基于鎖相環載波數字可調的調頻收發系統

郭裕豐，王文虎，李建奇

(湖南文理學院 計算機與電氣工程學院，湖南 常德 415000)

0 引言

鎖相環具有頻率合成、調制解調以及載波同步與跟蹤等特性，在雷達通信、電力電子及航空目標捕捉和遙感等領域有廣泛的應用[1-3]。鎖相環用于信號調制時，分為模擬鎖相環、數?；旌湘i相環和全數字鎖相環。模擬鎖相環和傳統數?；旌湘i相環都存在著受溫度影響、零點漂移、器件飽和以及易受噪聲干擾等問題[4-6]；全數字鎖相環一般采用現場可編程器件，又存在著成本較高，功耗較大等現實問題[7-9]。因此，提出了一種新型FM收發系統，調制部分借助偏置數字調節單元，控制VCO輸出信號的中心頻率，得到載波頻率數字可調的已調信號；解調部分，基于模擬鎖相環進行解調。相比傳統方案提高了抗干擾能力和穩定性、且功耗低。

1 鎖相環中心頻率數字可調系統的結構與原理

1.1 鎖相環原理

鎖相環結構框圖如圖1所示，由鑒相器(PD)、環路濾波器(LPF)、壓控振蕩器(VCO)和分頻器(DIV)構成[10-12]。其中，鑒相器檢測輸入信號uref與反饋信號udiv兩信號的相位差，并將相位差以直流信號形式輸出，即ud。

圖1 鎖相環結構框圖

設：

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)。

通過鑒相器內的乘法器，得到兩信號的乘積(相乘系數設為1)：

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

sin[φ1(t)-φd(t)]}。

(4)

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

(5)

環路濾波器除濾除高頻分量外，也提高了鎖相回路的穩定性。當鎖相回路收到噪聲干擾時，可迅速重新鎖定。信號uc接入壓控振蕩器，控制VCO產生振蕩信號uout。壓控振蕩器的振蕩頻率，受電壓信號uc控制。在一定范圍內，ωo與uc呈線性關系。線性范圍內，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，輸出振蕩信號的角頻率。Ac線性常系數，即壓控靈敏度。

而對鑒相器起作用的是信號uout的瞬時相位，瞬時相位φo(t)與uc(t)為積分關系[8]。

(7)

信號uout頻率一般大于信號uref，故需經過分頻后饋送給鑒相器，分頻器的分頻系數可配置[13]。分頻后的信號udiv與輸入信號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 中心頻率數字可調的FM調制原理

中心頻率數字可調的FM調制原理框圖如圖2所示，由偏置調節單元(Adjustment Bias，AB)、微處理器單元(MCU)和壓控振蕩器(VCO)構成。Sin信號為調制信號，由偏置調節單元調節偏置后得到信號Vo。偏置大小由微處理器ADC輸出信號Vad決定，偏置后的信號Vo控制VCO，得到已調信號Vout，其中心頻率由偏置大小決定。已調信號在中心頻率周圍內隨調制信號變化而變化，頻率變化范圍在頻偏之內[14-16]。

圖2 中心頻率數字可調的FM調制原理框圖

設：

Sin=Asin[ωt+φ]，

則：

Vo=Asin[ωt+φ]+Vad。

(8)

Vo信號由偏置調節單元得到，不存在溫度漂移，降低了噪聲干擾，提高了調制的穩定性，且VCO的振蕩中心頻率數字可調，靈活性更高。相比傳統鎖相環調頻，除去了鑒相器、環路濾波器的使用，偏置信號Vad替換了鎖相環路中反應相位差的直流信號(已濾除高頻分量)，從而取代了鎖相環路的作用。

1.3 鎖相環FM解調原理

如圖3，鎖相環FM解調原理框圖由鑒相器、環路濾波器和壓控振蕩器形成鎖相環路構成。

圖3 鎖相環FM解調結構框圖

已調信號uadj由鑒相器輸入，與饋送回來的壓控振蕩器輸出信號uvco存在相位差，從而得到鑒相器輸出的信號ud，經環路濾波器濾除高頻成分干擾后，得到信號up，即解調信號udem。同時輸入給壓控振蕩器產生同頻信號uvco，形成解調鎖相回路[17-18]。當回路鎖定正常工作后，電路進入跟蹤狀態，鎖相環無失真輸出解調信號[4]。根據所述原理，利用Matlab對FM調制解調進行仿真，波形結果如圖4所示。

圖4 FM調制解調Matlab仿真

2 硬件電路

2.1 FM調制電路

調制電路主要由偏置調節電路和鎖相環電路構成，微處理器單元提供數字調節功能。選用低噪聲、低功耗的運放做偏置調節電路。調制信號(需傳輸的信號，如音頻信號等)與偏置調節電壓一同接入偏置調節電路，偏置調節電壓由微處理器的ADC提供。電路需接去耦電容，以減小噪聲干擾，提高電路穩定性。

圖5 CD74HC7046鎖相環結構電路

調制偏置后的調制信號接入壓控振蕩器的輸入端，從而得到已調信號。采用鎖相環CD74HC7046片內壓控振蕩器，其內部結構電路圖如圖5所示。該鎖相環具有出色的VCO頻率線性度、高抗噪性且功耗低，最大中心頻率高于50 MHz。利用偏置調節電路的輸出信號控制VCO的振蕩信號，故只使用了鎖相環的VCO部分，鎖相環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)。接入已調偏置的信號Sin，可在原中心頻率的基礎上調節振蕩中心頻率的大小。

已調偏置電平大小與振蕩中心頻率大小的關系曲線，實測數據結果如圖6，偏置電平在1.88～2.32 V段，偏置電平與中心頻率呈現良好的線性關系。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據補償，實現中心頻率在30.000 0～38.610 0 MHz范圍內數字可調。當接入調制信號時，VCO的輸出即為已調信號，已調信號無需功放直接接天線電路發射。

圖6 偏置電平與中心頻率曲線圖

2.2 解調電路

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

解調電路如圖7所示，NE564采用5 V供電，已調信號由6腳輸入，解調信號由14腳輸出。其壓控振蕩器和鑒相器分開供電，以保證鎖相環工作穩定。電源引腳入口處，接去耦電容C1和C2。6腳為調制信號的輸入端，7腳為偏置腳。信號輸入時，接耦合電容C3，可解調300 mV以上的輸入信號。4腳和5腳外接電容，構成環路濾波器，用于濾除鑒相器輸出信號的高頻分量，從而得到一個穩定信號給壓控振蕩器。壓控振蕩器內接有定值電阻，外接一個定時電容便可以振蕩。即由C5調節壓控振蕩器的中心頻率(f0)，可選用一固定電容并聯一個可調電容調節，將中心頻率調節到36 MHz。輸入引腳2的電流控制解調輸出的增益和鎖定范圍，調節電位器R3可實現調節流入的電流。解調信號經過直流恢復后由14腳輸出。

圖7 解調電路

3 仿真與實驗分析

采用Simulink仿真，搭建FM調制解調的仿真模型。FM調制解調電路仿真如圖8所示，調制電路由偏置調節單元和VCO單元構成，解調電路由鎖相環路構成。

圖8 FM調制解調simulink仿真電路圖

調制電路中，由常數模塊(constant)提供偏置電壓1.847 V，信號源產生20 kHz正弦信號一同輸入加法器(Add)，調節偏置后的信號接入VCO1，VCO1的中心頻率設置為36 MHz。調制電路VCO1輸出已調信號的頻譜圖如圖9所示，已調信號頻譜以36 MHz為中心，隨調制信號波動。

圖9 調制VCO輸出頻譜圖

解調電路中，由鑒頻鑒相器(PFD)、環路濾波器(低通巴特沃斯濾波器)和VCO2構成。低通濾波器設置為2階，截止頻率設為20 kHz，VCO2的參數與VCO1一致。已調信號接入鑒頻鑒相器(PFD)，得到VCO2回饋信號與已調信號的乘積信號，由低通濾波器濾除高頻分量，得到解調信號。其波形與調制信號波形如圖10所示?？梢姡庹{出的信號與調制信號相比，失真很小，調制解調成功。

圖10 調制信號與解調信號(上為調制信號，下為解調信號)

實物測試時，偏置調節電路調節好信號偏置，在未輸入調制信號時，調壓電路VCO輸出穩定的36 MHz的載波，其頻譜如圖11(a)所示。頻譜穩定在36 MHz，其他頻段幾乎沒有干擾。當輸入20 kHz的正弦信號(調制信號)時，在接收端收到無失真20 kHz的正弦信號，可由示波器測得，見圖11(b)。調頻收發裝置，無線傳輸距離最遠可達20 m，發射系統總功率在50～90 mW之間。

(a)調制電路VCO輸出36 MHz信號的頻譜

(b)解調得到20 kHz的正弦波

4 結束語

借助Simulink仿真對FM調制解調原理和電路進行了理論分析，并實際制作實現了FM調制解調無線收發系統，載波中心頻率在一定范圍內數字可調，傳輸效果良好，可無失真傳輸頻率20 kHz及以內的信號。調制部分利用偏置調節單元，VCO輸出穩定中心頻率可調的已調波，無需鎖定，迅速輸出已調波，且輸出穩定。相比傳統鎖相環調頻，調制電路除去了鑒相器、環路濾波器的使用，減小了溫度影響、零點漂移、易受噪聲等問題的干擾。為進一步精確控制VCO的振蕩中心頻率，可引入反饋，借助模糊PID調節，提升穩定性。