。这对数传电台不利，为此可对基带数据进行扰码，减小长"0"或长"1"的状态，但又会带来误码的传递，为了解决这个问题本文提出采用双调制锁相频率合成器的方法。 2 双调制电路工作原理 双调制锁相频率合成器构成如图1所示，fo一般用高精度和高稳定晶体产生，以达到锁相输出频率和晶振同等级别的性能。这种系统可以被用来直接调频，作为模拟调制或数字调制。一般锁相调制电路只调制VCO，而双调制方法就是既调制VCO，又调制晶体基准源，通过两者互相补偿来实现任意低频调制频偏。 根据环路的线性相位模型，可以分别计算双调制中UF1(t)和Uf2(t)的调制作用，以下均以拉普拉斯变换表示。 式(2)为闭环传递函数，式(3)为误差传递函数。 单独考虑UF1(t)的调制，产生的输出相位为：  单独考虑UF2(t)的调制时θ1(s)=0，产生的输出相位为：  由式(3)、式(6)可得  He(s)具有高通特性，所以必须使调制频率在他的通带之内才行，进入阻带后调制频偏很小，甚至消失。 若选择G1(s)=G2(s)=1，则总输出相位为：  当K1/M=K2/N=K时  由此可见双调制电路可以使两个调制的效果相互补偿，得到在很宽调制范围内频偏正比于调制信号的FSK调制器，同样也适合模拟的FM调制。 环路中配备了可预置分频器"N分频"和"M分频"，软件可控，通过单片机控制可实现任意频率的输出，即：  3 电路设计与实现 双调制的VCO调制部分采用变容二极管组成的西勒振荡[2]，电路如图2所示。其中D4用于锁相环路自调节，D3用于FSK调制，Q4及周边的元件构成振荡器的核心电路，产生实际所需的射频信号源，Q5和Q7是缓冲电路，其中Q5输出信号提供给锁相环，作为频率(或相位)反馈信号，Q7是一个反向放大器，输出信号提供给功率放大器。之所以要用Q5，Q7，缓冲，是为了隔离负载效应，避免功放的输入阻抗对压控振荡器的频率产生牵引，影响频率的精度。 另一调制部分采用VCXO实现，该器件为集成有源品振，可使能输出，且有一电压输入控制端，可使VCXO输出频率在±100 ppm左右的范围内调整，如NKG公司的VCXOS1E050。采用此器件，晶振源和相应的调频器就可方便实现，电路简单，体积小。 可预置分频器和鉴相器采用集成电路LMX1602，SPI接口控制，是一个双模锁相环，内部包含2个可独立设置的PLL电路，工作频率可达1 GHz，在这只使用其中一路。 TX DATA为需调制的数据基带信号，一路直接调制VCO，一路反相后通过运放组成的加法器调制VCXO，加法器的另一输入端FCT用于微调载波频率，以保证载频的精度。具体电路如图3所示。 此电路通过单片机设置LMX1602相关寄存器，即可输出1 GHz以内任何载频的FSK调制射频信号，载波的精度和稳定度同晶体的相当。 4 实验结果 在双调制环路中，由式(5)可知1比无调制时多一个  分量，由式(6)可知比无调制时多一个  分量，当K1/M=K2/N=K和G1(s)=G2(s)=1同时成立时，两个分量的相减为零，即在环路锁定时，无调制和双调制的θe值是一样的，具体表现为LPF低通输出后的电压值保持不变，所以调试时可通过高精度万用表观察LPF低通输出后的电压来确定参数是否调好。 为了实验其效果，实际制作了一套无线收发器，通过对比直接锁相调频(只调制环路VCO的变容二极管)调制解调的波形来观察双调制锁相调频的补偿效果。设计锁相环的环路带宽为600 Hz左右，调节可调信源，分别用1.2 kHz，600 Hz，300 Hz，150 Hz和75 Hz的方波作为调制信号来观察调制解调的效果，实际波形如图5和图6所示，横坐标为时间，纵坐标为解调信号的幅度，左上角为对应测得的信号频率。调频接收机采用了正交鉴频，输出的幅度大小就代表输入信号频率的大小，即可方便观察发射调制信号产生频偏的大小。其中图6左列为锁相频率合成器采用直接锁相调频解调后的波形，从波形可以看出当频率小于600 Hz(环路带宽)后调制的频偏慢慢消失，到75 Hz时，方波调制产生的频偏只有边沿处有效，电平持续的后续部分慢慢被环路自调整而抵消。 由于测量误差，两个调制很难完全相互补偿，加上收发系统带宽的限制，使得解调的波形并不是完全和接收一样，但对于数字系统，这种微小的误差并不影响接收端对调制信号的判决，实际用于无线收发系统，对于包含有长"0"或长"1"的信号，都能正常接收解调。 5 结 语 双调制电路构成简单，当K1/M=K2/N=K和G1(s)=G2(s)=1同时成立时，既能满足窄带调频，又能满足宽带调频，且不必担心数据长"0"和长"1"的情况。调试时，通过观测LPF输出电压是否变化即可方便判断补偿是否调好，为数传电台提供了一种高性能的实现方案。 |
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