單脈沖跟蹤接收機的設計

白英芝

（中國電子科技集團公司第三十九研究所，陜西西安710065）

隨著電子技術的發展，接收機硬件系統越來越向著成本低、體積小、重量輕、耗電省、可靠性高的方向發展[1-2]。AD6459是AD公司研制的中頻接收系統的芯片，該芯片集成有寬帶混頻器、增益可控中頻放大器、參考鎖相環、正交混頻器等單元電路。應用AD6459和外加集成VCO、四象限乘法器等單元電路組成的70 MHz全集成中頻鎖相接收機主板相對原來的中頻接收機，在整機硬件結構和性能上取得很大改進，大量地缺省了由整部件組裝時的電纜連接，減小了設備的體積、重量、功耗以及成本，進一步提高了接收機的可靠性、可維修性以及參數調整的方便性。

1 鎖相接收機的設計方案

1.1 跟蹤接收系統原理簡介

跟蹤接收系統是某衛星通信地球站的一個組成部分。它接收來自天線的信標信號（和信號）和角度誤差信號（差信號），經調制、放大、變頻、解調后向伺服分系統提供所需的角誤差電壓，控制天線的俯仰軸和方位軸向角誤差減小的方向轉動，實現對衛星目標的自跟蹤[3]。

集成化中頻鎖相接收機主板是跟蹤接收系統的核心部分，主板包括以下幾個單元電路：中頻接收模塊（AD6459）、集成VCO和數字式變速掃描電路、誤差解調電路和時鐘發生電路等。其原理框圖如圖1所示。

圖1 接收機原理框圖Fig.1Principle block diagram of receiver

接收機主板所完成的功能是：將70 MHz信號混頻并鎖相得到頻率穩定的10.7 MHz檢波中頻，；通過自動增益控制使檢前信號幅度保持恒定；經下變頻得到的10.7 MHz信號和參考晶振信號經正交檢波，得到的角誤差信號包絡送入誤差解調電路與本機產生的6.2 kHz時鐘信號進行同步檢波，得到方位和俯仰兩軸角誤差電壓。

1.2 主要芯片介紹

簡單地說，AD6459芯片是一個中頻接收系統。主要組成部分有：增益可控的UHF混頻器、本振放大器、線性增益可控中頻放大器和I/Q混頻器（鑒相器）、正交振蕩器和自動增益控制電路。在集成化中頻鎖相跟蹤接收機中主要實現兩個功能，一是組成鎖相環電路，即將中頻信號混頻并鎖相得到頻率穩定的10.7 MHz檢波中頻；二是組成自動增益控制電路，即通過自動增益控制使檢前信號幅度保持恒定。AD6459功能框圖如圖2所示。

圖2 AD6459功能框圖Fig.2Functional block diagram of AD6459

AD6459的性能參數如下：

工作頻率：DC——500 MHz；最大增益：80 dB

可控增益范圍：76 dB；電源：2.7～5.5 V

溫度范圍：－40～+85℃；20只管腳SMD封裝（窄）

1.3 中頻鎖相環

鎖相環電路原理框圖如圖3所示。

圖3 鎖相環電路框圖Fig.3Block diagram of three PLL circuit

由集成芯片MAX2605組成59.3 MHz壓控振蕩器（VCO），該單元電路為窄體封裝SMD集成VCO，需外接一個電感、一個變容二極管和必要的偏置電容，電路可產生振蕩。

70 MHz信號和VCO輸出的本振信號在UHF混頻器中混頻，得到兩路差分的10.7 MHz中頻信號，當VCO的頻率在59.3 MHz±150 kHz掃描時，該中頻信號頻率和相位也隨之變化?；祛l輸出的一路經過一個窄帶濾波器送入AD6459的中頻輸入端子，經增益可控放大器后在I/Q混頻器中與10.7 MHz晶振輸出的參考信號的相位進行比較。正交鑒相器輸出的正交支路經環路濾波器與掃描電路產生的鋸齒波相加，然后送到VCO電路的控制端，來控制VCO的變容管，從而控制振蕩頻率，使混頻輸出中頻信號與參考晶振同頻同相，環路處于鎖定狀態。正交鑒相器輸出的同相支路經比較器電路用作失鎖檢測或鎖定指示，并用來控制掃描的啟動、停止。

環路濾波器采用有源比例積分濾波器。它具有低通特性和比例作用，相頻特性也有超前校正。

因為環路濾波器的帶寬較窄，相應地環路快捕帶也較窄，對于中心頻率變化范圍較大的輸入信號，單靠環路自身捕捉是很困難的[1－7]。設計采用變速掃描輔助捕捉電路以加快環路的捕捉速度。掃描電路設計成數字自適應變速掃描方式，掃描波形為三角波。I/Q混頻器正交支路輸出的相位誤差電壓經環路濾波器后和掃描波相加，來控制VCO的變容管。當環路失鎖時，鑒相器輸出差拍信號，失鎖監測電路監測到該信號后觸發掃描波發生器去控制VCO。差拍頻率越高，掃描速度越快；一旦輸出中頻頻率靠近參考信號頻率，掃描速度自動變慢并在環路鎖定后停掃，環路完成捕獲。

1.4 自動增益控制電路

在通信、導航、遙測遙控等無線系統中，由于受發射功率大小、收發距離遠近、無線電波傳播衰落等各種因素的影響，接收機所接收的信號強弱變化范圍很大，信號強度的變化可能相差幾十分貝，如果電路增益不變，則信號太強時會造成接收機的飽和或阻塞，甚至使接收機損壞，而信號太弱時又可能被丟失。因此，在接收微弱信號時，希望接收機有很高的增益，而在接收強信號時，接收機的增益應該減小一些。這種要求靠人工增益控制來實現是困難的，必須采用自動增益控制電路，使接收機的增益隨輸入信號強弱而自動變化[1－7]。

用自動增益控制電路對系統的增益進行控制，可使I/Q混頻器前的中頻信號幅度保持恒定，以完成單通道單脈沖跟蹤信號幅度歸一化。

圖4 自動增益控制電路Fig.4Block diagram of AGC

芯片AD6459集成了增益控制中頻放大器，可提供高達76 dB的增益控制范圍，電路的總增益（用dB表示）與該控制端的電壓呈線性關系。增益控制輸入端“GAIN”（13引腳）接收來自AGC檢波器或者數模轉換器的控制電壓，其電壓范圍要求在0.2～2.25 V之間。該端電壓為0.2 V時，系統增益最大；電壓為2.25 V，系統增益最小。增益控制的斜率受控于“GREF”端電壓，可通過調整該端電壓來調整增益控制斜率，該端電壓為1.2 V時，斜率為27 mV/dB。

在UHF混頻器的另一輸出端接一個寬帶中頻濾波器和AGC電壓檢波器（本設計中用的是AD606，是一個對數放大器），將檢波輸出的電壓與I/Q混頻器同相支路輸出的直流電壓比例相加后送入到自動增益控制端。當輸入信號增大時，檢波出來的電壓必然增大，加在增益控制端的電壓增大，中放和混頻器的增益減小，這樣就可以使輸出電壓保持恒定。

2 工程實現

鎖相接收機主板是該工程跟蹤接收系統的核心部分，集成化電路結構由一塊300 mm×140 mm印制板實現。由AD6459芯片組成中頻接收模塊。由MAX2605組成59.3 MHz壓控振蕩器（VCO），該單元電路為窄體封裝SMD集成VCO，需外接一個電感、一個變容二極管和必要的偏置電容，電路就可產生振蕩，調試極為方便。10.7 MHz參考采用QEN92型集成晶體振蕩器。波形為CMOS電平。誤差解調器采用集成電路AD633四象限模擬乘法器，SMD封裝，體積小，調整方便。

3 性能測試結果

對接收機整機實測的結果表明，鎖相環的捕獲時間小于0.5 s、輸入信號動態范圍大于30 dB、自動增益控制精度和線性均達到或優于預先設計的指標要求，圖5為接收機主板信號輸入電平和自動增益控制電壓曲線。

圖5 接收機主板信號輸入電平和自動增益控制電壓曲線Fig.5Receiver motherboard signal input level and AGC voltage curve

V01為對數放大器檢波輸出電壓，隨輸入信號的增大線性的增大；Vagc為AD6459增益控制端的輸入電壓，隨輸入信號的增大線性的增大；V02為I/Q混頻器輸出的直流電壓，在增益控制的范圍內，該電壓基本保持不變。

4 結束語

該集成化中頻鎖相接收機已應用于某衛通地球站天線跟蹤系統，大量的動態性能實驗表明接收機參數穩定，同時使跟蹤系統的可靠性也得到較大的提高。

[1]曾興雯，劉乃安，陳健.高頻電路原理與分析[M].西安：電子科技大學出版社，2002.

[2]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，2002.

[3]陳邦媛.射頻通信電路[M].北京：科學出版社，2006.

[4]拉扎維.模擬CMOS集成電路設計[M].西安：西安交通大學出版社，2003.

[5]Randall W R.Oscillator design and computer simulatioan[M].Hardcover，Prentice Hall，1995.

[6]謝自美.電子線路設計實驗測試[M].2版.武漢：華中科技大學出版社，2003.

[7]馮愛霞.衛星通信地球站天線控制系統步進跟蹤接收機設計[J].現代電子技術，2005，28（9）：27－29.FENG Ai-xia.Design of step tracking receiver in satellite communi cation earth station antenna dontrol system[J].Modern Electromics Technique，2005，28（9）：27－29.