一種測速測距頻率合成器的設(shè)計(jì)

王飛 賀德溪

摘 要：為了解決傳統(tǒng)單頻連續(xù)波只能測量車輛速度，不能測量車輛的距離的問題，給出了一種測速測距的頻率合成器的設(shè)計(jì)方法。針對傳統(tǒng)的調(diào)制連續(xù)波進(jìn)行分析，采用小數(shù)N鎖相器ADF4159設(shè)計(jì)了掃頻頻率合成器，輸出頻率范圍為24GHz～24.2GHz的寬帶頻率信號(hào)。重點(diǎn)介紹元器件的選擇和鎖相電路的設(shè)計(jì)，并用ADIsimPLL軟件進(jìn)行頻率合成器的優(yōu)化。仿真結(jié)果驗(yàn)證了電路的可行性。

關(guān)鍵詞：ADF4159 鎖相環(huán) 調(diào)頻連續(xù)波

中圖分類號(hào)：TN06 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）02（a）-0080-03

隨著公路交通快速發(fā)展，超速行駛、交通事故率偏高是導(dǎo)致交通事故的主要原因。為了減少由于超速行駛引起的交通事故，通過使用雷達(dá)來檢測行車速度。目前測速雷達(dá)頻率合成器使用單頻連續(xù)波，只能測量運(yùn)動(dòng)車輛的速度，不能測距。現(xiàn)階段警務(wù)人員執(zhí)法需要使用雷達(dá)不僅車速測量準(zhǔn)確，而且定位也精確。若采用頻移鍵控方式，頻率合成器發(fā)射信號(hào)兩個(gè)頻率，按照周期方波的規(guī)律所變化，在接收端通過測量兩個(gè)回波的相位差來測量距離，但是當(dāng)多個(gè)車輛運(yùn)動(dòng)或者車輛靜止時(shí)，就很難測量。

另一方面，通過使用單片機(jī)產(chǎn)生三角波電壓信號(hào)，調(diào)制壓控振蕩器產(chǎn)生調(diào)制連續(xù)波進(jìn)行測速和測距，調(diào)制的電路雖然設(shè)計(jì)簡單，但是壓控振蕩器的核心元件變?nèi)荻O管的固有特性，輸出頻率與調(diào)諧電壓不是線性關(guān)系，這樣對測距范圍和測距精度都有很大的影響[1]。雷達(dá)的頻率合成的輸出結(jié)果會(huì)直接影響到測量速度和距離的精度。然而，傳統(tǒng)的頻率合成器價(jià)格較高，電路復(fù)雜，在某些空間狹小的應(yīng)用場合很難滿足用戶的設(shè)計(jì)要求。本文給出了一種基于鎖相技術(shù)產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)，應(yīng)用調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)，來進(jìn)行速度和距離的測量。詳細(xì)介紹頻率合成器硬件電路設(shè)計(jì)和器件的選型，通過電路軟件仿真滿足系統(tǒng)要求。

1 雷達(dá)頻率合成器設(shè)計(jì)方案

根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的任務(wù)目標(biāo)，對該頻率合成器的論證分析，提出了主要技術(shù)指標(biāo)：工作頻率24GHz～24.2GHz，相位噪聲：≤-70dBc/Hz@1kHz，輸出雜散優(yōu)于-60dBc。鎖相頻率系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖1所示，鎖相器采用ADF4159芯片，電路為非線性相位自動(dòng)控制系統(tǒng)。

頻率合成器采用小數(shù)分頻鎖相型ADF4159，小數(shù)分頻能更能夠產(chǎn)生精確的頻率信號(hào)，對測量的距離有很好的精度。鎖相器把晶振輸入信號(hào)的相位與壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位進(jìn)行比較產(chǎn)生的相位誤差，通過鎖相芯片產(chǎn)生負(fù)反饋電壓，該電壓經(jīng)過環(huán)路濾波器進(jìn)行濾除高頻分量后加到壓控振蕩器來控制輸出頻率，從而改變了振蕩器的頻率。振蕩器輸出的頻率經(jīng)過內(nèi)部分頻后又反饋到鎖相器，由此組成一個(gè)相位反饋系統(tǒng)；從而減小輸入信號(hào)與振蕩器的相位誤差。鎖相器用DSP控制來產(chǎn)生調(diào)制連續(xù)波功能，環(huán)路濾波器采用了有源濾波器，它濾除誤差信號(hào)的高頻分量，同時(shí)也能抑制噪聲的干擾，改善相位噪聲。

2 器件的選擇和實(shí)現(xiàn)

為了達(dá)到系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，需要對芯片器件進(jìn)行選擇。頻率合成器主要由ADI公司鎖相芯片ADF4159鎖相器組成。該芯片射頻帶寬13GHz并具有調(diào)制和波形產(chǎn)生功能的小數(shù)分頻頻率綜合器，集成了低噪聲數(shù)字鑒頻鑒相、精密的電荷泵、可編程參考分頻器，具有快速產(chǎn)生連續(xù)三角諧波的功能。快速掃描頻率輸出產(chǎn)生具有測距測速的頻率合成器。芯片的最大特點(diǎn)是它的工作頻率高，使得高頻系統(tǒng)的倍頻裝置得以精簡，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了功耗和設(shè)備成本。內(nèi)部寄存器為雙重緩沖讀寫設(shè)計(jì)，使頻率控制更加穩(wěn)定，通過設(shè)置寄存器可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)頻、線性掃頻、FSK調(diào)制、PSK調(diào)制，在精確工作模式下，它內(nèi)部的小數(shù)頻率調(diào)制器可以實(shí)現(xiàn)零頻差[2]。

壓控振蕩器要保證鎖相環(huán)輸出頻率的要求，對產(chǎn)生掃頻的頻率穩(wěn)定度高，諧波和次諧波抑制特性好，相位噪聲低。器件的選取主要考慮壓控振蕩器相位噪聲、穩(wěn)定度等關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，使用器件時(shí)我們主要考慮掃頻范圍、低相位噪聲、信號(hào)的頻譜純度等，由于雷達(dá)測量距離近，發(fā)射功率不需要太高，所以從小型化和設(shè)計(jì)難易程度上考慮，根據(jù)指標(biāo)要求選用ADI公司的HMC739LP4振蕩器。工作頻率：23.8GHz～26.8GHz，-93dBc@100kHz相位噪聲，輸出功率為8dBm。

3 電路設(shè)計(jì)

環(huán)路濾波器用于濾除鑒相器中的高頻成分，平滑濾波并最終使環(huán)路到達(dá)穩(wěn)定的作用，它是鎖相環(huán)電路的關(guān)鍵部分。環(huán)路濾波器主要控制環(huán)路帶內(nèi)外噪聲、抑制鑒相器輸出電壓中的載頻分量和高頻成分的噪聲，維持環(huán)路穩(wěn)定性的作用，降低了因VCO控制電壓不純而引起的寄生輸出，保證了環(huán)路的性能，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。合理地對環(huán)路濾波器進(jìn)行設(shè)置可以使環(huán)路快速進(jìn)入鎖定狀態(tài)，并有效對雜散進(jìn)行抑制以降低相位噪聲。在實(shí)際應(yīng)用中，通過環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)理論及傳遞函數(shù)，將相位裕度控制在30°～70°之間。設(shè)計(jì)帶寬越大越好，可以有效的抑制壓控振蕩器的噪聲，但是選擇環(huán)路帶寬較大，鎖定時(shí)間越短，但參考雜散和相位噪聲越大，由于環(huán)路帶內(nèi)的相位噪聲主要由參考頻率決定，環(huán)路外的由壓控振蕩器決定，故帶寬要根據(jù)使用情況來選擇，通常環(huán)路帶寬最大不能超過鑒相頻率的1/10。電荷泵電流在寬帶寬模式，必須確保穩(wěn)定性，減少頻率變化中的頻率過沖。

選用的VCO調(diào)諧電壓范圍是1～13V，VCO的調(diào)諧電壓由鑒相器提供，而ADF4159鑒相器的最大輸出為3.3V，不能滿足VCO調(diào)諧電壓的需求，因此必須采用有源環(huán)路濾波器才能將鑒相器的輸出電壓進(jìn)行放大，以使能夠覆蓋VCO的電壓調(diào)諧范圍。電路設(shè)計(jì)有源環(huán)路濾波器采用反相接入為了抑制運(yùn)算放大器引入的噪聲，即不需要修改環(huán)路濾波器的情況下有更快的捕捉時(shí)間，

圖2采用反饋行四階有源濾波器電路，在電路中為了降低運(yùn)算放大器對環(huán)路輸出相位噪聲的影響，采用低噪聲、高速運(yùn)算放大器OP184。運(yùn)算放大器的正向輸入電壓設(shè)置在鎖相器供電電壓的一半，這樣有利于降低相位噪聲。把24GHzVCO內(nèi)部進(jìn)行二分頻，輸出反饋到鑒相器，通過配置Σ-Δ調(diào)制器模式，產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)，該方法無需校準(zhǔn)便可提供掃頻的頻率。

4 仿真結(jié)果分析

利用ADI公司提供的PLL仿真工具ADIsimPLL4.0版軟件進(jìn)行仿真，選擇適當(dāng)?shù)膸捒梢越档拖辔辉肼暎涌飙h(huán)路的鎖定時(shí)間。其參數(shù)設(shè)置為：鑒相頻率為50MHz，環(huán)路帶寬選擇100kHz，相位裕量選擇45°，電荷泵的增益為5mA，壓控振蕩器靈敏度選擇60MHz/V，24GHzVCO內(nèi)部進(jìn)行二分頻，產(chǎn)生輸出頻率的中心頻率為12.1GHz。為了更接近系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)可以計(jì)算出來環(huán)路參數(shù)的初值和軟件進(jìn)行仿真，優(yōu)化的結(jié)果可得圖3。

從圖3可以得出，在12.1GHz（24.2GHz二分頻輸出）頻點(diǎn)，相位噪聲為≤-88dBc/Hz@1kHz，-92dBc/Hz@100kHz。輸出相位噪聲和雜散的抑制都能滿足系統(tǒng)的要求。

5 結(jié)語

本文解決傳統(tǒng)單頻連續(xù)波只能測量車輛速度，不能測量車輛的距離的問題，設(shè)計(jì)了一種測速測距的頻率合成器，利用小數(shù)分頻器ADF4159來產(chǎn)生調(diào)頻連續(xù)波，經(jīng)過電路仿真能滿足系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)，該頻率合成器具有鎖相時(shí)間快、功耗低、頻率穩(wěn)定等特點(diǎn)，通過后級的數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行頻域數(shù)字信號(hào)處理，來提取反射目標(biāo)的相關(guān)信息，來實(shí)現(xiàn)車輛速度、距離的精確的測量。本設(shè)計(jì)方法能夠在車輛跟蹤和警用測速等諸多領(lǐng)域中使用；目前已應(yīng)用于警用測速系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋惠軒.24GHz車載雷達(dá)射頻前端設(shè)計(jì)[D].西安電子科技大學(xué)，2014.

[2] Direct Modulation/Fast Waveform Generating，13 GHz， Fractional-N Frequency Synthesizer ADF4159[Z].ADF4159 Data Sheet，2015.

[3] 王飛，馬勝前.S波段鎖相頻率合成器的設(shè)計(jì)[J].安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，8（4）：16-19.