幾種鎖相環芯片在移動通信及其他環境中的應用

電子科技大學電子工程學院 徐雨濛 陳 哲

幾種鎖相環芯片在移動通信及其他環境中的應用

電子科技大學電子工程學院 徐雨濛 陳 哲

鎖相環是一種可以產生輸出信號相位與輸入標準信號相位相關的控制系統。本文簡介了鎖相環的發展簡史以及其在現代移動通信中的重要地位，并介紹了Freescale公司的MC33493芯片在輪胎壓力檢測中的實際應用。

鎖相技術；頻率合成

一、鎖相環的發展簡史

鎖相環是一種可以產生輸出信號相位與輸入標準信號相位相關的控制系統。它的電路結構包括一個壓控振蕩器，鑒頻器和環路濾波器。鎖相環電路通過比較輸入標準信號和從輸出振蕩器得到的信號來調節振蕩頻率使其相位匹配。從鑒頻器中得到的信號電壓信息用來在反饋環路中控制振蕩器。因頻率是相位的導數，那么保持輸入輸出相位入鎖意味著輸入輸出的頻率同時入鎖。因此，鎖相環可以跟蹤一個輸入頻率或者產生一個和輸入頻率成倍數關系的輸出頻率。前一個性質多用來解調，后一個性質多用來間接頻率合成。

電子振蕩器的自動同步是在1923年第一次被提出的。最早關于我們現在所說的鎖相環的研究要則追溯到1932年，當時英國的科研人員研究出了可以替代Edwin Armstrong超外差接收機的零差接收機（直接轉換接收機）。這個系統的目的是研制一種所需更少調諧電路，可以替代超外差接收機的接收機。因為本地振蕩器容易產生快速的頻率漂移，振蕩器使用了一種自動校正的信號，保證了期望的相同相位和頻率。這種技術由法國科學家Henri de Bellescize于1932年在法國雜志L'Onde électrique上發表。當Signetics公司于1969年研發出了像NE565這種可以集成一個完整地鎖相環系統于一個芯片上的單片集成電路的時候，鎖相技術的大規模應用爆發了。

目前鎖相環廣泛應用在廣播收音機，遠程通信，計算機和其他電子設備中。它可以把信號從噪聲信道中恢復出來，產生一個與輸入信號成倍數關系的穩定輸出頻率（頻率合成），或者在像在微處理器的這種數字邏輯器件中分配時鐘的脈沖信號。因為一個單一的集成電路可以提供一個完整地鎖相模塊，所以鎖相技術在輸出頻率變化范圍從幾赫茲到幾G赫茲的現代電子設備應用極其普遍。

二、頻率合成器在在移動通信中的應用

由于鎖相環路具有頻率鎖定特性，載波跟蹤特性，調制特性，低門限特性，再加上集成鎖相環的出現，使鎖相環路在電子技術等各個領域獲得了廣泛的應用。在移動通信中，主要用于短波、超短波發、收信機中的主振與本振源，以及上述各種通信系統中的調制與解調，電調與天調、自動頻率微調等系統中。鎖相環電路時手機電路中非常重要的基本單元，我們現在用的手機越來越小，越來越薄，從某種意義上來講就是高度集成化的鎖相環的作用。鎖相環電路性能優越，在手機的調制，解調和頻率合成中有著重要的應用。如果接收到的信號頻率不穩定，那么我們就無法通過手機來和他人通信，所以頻率源的穩定度對所有通信設備是極其重要的，能夠產生極高頻率精度的鎖相環應運而生。

現代手機中要求的工作頻點數目多，頻點可變，頻率高穩定度，而鎖相技術最大限度的滿足了這些要求并具有以下特點：

1）目標頻率合成準確且精度高：鎖相環再加上一些輔助電路就能很容易的對一個標準信號頻率進行加、減、乘、除運算，從而獲得目標頻率，合成后的信號頻率與標準信號頻率有相同的長期頻率穩定度。

2）選頻特性良好：利用其窄帶跟蹤濾波特性，可充分濾去噪聲選出所需頻率。此外，高性能的壓控振蕩器（VCO）具有較好的短期頻率穩定度，因此鎖相式頻率合成器輸出的信號具有較高的頻率穩定度和較好的頻譜純度。

3）采用環路同步跟蹤特性，能方便的變換頻率：通過手機中的邏輯或音頻電路部分提供的控制信號可以實現信道掃描和自動選頻，提高手機在組網中的功能。

三、模擬通信系統中的軟件鎖相技術

隨著數字集成電路電路技術的發展，尤其是大規模集成電路及微處理器的廣泛應用，使得通信領域一些復雜的、靈敏的信號處理方法能在數字域付諸實施。鎖相環是相干數字通信系統中的關鍵部件，為了與數字系統兼容，吸收數字電路固有的可靠性高、體積小、價格低等優勢，人們在發展模擬鎖相環的同時，亦致力于發展數字鎖相環。

軟件鎖相技術是一個較新的研究課題，過去由于受到微機運行速度的限制，使用軟件鎖相技術所能工作到的上限頻率較低（一般在1KHZ以內），因此沒有較大實際使用的意義，也沒有得到突破性的發展。但是，軟件鎖相環具有處理靈活的有點，它擺脫了復雜的硬件電路設計；解決了若干模擬環境遇到的難題，如直流零點漂移、部件飽和、必須初始校準等。目前，由于單片微機的功能越來越強大，工作速度越來越高，也為軟件鎖相技術的發展創造了必要的條件。

軟件鎖相環路的輸入信號必須是一個經過整形的TTL電平信號，鑒相軟件可以識別出軟件計數器輸出的取樣信號相位與輸入信號相位之間的相位差；環路濾波軟件控制著環路相位校正的速度與精度；PCC為可編程控制計數器，也可將其稱為本地受控定時器，其計數周期受環路濾波器軟件的控制。

軟件鎖相實現方法已得到實際應用，通過改變鎖相軟件中的參數，可在一個軟件中實現TACS值和AMPS制蜂窩狀移動通信系統信令碼型的變換，在AMPS值信令碼型轉換程序中，軟件鎖相環的工作頻率達到了20kHZ。實際應用幾年來，其穩定性和可靠性是模擬鎖相環無法比擬的。

實現軟件鎖相技術的重要意義在于，簡化了硬件電路的設計，降低了設備功耗，簡化了設備的調試工作，提高了系統的穩定性和可靠性，以模擬蜂窩狀移動通信系統中的手機設計為例，對其通信的信令進行全軟件解碼，可以降低生產成本，延長手機的使用時間，其實用意義是顯而易見的。

四、幾種不同廠家的PLL芯片的實際應用

1.Freescale Semiconductor：MC33493

MC33493芯片是飛思卡爾公司的一個鎖相環調諧低功耗的超高頻發射器。它的微控制器通過一些數字輸入引腳來控制不同的操作模式。供電電壓從1.9V到3.6V，使得一塊鋰電池即可對其供電。

電氣參數：

·選擇性頻帶：315—434MHZ和868—928MHZ

·OOK和FSK兩種調制方式

·輸出功率范圍可調節

·壓控振蕩器完全集成化

·極低的待機電流：0.1nA@TA=25°C

·為微控制器提供數據時鐘輸出

·超寬溫度耐受范圍：-40到125°C

·符合歐洲電信標準協會的典型應用。

實際應用：

MC33493芯片因其抗高溫能力顯著使其可以應用在輪胎壓力檢測系統(TPMS)中，該系統主要用于汽車行駛時對輪胎氣壓進行實時自動檢測，對輪胎漏氣和低氣壓進行報警。MC33493在此系統中為高溫集成無線發送模塊，抗干擾能力強，頻率穩定度高(PLL)，可以將傳感器收集到的輪胎溫度和壓力信息準確的傳給安裝在汽車底盤的接受天線。

2.Hittite Microwave Corporation：HMC831LP6CE

HMC831LP6CE是Hittite公司的一款全功能集成低噪聲壓控振蕩器的分數N鎖相環芯片，它具有低壓壓控振蕩器調諧的自校準子系統，極低噪聲的數字鑒頻器，精密電荷泵和低噪聲分頻器。鑒頻器應用了周跳保護技術使得頻率階躍時間更短。超低相位噪聲和低失真同時保證了快速頻率階躍時更寬的環路帶寬。

電氣參數：

·射頻帶寬：1815到2010MHZ

·超低相位噪聲：-110dBc/HZ(帶內)

·品質因數：-227dBc

·均方根抖動：<180fs

·內置數字自檢；

·40線6x6mm SMT封裝：36mm2。

實際應用：

HMC831LP6CE芯片廣泛應用在移動通信的蜂窩或4G LTE基礎設施中，其他領域應用也很廣泛，如中繼器和超小型化移動基站，通訊測試儀，有線電視設備，相控陣雷達，數字示波器和高數據率射頻部件等。

3.Texas Instruments：LMX2502

LMX2502為韓國個人通信服務和韓國CDMA蜂窩手持設備特別優化的高集成，高性能，低功耗的頻率合成器。它使用了合適的數字鎖相環技術，LMX2502可以為無線通訊設備產生非常穩定，低噪聲的本地震蕩信號。它也同時集成了整數N中頻鎖相環。為了更靈活的環路濾波設計，中頻鎖相環包括了一個4級可編程電荷泵。同時連接了一個外部VCO和環路濾波器。LMX2502和LMX2512構成了一個完整的閉環中頻頻率合成器系統。

電氣參數：

·體積小：5.0mm X 5.0mm X 0.75mm 28腳LLP封裝

·射頻合成器系統：集成射頻VCO，環路濾波器，10kHZ頻分

·中頻合成器系統：整數N中頻鎖相環，可編程電荷泵

·支持不同標準頻率：19.20/19.68MHZ

·快速入鎖時間：500μs；

·低電流消耗：17mA@2.8V；

·工作電壓2.7V至3.3V·硬件和軟件功率降低控制；

實際應用：韓國PCS CDMA通信系統和韓國蜂窩CDMA通信系統。

注：LMX2502實際上是美國國家半導體公司(National Semiconductor)的產品，因為NS在去年被德州儀器(TI)收購，故此芯片現為德州儀器所有。

[1]張厥盛,鄭繼禹,萬心平.鎖相技術[M].西安電子科技大學出版社,2006.

[2]潘志浩,陳惠民.軟件鎖相技術在模擬蜂窩移動通信系統中的應用[J].上海大學學報(自然科學版),1997(05).

[3]李立高.鎖相技術在雙頻手機電路中的應用分析[J].長沙通信職業技術學院學報,2003(02).

徐雨濛（1990—），男，北京人，現就讀于電子科技大學電子工程學院電子信息工程專業。

陳哲（1991—），男，北京人，現就讀于電子科技大學電子工程學院電子信息工程專業。