基于鎖相環(huán)載波數(shù)字可調(diào)的調(diào)頻收發(fā)系統(tǒng)

郭裕豐，王文虎，李建奇

(湖南文理學(xué)院 計(jì)算機(jī)與電氣工程學(xué)院，湖南 常德 415000)

0 引言

鎖相環(huán)具有頻率合成、調(diào)制解調(diào)以及載波同步與跟蹤等特性，在雷達(dá)通信、電力電子及航空目標(biāo)捕捉和遙感等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1-3]。鎖相環(huán)用于信號(hào)調(diào)制時(shí)，分為模擬鎖相環(huán)、數(shù)模混合鎖相環(huán)和全數(shù)字鎖相環(huán)。模擬鎖相環(huán)和傳統(tǒng)數(shù)模混合鎖相環(huán)都存在著受溫度影響、零點(diǎn)漂移、器件飽和以及易受噪聲干擾等問題[4-6]；全數(shù)字鎖相環(huán)一般采用現(xiàn)場(chǎng)可編程器件，又存在著成本較高，功耗較大等現(xiàn)實(shí)問題[7-9]。因此，提出了一種新型FM收發(fā)系統(tǒng)，調(diào)制部分借助偏置數(shù)字調(diào)節(jié)單元，控制VCO輸出信號(hào)的中心頻率，得到載波頻率數(shù)字可調(diào)的已調(diào)信號(hào)；解調(diào)部分，基于模擬鎖相環(huán)進(jìn)行解調(diào)。相比傳統(tǒng)方案提高了抗干擾能力和穩(wěn)定性、且功耗低。

1 鎖相環(huán)中心頻率數(shù)字可調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理

1.1 鎖相環(huán)原理

鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LPF)、壓控振蕩器(VCO)和分頻器(DIV)構(gòu)成[10-12]。其中，鑒相器檢測(cè)輸入信號(hào)uref與反饋信號(hào)udiv兩信號(hào)的相位差，并將相位差以直流信號(hào)形式輸出，即ud。

圖1 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖

設(shè)：

uref(t)=Arefsin[ωrt+φr(t)]，

(1)

udiv(t)=Aoutcos[ωdt+φd(t)]，ωd=

ωo/N，φd(t)=φo(t)/N。

(2)

一般情況下，ωr不一定等于ωd(鎖定后相等)，故將信號(hào)uref變形。

uref(t)=Arefsin[ωdt+(ωr-ωd)t+φr(t)]，

即

uref(t)=Arefsin[ωdt+φ1(t)]，

(3)

式中，φ1(t)=(ωr-ωd)t+φr(t)=Δωdt+φr(t)。

通過鑒相器內(nèi)的乘法器，得到兩信號(hào)的乘積(相乘系數(shù)設(shè)為1)：

ud(t)=uref(t)udiv(t)=

sin[φ1(t)-φd(t)]}。

(4)

由式(4)可知，信號(hào)ud含大量高頻成分，故經(jīng)過環(huán)路濾波器(低通濾波器)濾除高頻分量，得到穩(wěn)定的信號(hào)uc。

(5)

環(huán)路濾波器除濾除高頻分量外，也提高了鎖相回路的穩(wěn)定性。當(dāng)鎖相回路收到噪聲干擾時(shí)，可迅速重新鎖定。信號(hào)uc接入壓控振蕩器，控制VCO產(chǎn)生振蕩信號(hào)uout。壓控振蕩器的振蕩頻率，受電壓信號(hào)uc控制。在一定范圍內(nèi)，ωo與uc呈線性關(guān)系。線性范圍內(nèi)，壓控特性如下：

ωo(t)=ωo0+Acuc(t)。

(6)

ωo0為壓控振蕩器輸入電壓為零時(shí)，輸出振蕩信號(hào)的角頻率。Ac線性常系數(shù)，即壓控靈敏度。

而對(duì)鑒相器起作用的是信號(hào)uout的瞬時(shí)相位，瞬時(shí)相位φo(t)與uc(t)為積分關(guān)系[8]。

(7)

信號(hào)uout頻率一般大于信號(hào)uref，故需經(jīng)過分頻后饋送給鑒相器，分頻器的分頻系數(shù)可配置[13]。分頻后的信號(hào)udiv與輸入信號(hào)uref頻率一致(鎖定后)且存在相位差φ1(t)-φd(t)，并一同傳入鑒相器，形成鎖相回路[10-11]。

1.2 中心頻率數(shù)字可調(diào)的FM調(diào)制原理

中心頻率數(shù)字可調(diào)的FM調(diào)制原理框圖如圖2所示，由偏置調(diào)節(jié)單元(Adjustment Bias，AB)、微處理器單元(MCU)和壓控振蕩器(VCO)構(gòu)成。Sin信號(hào)為調(diào)制信號(hào)，由偏置調(diào)節(jié)單元調(diào)節(jié)偏置后得到信號(hào)Vo。偏置大小由微處理器ADC輸出信號(hào)Vad決定，偏置后的信號(hào)Vo控制VCO，得到已調(diào)信號(hào)Vout，其中心頻率由偏置大小決定。已調(diào)信號(hào)在中心頻率周圍內(nèi)隨調(diào)制信號(hào)變化而變化，頻率變化范圍在頻偏之內(nèi)[14-16]。

圖2 中心頻率數(shù)字可調(diào)的FM調(diào)制原理框圖

設(shè)：

Sin=Asin[ωt+φ]，

則：

Vo=Asin[ωt+φ]+Vad。

(8)

Vo信號(hào)由偏置調(diào)節(jié)單元得到，不存在溫度漂移，降低了噪聲干擾，提高了調(diào)制的穩(wěn)定性，且VCO的振蕩中心頻率數(shù)字可調(diào)，靈活性更高。相比傳統(tǒng)鎖相環(huán)調(diào)頻，除去了鑒相器、環(huán)路濾波器的使用，偏置信號(hào)Vad替換了鎖相環(huán)路中反應(yīng)相位差的直流信號(hào)(已濾除高頻分量)，從而取代了鎖相環(huán)路的作用。

1.3 鎖相環(huán)FM解調(diào)原理

如圖3，鎖相環(huán)FM解調(diào)原理框圖由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器形成鎖相環(huán)路構(gòu)成。

圖3 鎖相環(huán)FM解調(diào)結(jié)構(gòu)框圖

已調(diào)信號(hào)uadj由鑒相器輸入，與饋送回來的壓控振蕩器輸出信號(hào)uvco存在相位差，從而得到鑒相器輸出的信號(hào)ud，經(jīng)環(huán)路濾波器濾除高頻成分干擾后，得到信號(hào)up，即解調(diào)信號(hào)udem。同時(shí)輸入給壓控振蕩器產(chǎn)生同頻信號(hào)uvco，形成解調(diào)鎖相回路[17-18]。當(dāng)回路鎖定正常工作后，電路進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，鎖相環(huán)無失真輸出解調(diào)信號(hào)[4]。根據(jù)所述原理，利用Matlab對(duì)FM調(diào)制解調(diào)進(jìn)行仿真，波形結(jié)果如圖4所示。

圖4 FM調(diào)制解調(diào)Matlab仿真

2 硬件電路

2.1 FM調(diào)制電路

調(diào)制電路主要由偏置調(diào)節(jié)電路和鎖相環(huán)電路構(gòu)成，微處理器單元提供數(shù)字調(diào)節(jié)功能。選用低噪聲、低功耗的運(yùn)放做偏置調(diào)節(jié)電路。調(diào)制信號(hào)(需傳輸?shù)男盘?hào)，如音頻信號(hào)等)與偏置調(diào)節(jié)電壓一同接入偏置調(diào)節(jié)電路，偏置調(diào)節(jié)電壓由微處理器的ADC提供。電路需接去耦電容，以減小噪聲干擾，提高電路穩(wěn)定性。

圖5 CD74HC7046鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)電路

調(diào)制偏置后的調(diào)制信號(hào)接入壓控振蕩器的輸入端，從而得到已調(diào)信號(hào)。采用鎖相環(huán)CD74HC7046片內(nèi)壓控振蕩器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路圖如圖5所示。該鎖相環(huán)具有出色的VCO頻率線性度、高抗噪性且功耗低，最大中心頻率高于50 MHz。利用偏置調(diào)節(jié)電路的輸出信號(hào)控制VCO的振蕩信號(hào)，故只使用了鎖相環(huán)的VCO部分，鎖相環(huán)路其他部分并未使用。其中，C1和R1共同決定VCO的振蕩中心頻率fo(12腳本該接R2，與R1、C1共同決定中心頻率和頻偏大小，此處選擇R2取無窮大，故未接)。接入已調(diào)偏置的信號(hào)Sin，可在原中心頻率的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)振蕩中心頻率的大小。

已調(diào)偏置電平大小與振蕩中心頻率大小的關(guān)系曲線，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6，偏置電平在1.88～2.32 V段，偏置電平與中心頻率呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。通過微處理器ADC輸出可精確控制中心頻率，在其他非線性段可做數(shù)據(jù)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)中心頻率在30.000 0～38.610 0 MHz范圍內(nèi)數(shù)字可調(diào)。當(dāng)接入調(diào)制信號(hào)時(shí)，VCO的輸出即為已調(diào)信號(hào)，已調(diào)信號(hào)無需功放直接接天線電路發(fā)射。

圖6 偏置電平與中心頻率曲線圖

2.2 解調(diào)電路

已調(diào)信號(hào)由接收端天線接收，經(jīng)放大后，接入解調(diào)，選用模擬鎖相環(huán)NE564進(jìn)行解調(diào)。NE564是一款多功能，高質(zhì)量頻率的鎖相環(huán)，工作頻率最高為50 MHz。其為自帶有檢波后信號(hào)處理器的單片鎖相環(huán)，由限幅器、鑒相器、壓控振蕩器、放大器、直流恢復(fù)電路和施密特觸發(fā)器等部分所組成。

解調(diào)電路如圖7所示，NE564采用5 V供電，已調(diào)信號(hào)由6腳輸入，解調(diào)信號(hào)由14腳輸出。其壓控振蕩器和鑒相器分開供電，以保證鎖相環(huán)工作穩(wěn)定。電源引腳入口處，接去耦電容C1和C2。6腳為調(diào)制信號(hào)的輸入端，7腳為偏置腳。信號(hào)輸入時(shí)，接耦合電容C3，可解調(diào)300 mV以上的輸入信號(hào)。4腳和5腳外接電容，構(gòu)成環(huán)路濾波器，用于濾除鑒相器輸出信號(hào)的高頻分量，從而得到一個(gè)穩(wěn)定信號(hào)給壓控振蕩器。壓控振蕩器內(nèi)接有定值電阻，外接一個(gè)定時(shí)電容便可以振蕩。即由C5調(diào)節(jié)壓控振蕩器的中心頻率(f0)，可選用一固定電容并聯(lián)一個(gè)可調(diào)電容調(diào)節(jié)，將中心頻率調(diào)節(jié)到36 MHz。輸入引腳2的電流控制解調(diào)輸出的增益和鎖定范圍，調(diào)節(jié)電位器R3可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流入的電流。解調(diào)信號(hào)經(jīng)過直流恢復(fù)后由14腳輸出。

圖7 解調(diào)電路

3 仿真與實(shí)驗(yàn)分析

采用Simulink仿真，搭建FM調(diào)制解調(diào)的仿真模型。FM調(diào)制解調(diào)電路仿真如圖8所示，調(diào)制電路由偏置調(diào)節(jié)單元和VCO單元構(gòu)成，解調(diào)電路由鎖相環(huán)路構(gòu)成。

圖8 FM調(diào)制解調(diào)simulink仿真電路圖

調(diào)制電路中，由常數(shù)模塊(constant)提供偏置電壓1.847 V，信號(hào)源產(chǎn)生20 kHz正弦信號(hào)一同輸入加法器(Add)，調(diào)節(jié)偏置后的信號(hào)接入VCO1，VCO1的中心頻率設(shè)置為36 MHz。調(diào)制電路VCO1輸出已調(diào)信號(hào)的頻譜圖如圖9所示，已調(diào)信號(hào)頻譜以36 MHz為中心，隨調(diào)制信號(hào)波動(dòng)。

圖9 調(diào)制VCO輸出頻譜圖

解調(diào)電路中，由鑒頻鑒相器(PFD)、環(huán)路濾波器(低通巴特沃斯濾波器)和VCO2構(gòu)成。低通濾波器設(shè)置為2階，截止頻率設(shè)為20 kHz，VCO2的參數(shù)與VCO1一致。已調(diào)信號(hào)接入鑒頻鑒相器(PFD)，得到VCO2回饋信號(hào)與已調(diào)信號(hào)的乘積信號(hào)，由低通濾波器濾除高頻分量，得到解調(diào)信號(hào)。其波形與調(diào)制信號(hào)波形如圖10所示。可見，解調(diào)出的信號(hào)與調(diào)制信號(hào)相比，失真很小，調(diào)制解調(diào)成功。

圖10 調(diào)制信號(hào)與解調(diào)信號(hào)(上為調(diào)制信號(hào)，下為解調(diào)信號(hào))

實(shí)物測(cè)試時(shí)，偏置調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)好信號(hào)偏置，在未輸入調(diào)制信號(hào)時(shí)，調(diào)壓電路VCO輸出穩(wěn)定的36 MHz的載波，其頻譜如圖11(a)所示。頻譜穩(wěn)定在36 MHz，其他頻段幾乎沒有干擾。當(dāng)輸入20 kHz的正弦信號(hào)(調(diào)制信號(hào))時(shí)，在接收端收到無失真20 kHz的正弦信號(hào)，可由示波器測(cè)得，見圖11(b)。調(diào)頻收發(fā)裝置，無線傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)20 m，發(fā)射系統(tǒng)總功率在50～90 mW之間。

(a)調(diào)制電路VCO輸出36 MHz信號(hào)的頻譜

(b)解調(diào)得到20 kHz的正弦波

4 結(jié)束語(yǔ)

借助Simulink仿真對(duì)FM調(diào)制解調(diào)原理和電路進(jìn)行了理論分析，并實(shí)際制作實(shí)現(xiàn)了FM調(diào)制解調(diào)無線收發(fā)系統(tǒng)，載波中心頻率在一定范圍內(nèi)數(shù)字可調(diào)，傳輸效果良好，可無失真?zhèn)鬏旑l率20 kHz及以內(nèi)的信號(hào)。調(diào)制部分利用偏置調(diào)節(jié)單元，VCO輸出穩(wěn)定中心頻率可調(diào)的已調(diào)波，無需鎖定，迅速輸出已調(diào)波，且輸出穩(wěn)定。相比傳統(tǒng)鎖相環(huán)調(diào)頻，調(diào)制電路除去了鑒相器、環(huán)路濾波器的使用，減小了溫度影響、零點(diǎn)漂移、易受噪聲等問題的干擾。為進(jìn)一步精確控制VCO的振蕩中心頻率，可引入反饋，借助模糊PID調(diào)節(jié)，提升穩(wěn)定性。