登錄 注冊
購物車0
TOP
Imgs 行業(yè)資訊

0

基于鎖相環(huán)路實現(xiàn)CPFSK中頻調(diào)制器的設(shè)計方案

2021-04-05 10:07:28

頻移鍵控(FSK)是利用數(shù)字基帶信號控制載波的頻率來傳送信息的一種方式。“1”碼用頻率f1傳輸,“0”碼用頻率f2傳輸。FSK信號又可分為2種,一種叫離散相位FSK信號,記作DPFSK,這種信號的波形在基帶信號“0”,“1”交替時,載波相位不連續(xù);另一種叫相位連續(xù)FSK信號,記作CPFSK,他在碼元“0”,“1”交替時相位連續(xù)。CPFSK信號由于其相位的連續(xù)性,不僅具有實現(xiàn)容易、適用頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)、解調(diào)無需相干載波等優(yōu)點,而且避免了DPFSK信號由于在頻率轉(zhuǎn)換點上的相位不連續(xù),而使功率譜產(chǎn)生很大的旁瓣分量,帶限后會引起包絡(luò)起伏的缺點,因此在數(shù)字通信領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。
在實際應(yīng)用中CPFSK信號的實現(xiàn)有許多種途徑,例如采用頻率切換技術(shù)、動態(tài)改變諧振電路LC組件參數(shù)或者直接采用調(diào)制芯片如DDS等。如何在滿足系統(tǒng)功能的前提下,以較少的硬件成本完成CPFSK信號調(diào)制,具有廣泛的應(yīng)用價值。本文介紹在我國磁懸浮列車車地通信系統(tǒng)中應(yīng)用的一種CPFSK中頻調(diào)制器,其核心是基于鎖相環(huán)路的CPFSK信號調(diào)制技術(shù)。系統(tǒng)要求中頻頻率為280 MHz,在信道帶寬25 MHz以內(nèi),對前級編譯碼板提供的碼率為10.24 Mb∕s的數(shù)據(jù)和周期為1 ms,脈寬10~12μs的報頭脈沖信號實現(xiàn)調(diào)制后送至后級的38 GHz毫米波前端。
2 設(shè)計思路及系統(tǒng)仿真
CPFSK的基本數(shù)學(xué)原理就是用數(shù)字基帶信號去控制頻率的切換,完成對載頻信號的調(diào)制,并保持相位的連續(xù)性,從而實現(xiàn)數(shù)字信息的傳輸。在一個碼元時間Ts內(nèi),CPFSK信號可表示為:
當(dāng)θ(t)為時間的連續(xù)函數(shù)時,已調(diào)波在所有時間上是連續(xù)的。若傳0碼時載頻為ω1,傳1碼時載頻為ω2,他們相對于未調(diào)載頻ω0的頻偏為△ω,上式又可寫為:
式中的θ(0)為初相角,取決于過去碼元的調(diào)制的結(jié)果,他的選擇要防止相位的任何不連續(xù)性。對于CPFSK信號有,βf稱為調(diào)制指數(shù)。
傳統(tǒng)CPFSK信號的實現(xiàn)途徑包括以下3種方式:
頻率轉(zhuǎn)換 采用數(shù)字基帶信號控制兩個獨立的振蕩器,通過加法器疊加實現(xiàn)CPFSK調(diào)制。該方式采用了部分?jǐn)?shù)字電路,精度較高,但由于兩個邊頻采用獨立的高頻振蕩器生成,在頻域引入了大量的諧波成分,無法滿足相位連續(xù)的調(diào)制。
直接調(diào)頻 采用數(shù)字基帶信號直接控制LC振蕩回路的參數(shù)改變,實現(xiàn)CPFSK調(diào)制。該方式實現(xiàn)容易,相位連續(xù),但采用了大量的仿真電路組件,頻率精度和穩(wěn)定性無法保證。
調(diào)制解調(diào)芯片 采用成熟的調(diào)制解調(diào)芯片實現(xiàn)。該方式采用了當(dāng)前通信電子技術(shù)發(fā)展的最新成果,直接利用現(xiàn)成硬件加以實現(xiàn)CPFSK調(diào)制、精度高、頻率穩(wěn)定性好,但由于調(diào)制解調(diào)芯片普遍遵循了相應(yīng)的CCITT通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),只能實現(xiàn)特定載頻、特定調(diào)制頻率上的CPFSK調(diào)制,并且硬件成本較高,無法滿足專用領(lǐng)域的應(yīng)用。
綜上所述,該CPFSK調(diào)制器采用基于鎖相環(huán)路(PLL)方式的CPFSK調(diào)制,其原理與仿真調(diào)制相同,一方面可以保證相位的連續(xù)性,另一方面利用PLL的穩(wěn)頻特性可以保證較高的頻率的穩(wěn)定度,并且實現(xiàn)方法簡便。
調(diào)制器原理框圖如圖1所示。
基于鎖相環(huán)路實現(xiàn)CPFSK中頻調(diào)制器的設(shè)計方案
基于鎖相環(huán)路實現(xiàn)CPFSK中頻調(diào)制器的設(shè)計方案
其中數(shù)據(jù)信號為10.24 MHz曼徹斯特編碼信號,為了限制中頻帶寬并減小數(shù)據(jù)信號的碼間串?dāng)_,在數(shù)據(jù)濾波部分采用升余弦濾波器,其頻率特性為:
升余弦特性所形成的基帶波形h(t),除了在本碼元抽樣時刻上不為零外,在其它碼元的抽樣點上均為零值,滿足無碼間干擾的時域條件。不僅如此,他在兩個抽樣點之間還有一個零點,并且他的“尾巴”收斂快,因此這樣的波形對于減小碼間干擾及定時提取都十分有利。
用報頭信號作為開關(guān)的控制信號,實現(xiàn)對10.24 MHz的副載波(來自于前級的數(shù)據(jù)基帶板的參考輸出,以便與數(shù)據(jù)有同步關(guān)系)進(jìn)行幅度鍵控(ASK),將鍵控輸出與數(shù)據(jù)信號合成后送到VCO調(diào)諧端。選用10.24 MHz這個頻率做副載波,從頻譜上看10.24 MHz恰好為數(shù)據(jù)信號頻譜的一個零點,這樣可以有效避免報頭和數(shù)據(jù)信號的互相干擾,利于解調(diào)。此外10.24 MHz還作為單片機(jī)的外接參考。
合成的調(diào)制信號加到VCO的調(diào)諧端,對于鎖在一個點頻上的鎖相環(huán)而言,調(diào)制信號可認(rèn)為是一種干擾,因此PLL的環(huán)路濾波器必須抑制掉調(diào)制信號對載頻的干擾。從鎖相環(huán)誤差傳遞函數(shù)的角度來分析,由于鎖相環(huán)的誤差傳遞函數(shù)He(jω)具有高通特性,因此必須設(shè)計合適的環(huán)路濾波器,讓調(diào)制信號的最低頻率ωm處于鎖相環(huán)誤差傳遞函數(shù)的通帶以內(nèi),從而實現(xiàn)頻率調(diào)制。這種方案在調(diào)制頻率ωm很低,進(jìn)人He(jω)的阻帶之后,調(diào)制頻偏是很小的,這是這類方案的一個顯著的缺點。但由于送入該調(diào)制器的數(shù)據(jù)信號為10.24 Mb∕s的曼徹斯特編碼信號,調(diào)制頻率下限不可能很低,從而避免了上述缺點的影響。
圖2是用SystemView對整個調(diào)制器進(jìn)行系統(tǒng)仿真的框圖和得到的已調(diào)信號的頻譜。

3 實際電路
調(diào)制信號輸入部分如圖3所示,報頭信號輸入經(jīng)比較器AD8611整形后作為開關(guān)ADG736的控制信號,電位器W1用于調(diào)節(jié)比較器的參考電壓,以適應(yīng)不同幅度的報頭輸入。編譯碼送來的10.24 MHz數(shù)據(jù)信號經(jīng)過低通濾波并由電位器W2控制幅度后送入ADG736。ASK輸出和經(jīng)升余弦濾波后的數(shù)據(jù)信號一起送到放大器AD8072放大后送至VCO的調(diào)諧端,電位器W3用于控制合成信號的幅度,從而控制調(diào)制器的調(diào)制度,使已調(diào)信號帶寬控制在系統(tǒng)要求的25 MHz以內(nèi)。
鎖相環(huán)部分如圖4所示,經(jīng)過前面的分析,鎖相環(huán)的環(huán)路濾波器帶寬應(yīng)低于調(diào)制信號的最低頻率。

由于磁懸浮列車行進(jìn)過程中的振動可能會引起輸出頻率的抖動,因此環(huán)路帶寬又必須足夠?qū)捠规i定時間足夠快。綜合上述考慮,環(huán)路帶寬設(shè)計成50 kHz左右,鑒相頻率由單片機(jī)過程控制可選500 kHz,625 kHz,1 250 kHz,2 500 kHz四種,以便通過調(diào)試過程得出一個最優(yōu)值。鑒相器芯片選取帶Charge Pump的LMX2316,其為32∕33雙模預(yù)分頻,外接晶振5~100 MHz,最大鑒相頻率10 MHz,射頻輸入工作頻率0.1~2.8 GHz。由于ChargePump電流較小因此環(huán)路濾波器采用有源濾波器標(biāo)準(zhǔn)反饋結(jié)構(gòu)(standard feedback approach)以獲取較低的雜散。使用NSC的“WEBBECH”工具,可以方便快捷地完成鎖相環(huán)的設(shè)計和仿真。此外12.5 MHz的晶振輸出經(jīng)放大器SNA586放大后送至多任務(wù)器,為后級的毫米波前端提供參考信號。系統(tǒng)提供的發(fā)射控制信號用于實現(xiàn)各發(fā)射站間的信號切換,以避免越站干擾。
最終完成的實際電路如圖5所示。調(diào)制器中頻為280 MHz,已調(diào)信號帶寬25 MHz(可調(diào)),最大數(shù)據(jù)速率可達(dá)15 Mb∕s(死循環(huán)誤碼率10-9)。目前該中頻調(diào)制器已在磁浮試驗線車地通信系統(tǒng)的地面基站和車載移動站中投入使用,性能良好。

高都電子,為客戶創(chuàng)造價值!

雙面板免費加費,四層板加急打樣,厚銅電路板打樣

Xcm