基于MATLAB的頻率合成器模擬

西安文理學(xué)院幼師學(xué)院 武 瑛

一、頻率合成器及MATLAB 仿真平臺(tái)概述

無線通信技術(shù)在過去十多年里有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，從無繩電話到個(gè)人手機(jī)，從藍(lán)牙技術(shù)到無線局域網(wǎng)，越來越多的無線通信設(shè)備進(jìn)入到了人們的日常生活當(dāng)中。無線通信收發(fā)機(jī)是無線通信中的重要組成部分，負(fù)責(zé)無線終端、主機(jī)之間的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送功能。對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)起著至關(guān)重要的作用，影響著系統(tǒng)的功耗、靈敏度、數(shù)據(jù)傳輸速率及發(fā)射和接收的效率。無線通信技術(shù)的發(fā)展對(duì)無線通信收發(fā)機(jī)提出了高數(shù)據(jù)率、高性能、高集成度和低功耗等要求，使得無線通信收發(fā)機(jī)的設(shè)計(jì)成為無線通信系統(tǒng)的難點(diǎn)。

無線通信收發(fā)機(jī)一般包括天線、射頻帶通濾波器、低噪聲放大器、混頻器、頻率合成器、可編程放大器(PGA)、功率放大器、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D)、數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(D/A)和數(shù)字基帶處理模塊等，如圖1所示。其中頻率合成器負(fù)責(zé)提供對(duì)收、發(fā)信號(hào)進(jìn)行變頻操作所必需的本振信號(hào)。其輸出本振信號(hào)的純度直接影響接收信號(hào)的信噪比，影響發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率譜，其頻率切換時(shí)間決定了收發(fā)機(jī)的工作效率，其頻率分辨率決定了收發(fā)機(jī)可支持的最小頻道間隔，在無線通信收發(fā)機(jī)中占有十分重要的地位。頻率合成器是一個(gè)典型的負(fù)反饋系統(tǒng)，電路規(guī)模比較大，基于電路級(jí)的仿真往往需要很長時(shí)間(幾天甚至幾個(gè)星期)，因此需要對(duì)其進(jìn)行行為級(jí)建模，提高仿真速度。

MATLAB是美國mathworks公司開發(fā)的主要面向科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言(如C、Fortran)的編輯模式。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。如前所述，頻率合成器由于電路復(fù)雜，傳統(tǒng)的仿真模擬需要較長的時(shí)間，基于MATLAB建立頻率合成器的行為及仿真模型，可以大大提高頻率合成器的仿真模擬速度，提高設(shè)計(jì)效率。

二、頻率合成器的MATLAB建模

頻率合成器是指可以對(duì)頻率進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算，并將一個(gè)或幾個(gè)頻率標(biāo)準(zhǔn)變成多個(gè)所需頻率的電子裝置。頻率合成器的實(shí)現(xiàn)方式多種多樣，其中間接頻率合成器或稱鎖相環(huán)頻率合成器通過將輸出信號(hào)分頻之后與參考信號(hào)比較，構(gòu)成負(fù)反饋，產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出信號(hào)。這種頻率合成器體積小、性能好、價(jià)格便宜，且同時(shí)具有高速，低功耗的優(yōu)點(diǎn)。因此，在目前所有的無線通信系統(tǒng)中，鎖相環(huán)頻率合成器幾乎成為頻率合成器的唯一實(shí)現(xiàn)方式。最常見的鎖相環(huán)頻率合成器如圖2所示，它由鑒頻鑒相器(Phase Frequency Detector,PFD)、電荷泵(Charge Pump,CP)、環(huán)路濾波器(Loop Filter)、壓控振蕩器(Voltage Controlled Oscillator,VCO)和分頻器(Divider)五部分構(gòu)成。輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘fREF與壓控振蕩器分頻后的輸出信號(hào)fDIV經(jīng)鑒頻鑒相器進(jìn)行比較，控制電荷泵充放電，并經(jīng)過環(huán)路低通濾波器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，調(diào)整壓控振蕩器的輸出頻率fVCO，形成一個(gè)相位域的負(fù)反饋結(jié)構(gòu)。通過對(duì)相位的檢測和反饋控制，使鑒頻鑒相器的兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差保持固定，頻率差為零，實(shí)現(xiàn)輸出頻率的可編程。環(huán)路鎖定后，壓控振蕩器的輸出頻率為參考信號(hào)頻率的整數(shù)倍，即fVCO=N×fREF。

針對(duì)頻率合成器中的5大模塊，可以分別在MATLAB的Simulink環(huán)境中建立它們的模型，如鑒頻鑒相器的輸出連接到電荷泵的輸入，鑒頻鑒相器的up和dn信號(hào)控制電荷泵充電電流和放電電流Iup和Idn的開斷。電荷泵的模塊連接圖如圖3(a)所示。從圖中可以看出電荷泵所用的模塊較少，結(jié)構(gòu)也很簡單，只需要2個(gè)Gain和1個(gè)Substract模塊。分別將控制up和dn電流的增益模塊Gain參數(shù)設(shè)定為Up和Dn。然后創(chuàng)建電荷泵子模塊并進(jìn)行封裝，Mask Editor的Parameters標(biāo)簽的設(shè)定如圖3(b)所示。

其他模塊也可以采用Simulink自帶的模塊搭建而成，鑒頻鑒相器采用Simulink中帶復(fù)位的D觸發(fā)器和邏輯與非門構(gòu)成；環(huán)路濾波器采用Simulink自帶的無源電阻、電容組成；壓控振蕩器采用電壓到相位的積分器，然后轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)；分頻器采用Simulink的取模模塊和關(guān)系判斷模塊構(gòu)成，總的頻率合成器模型如圖4所示。

圖1 無線通信收發(fā)機(jī)框圖

圖2 鎖相環(huán)頻率合成器框圖

圖3 頻率合成器中電荷泵的模型

圖4 頻率合成器模型 圖5 頻率合成器鎖定過程中壓控振蕩器的控制電壓波形

三、基于MATLAB模型的頻率合成器模擬

基于MATLAB的Simulink環(huán)境可以使用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行仿真，它也支持多速率系統(tǒng)，即系統(tǒng)中的不同部分可以具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI)，提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。基于MATLAB的Simulink仿真環(huán)境，對(duì)所建立的頻率合成器模型進(jìn)行仿真，采用Simulink連續(xù)時(shí)間仿真器，其中仿真步長設(shè)置為變步長，仿真參考信號(hào)為10MHz，電荷泵電流設(shè)置為100uA，得到的頻率合成器鎖定過程中壓控振蕩器的控制電壓波形如圖5所示，控制電壓最終趨于穩(wěn)定，表明了頻率合成器最終輸出穩(wěn)定的本征信號(hào)，整個(gè)仿真過程不到一分鐘，而直接使用頻率合成器的電路進(jìn)行仿真，需要花費(fèi)幾天甚至幾個(gè)星期的時(shí)間，因此基于MATLAB模型的頻率合成器模擬可以極大的提高仿真效率。

四、結(jié)語

本文在論述頻率合成器的應(yīng)用及MATLAB仿真平臺(tái)的基礎(chǔ)上，建立了頻率合成器的各模塊MATLAB模型，基于各個(gè)模塊的模型，搭建了整個(gè)頻率合成器的仿真模型，并基于MATLAB中的Simulink仿真環(huán)境對(duì)頻率合成器進(jìn)行了模擬，表明基于MATLAB對(duì)頻率合成器進(jìn)行模擬，可大大節(jié)省仿真時(shí)間。

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