（通信与信息系统专业论文）伪码调相定距系统应用技术研究.pdf

硕士论文伪码调相定距系统应用技术研究 t h e a u t o 。 n l ation fi m c t ion of奴 p seu d o cod e iss 加 苗 血 to让 旧 t ofth e w hi ten o i se， w hi chh asthe r and o 而c ity. t b e d 该ance -d et e m 汕 圈 ti ontec肠q ue勿p 咒 u d o 一 介 m d o mco山 j ust w o rk s onthe b asis of面s c h 出 渔 ct e ri sti c . t b e p se u d o . r 助d o m以 记 e h a s e x c e n ent c ut-o ff 件雨助胡叱ofthe di s 切 口 c c ad d slro n g 胡 t i -j 翻 比 田 肚 n g c a p abi】 i ty . it h asa b r o adapnlic at i o n 讲比 伴 c tive . inthis p a per ， some 钦y te c 俪q 此5 毗 di sc uss e din v o i v ed indesi 脚ng th e di s 恤 nc e 口 d e t e n n i n a t i 0 n sys t e mofthe m-se q u e n cep 抽 阴m o d u l a t i o n . t h e m aj orw o r k ofth e di s se rt at i oncon ta i n s se v e r a 1 po1 n ts s h o wn belo w: 1 . w 七 i n t r o d u c e the tr a i t o f th e p s e u d o 魂m d o mc o deand the p n n c i p leo f the c i rc u i t o f the di s 加 口 c e 一 d e l e n 刀 inati on system . 衍 us ing so丘 w 别 ren aj 叮 e dlse6.zb 如dxil i n x ， 5 x c 9 5 1 44 c p l d we canb ul l d价se q u e n ce gen 月 r a t o randthe d ig i tal c o rrel atoro f m-se q 此ce. by usin g the so ft w ar e m0 dels 油s e 6 lbwe s 如u 】 ate the p r o g r 副 mofv h d l 2 . w七i n t rod u c ethes 奴 u c ti 甘 eandtr ai t o f z 。 一 i ft ra 别 sc e i v o rsandr e “盆 v e r s andthe 山 印尽o f b p s kb y using 山 e mod u l a to r a d 8 3 4 9 and d e m o d u l at o r a d 8 3 4 7 we c andes i gn 也 e mod u l atio n c ircuitand d e m odu l atio n c ircultoft h e 盯s t e m . 3 . we i n t r o d u c e the st ru c 奴 叮 e ad d p ri o c 币 leofp l landdi s cuss th e s p urofo o t p u t 丘 七 q u e n c y spec t n ” n 即 d the noise c h ar a c t e r ofp h ase. b y usi n g th e i n t e 邵 川 目s y n t h e s i zcr 明d v c oa d f436o 一 o we b ul ldthe c i rc u it ofthe freq u e ncy so切 rc e k ey words :m 一 s e quenc e ，m一 s e 叨enc eg e n e r a t o r， d i g 1 t a 1c o rr e 1 at o ro f m 一 s e q u e n c e ，z e ro一 if，b p s k ， p h as e l o c k e d l o o p 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人己 经发表或 公布过的 研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己 在论文 中作了明 确的说明。 研究生签名: 年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向 有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内 容。 对于保密 论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:年月日 硕士论文伪码调相定距系统应用技术研究 1绪论 1 . 1 无线电 定距技术概述 二战中随着雷达技术的发展和战争的需要， 人们发明了无线电引 信。 无线电引信 技术是一种无线电定距技术， 其大多数原理如同雷达， 它通过无线电 波来探测目 标并 判断目 标的距离是否在要求的范围内。 随 着电 子技术的发展， 由 无线电引信发展而来 的无线电 定距技术在各种民用场合也得到了 广泛的应用， 如在宇航， 在交通管理的自 动化上， 车、船、飞机的防撞， 在工业生产的自 动化上，防盗报警等。 无线电定距技 术的工作波段包括米波、分米波、厘米波和毫米波;在使用器件上也经历了从20 世 纪4 0 年代的电子管型、 50年代的晶 体管型、60年代的固体电 路型、发展为70年代 的特制集成电路型，进入80年代后，随着电子技术的飞速发展出现了较为复杂的电 路; 工作原理上包括连续波多普勒体制、 脉冲多普勒体制、 频率调制体制、 脉冲调制 体制、 噪声调制体制和捷变频体制等1111 2113l40il 。 1 ， 2伪码 调相体制的 优越性 噪声体制是指发射被噪声调制的载波信号， 并采用相关接收技术的定距系统。 噪 声信号是非周期信号， 其模糊函数图是“ 图钉” 形， 所以其具有良 好的距离和速度鉴 别能力及良 好的抗干扰性能， 但是噪声是随机信号， 不能复制， 无法加以利用。 伪码 体制是指发射被伪码调制的载波信号。 伪码是伪随机码的简称， 它具有良 好的“ 随机 性” ， 它的自 相关函数接近于白噪声的自 相关函数 ( 咨 函数) ，即有窄的相关峰和宽的 功率谱密度， 使它易于从其它信号或干扰中分离出来。 其“ 伪随机性” 表现在具有一 定的规律性， 预先可确定性和重复性， 使它易 于实现相关接收。 而且伪码在有良 好的 抗干扰性能同时还解决了抗干扰性与提高灵敏度之间的矛盾。 具体来说伪码体制具有 如下的优越性: 1) 测距， 测速精度高，同时具有良 好的距离和速度分辨能力。 精度不受距离远 近的影响， 只取决于伪码的比 特速率，比 特速率越高， 相应的 测距定距精度 就越高，测量性能越好。 2) 具有很强的抗千扰能力。 a :难于侦察到调制参数，难于实现回答式或瞄准 式的有源干扰。 b : 对地面和海浪杂波以及其它有源干扰信号有极强的抗干 扰能力。当这些杂波干扰信号比回波信号大几千倍时，也能把目 标信号提取 出 来。 c : 对无源干扰反射体( 假目 标) ， 可以 通过选择多普勒放大器的频带， 消除误动作的可能性，可以 满足距离截止特性要求。 3) 非常适合于攻击低空的目 标。 硕士论文伪码调相定距系统应用技术研究 4) 伪码体制是噪声体制的一种数字模拟实现方案， 伪码信号本身及其延迟样本 皆可用数字逻辑电路产生，实现起来比较容易。 因此， 对连续波进行伪码调相是一种理想的定距体制， 它既能克服一般体制如连续波 多普勒体制等存在的距离选择性不够好， 鉴别力差的缺点， 又能解决由于随机噪声序 列元素是随机的。 系统接收端不可能产生一个随机信号与发端信号完全一致的矛盾。 1 . 3伪码调相定距系统的工作原理 伪码调相定距系统采用二相相移键控调制方式， 又称为b p s k调制， 其原理框图 如 图1 . 3 . 1 所 示 它 有 射 频 振 荡 器、 0/ 二 调 相 器 、 伪 码 产生 器、 延时 器、 相 关 器、 混 频器和信号处理单元等组成。1111 411 ” 图13 . 1 伪码调相定距系统原理框图 各级信号如下 ( 图1 3 1 中已 标明 位置) : 发射信号 u(0 二 a co s 卜 ot + 烈 双 妙 】(l . 3 . 1) 式中 ，式为发 射 信号 的 幅 值;叭为 载 波角 频 率;五 夕 阳为 伪随 机m序 列， 其值为 1 或 0 . 回波信号 vr 似= a.co s( 叽+ 叱)t + 泥 泪 竹 一 司(l . 3 . 匀 式中，a，为回 波信号 幅度;口 ， 为多 普勒 信号 角频率;r 为反射信号 延迟时间。 2 硕士论文伪码调相定距系统应用技术研究 混频器输出信号 砂二 (t)= 人m，(t一 砂 cos 佃j t) ( 1 . 3 . 3 ) 式中，ax是混 频后信号的幅度;m， (l 一 吟为 伪随机m序列， 其值为1 或一1 . 由上式可知， 混频器的输出信号是伪码序列和多普勒信号之积。 波形如图1 . 3 . 2 所示。 _一朋 卫 月 朋树 哪业 刊 日 打 朋 月 队 朋打 孤 田 ( a)m 序列信号 (b) 多普勒信号 (c )混频器输出信号 图1 . 3 . 2 伪随机序列，多普勒信号以及混频器输出信号 相关器的输出信号 u ， 仕 ) = r ( f 一 l to ) c o s 佃 t)( 1 . 3 . 4 ) 由上式可知， 相关器的输出信号是伪码序列的自 相关函数与多普勒信号之积。 波 形如图 1 . 3 . 3 所示。 图1 . 3 . 3相关器的 愉出波形 信号处理 硕士论文伪码调相定距系统应用技术研究 信号处理单元是由峰值检波器、比较器和执行级组成，如图1 . 3 . 4 所示。 图1 . 3 . 4信号处理器的构成图 u ，是归 一 化比 较电 平， 其 值为0 u， 1 . 峰 值 检 波器的 输出 u 。 为 u 。 二 r ( r 一 l 。 )t 其归一化波形如图1 . 35 所示。 ( 1 . 3 . 5 ) !卜 - 一 一 一 - 一 认. 沙灿 图13 . 5检波器的输出波形 当检波器的输出 信号幅度大于或等于比 较电平时， 比 较器输出启动脉冲， 系统就 输出启动信号. 1 . 4论文工作和各章的 主 要内 容 伪随机码具有良 好的距离截止特性、 相关特性、 定距精度和抗干扰性能， 因此对 伪随机码体制定距技术的研究具有重要的意义。 本论文主要是在己 有伪码调相定距理 论的基础上设计m序列伪码调相定距系统。论文共分为六章: 第一章绪论介绍了 无线电 定距技术的 发展历程， 伪码调相体制的优越性， 伪码调 相定距系统的工作原理以及论文的主要内容。 第二章介绍了m序列信号的基本特性、 相关函 数和功率谱以 及定距系统中m序 列参数的选择。采用美国xili联 公司的cpld可编程逻辑器件，结合 i se 软件平台， 完成m 序列发生器的设计与调试， 并利用仿真软件雨d elsim 对m 序列产生器的v hdl 硕士论文伪码调相定距系统应用技术研究 程序进行了时序仿真。 第三章介绍了锁相式频率合成方法的工作原理， 并对环路相位噪声和瞬态响应进 行了讨论。利用 a di 公司的锁相频率合成芯片 adf 4 36于0和环路设计及评估软件 adisi mpll完成了伪码调相定距系统频率源的设计与调试。 第四 章介绍了 直接上变频的原理和b p sk调制原理， 利用调制器 a d 8 3 49、 d/a 转 换器a d 9 7 08等芯片设计了 伪码调相定距系统的调制电路，并给出了m 序列调相信号 的频谱图。 第五章介绍了直接下变频的原理和b p sk解调原理， 利用解调器a d 8 3 47、 运算放 大器做x 4416等芯片设计了 伪码调相定距系统的解调电 路。 最后介绍了高速电 路板设 计中 布线和布局的一些基本原则。 第六章介绍了相关的基本理论和各种机理相关器的结构， 利用vhdl语言编写了 本地延迟m 序列产生程序和m 序列相关程序，并利用mod elsim 程序对其进行了仿真 验证，最后总结了使用c p ld 过程中的一些个人经验。 硕士论文伪码调相定距系统应用技术研究 2伪随机码的特性及其产生 在五十年代初， p.幼 ， 00伽ard等人发现， 为了同时实现测距测速， 应当 采用白 噪声式的信号， 才能达到最小的测量模糊度. 但是白噪声的产生和复制都存在许多技 术上的困难， 无法加以 利用。 直到六十年代中期人们才逐渐发现了一些既易 产生和复 制又具有白噪声性质的伪噪声编码信号 ( 也叫伪随机序列) ，利用伪随机序列进行测 距， 较完美地解决了测距能力和测距精度的矛盾， 这使得伪码获得了重要的实际应用。 伪随机码有许多 不同的 形式， 各自 都有许多不同的 特性， 应用于不同的场合。 通常使 用的测距码有m 序列、 gold序列、b ent 序列、复合伪随机码等。 它们都具有非常好 的自 相关特性，其中m序列最易产生，在单用户测距系统中广泛应用。g old 序列、 b e nt 序列是广义的伪随机码， 通常用于多 用户测距系统。复合码自 相关函 数的副瓣 峰可以 大大加快检测和跟踪的速度， 多 用于要求实现快捕的深空测距系统中。 本设计 是一个单用户的定距系统，所以 选用 m序列作为定距码比较合适。 在本论文中 伪码 或伪随机码通常即指m 序列。 2 . lm 序列的基本理论 2. l l m序列的 特性 r 级线性移位寄存器可以产生最大周期为万= 2一 1 的序列，这样的序列称为最 大长度序列或m 序列， 巧位。 序列仿真波形如图2 . 1 . 1 . 1 所示。 m 序列具有许多优良 的特性， 尤其是它的自 相关特性， 是最常用的扩谱码序列， 也是精确测距定距系统中 经常采用的一种伪码序列. m 序列具有如下的一些特性阎 151: 图2. l i 几 15位m序列波形 1) 平衡性或随机性 在m 序列的一个周期中， 0 和1 的数目 基本相等，1 比0 的个数多一个，且1 的 个数为2 问， 0 的个数为z p-l一 1 。 2) 移位可加性 某个m 序列与其经任意延迟移位后的序列模2 相加后， 得到的仍是该序列某次延 6 硕士论文 伪码调相定距系统应用技术研究 迟移位后的序列。 如果 将m 序列所有的移位码构成一个编码， 则该编码一定是线性循 环码。 3)游程特性 游程: 序列中取值相同的相继元素称为一个 “ 游程气 游程长度:游程中元素的个数。 。 序列中， 长度为1 的游程占 总游程数的一半; 长度为2 的游程占 总游程的1 /4， 长度为k 的 游程占 总游程数的2 一 全 。 且在长度为k 的 游程中，连。 与连1 的游程数各 占一半。另外，还有一个长度为r 的1 游程和一个长度为 (r一1) 的0 游程。 4 ) 预先可确宁件 m 序列是由移位寄存器的初始状态和反馈网络唯一确定的。 5) m 序列的相关函数是周期的且具有双值特性。 2. 1 .2m序列的自 相关函 数和功率谱 通过对矩形脉冲的不断移位，用取值为+l或一 1 的m 序列元素加权，可得到m 序 列信号表示形式为国: ， _ 兰 m (t ) = 艺艺 re ct ( 一 1 兀一 2 胡几 ( 2 . 1 . 2 . 1 ) 1 .- .， j . 0 孔 1一2 通心 式中re ct (t / tc ) = 其中兀为 码元宽 度， 周期长度为刃 兀的in 其它 n 为码字长度。 序列信号试t)，它的自 相关函数的可以表示为: r( 小 炭 翼 m (ic )m (itc ” ( 2 . 1 . 2 ， 2 ) 由 此式可得m 序列信号的自 相关函数i.j为: 丝 卫1 三 二 丝 互 n 兀 0 月 : 一 之 n 双! tc ， 1 = 0， 1， 2 ， r . ( r ) 六 ( 2 . 1 . 2 . 3 ) 其它 - 曰.且 r.，1吸ee - 显然， m序列信号的自 相关函数是双电平的，最大值为 1 ，最小值为一 1 /n.其自 相关函数波形如图2 . 1 ， 2 ， 1 所示: 硕士论文伪码调相定距系统应用技术研究 图2 . 1 . 2 . 1 . 序列自 相关函数 从图2 . 1 . 2 . 1 中可以得出: l) m序列伪码的自 相关函数可以看成是高度为( n +l) /n 的周期三角脉冲列减去 一个幅度为 1 州的直流分量。随着码元宽度的减小，自 相关函数的波形越接 近于占 函数波形，码元宽度越小，波形越尖锐，定距精度也就越高。 2) 周期n 越长，定距的距离也就越远。在反射功率一定的情况下，要提高系统 的 距离 分辨率， 可 将兀做的 很小， 同 时 将n 相应的 增大， 这 对线 性移位寄 存 器来说是比 较容易的。 3) 当目 标反射延迟码与相关延迟码相对应时，相关曲线出现峰值，当目 标回波 信号延时与相关码延时有差别时，相关器输出降至一 1/n ，可以 通过滤波器来 消除。因而相关器输出幅度 ( 包括多普勒幅值)大大降低了。这就是此种体 制的定距系统所以能提高抗干扰能力和提高检测灵敏度的关键。 m 序列的自 相关函数也可以改写为: ;一兀 r ( 灼= 0 r 一 上1 0 20 刀 幽 式中u 石为门限电 平， 也称比 较电 平. ( 2 . 3 . 2 . 2 ) 另外， 多普勒频率儿对相关函 数的 影响 要足够小 的4 倍时，多普勒频率对相关函数的影响比较小， jl， ” 当码字频率大于多普勒频率 即伪码周期n又必须满足 嘿 n 4 儿 ( 2 . 3 . 2 . 4 ) 4 几tc 伪码周期的选择必须从以 上两个方面进行综合考虑。 m序列长度为巧位. ( 2 . 3 . 2 . 5 ) 在系统调试中， 我们选择的 2 3 3码字频率的选择 当码元宽度、伪码周期确定后，根据式 (2. 3 . 1) 就可以确定码字频率 2 . 4m 序列发生器设计 m 序列可由 移位寄存器网络产生。 该网络由r 级串联的双态器件、 移位脉冲产生 器和模2 加法器组成。 下面以4 级移位寄存器为例介绍m 序列的产生。 4 级移位寄存 器如图2 . 4 . 1 所示1，1。 dz l es目 d3 m序列输出 时钟 图2 . 4 . 1 4 级移位寄存器 规定移位寄存器的状态是各级寄存器从右至左的顺序排列而成的序列， 这样的状 态叫正状态或简称状态。 反之， 称移位寄存器状态是各级寄存器从左至右的顺序排列 而 成的 序列叫 反状态。 例如初始状态是1 11 。 ， 那么几月， 几月， 几 月， 几 月，反 馈 逻辑为:几=马由 几 则由几产生的m 序列为: l 2 硕士论文伪码调相定距系统应用技术研究 d 二 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 由于移位寄存器的初始状态是随机的，它可能是1 ，也可能是0 。如果各级移位 寄存器的初始状态都为0 时， 则模2 加法器的输出将始终为0 ， 这样就不能产生任何 序列。 为了防止这种情况发生， 在图2 . 4 . 1 中还需要增加必要的检测电 路， 具体实现 原理如图2 ， 4 . 2 所示。 序列输出 图2 . 生 ， 2避免0 状态出 现的二 序列产生器 移位寄存器各级不全为0 时， 或非门 输出始终为0 ， 则或门的输出就只与异或门 的输出 有关， 当 移位寄存器各级起始状态都为0 时， 或在运行过程中受到外界脉冲干 扰各级状态为0 ，则或非门的输出为1 ，此时或门输出为1 ，从而可以 避免 “ 0 ” 序列 的产生. 2 .4 . i xjl i n x 公司x c 9 5 0 0 系列c p l d概述 由于伪码调相定距系统应用的目 标环境对重量、 体积以及成本都有比较严格的要 求，因此具有高效率、低成本、可靠性好、功能强大、设计灵活和开发周期短的 c pld /f p g a无疑就成了最优的选择;而且由 于c pld 邝 p g a具有可再编程的特性， 所以m系列的特性参数如码元宽度、 码字长度可根据实际应用需要很方便的改变。 x c 9500 系列的c pld 器件是 兀ll nx公司的一款高性能c p l d，可使用兀li nx的开发 软件is e 进行设计开发，其被广泛应用于通信系统、网络、计算机系统及其控制系统 等电 子系统中。 该系列 器件最大宏单元数 达2 88个， 可 用门 数达6 4 00个， 最小 pi n-to 一 in 时延达 3. s ns，系统时钟可以达到 175 mh z 。x c 9500 系列器件采用快闪存储技术 任 剐 蛇 f l a sh) ， 与 甘 c m 0 s 相比 ， 功 耗明 显 降 低。 该 系 列 产品 均 具 有 is p( 在 系 统 可 编 程)能力， 含有j t a g 测试接口电路， 具有可测试性。 采用isp 技术后，器件的编程就 不需要硬件编程器， 而是只需一根下载电缆通过下载软件和器件的编程接口相连即可 实现。 x c 9 5 0 0 系列器件分为x c 9 5 0 0 5 v 器件、 x c 9 5 o o x l3 .3 v 器件和x c 9 5 0 0 x v2 . s v l 3 硕士论文伪码调相定距系统应用技术研究 器件三种类型。 x c 9500系列器件具有以 下几个特点521 1，3 高密度。该系列器件内有36一 2 88个宏单元，每个宏单元包含一个寄存器，8 00 一6400个等效门，封装引脚44一352 个。 高性能。器件所有信号都有相同的延时，而与其路径无关; 在系统可编程。 所有的x c 9500系列器件均含有j t a g测试接口电 路，具有s v 或3 3 v在系统可编程is p 能力，且可以达到最小1 万次编程尹 擦除次数; 所有的x c 9 5 00器件均采用先进的c m 0 s 0. 35 洲f as t f l a s h技术; s v和3. 3 v工作电 压混合模式。 x c 9 5 00系列器件可在s v正常电压和3 .3 12.s v 的低电压条件下安全。如x c 9 5 005 v系列可支持s v / 3 .3 v ; 保密和抗干扰。 具有先进的数据保密特性， 可以完全保护编程数据不被非法读取 和擦除。另外， x c 9 50o系列器件的每个1 2 0都有一个可编程输出摆率控制位从 而可减小系统噪声。 驱动负载能力强。 x c 9500 系列器件每个输入/ 输出口的复杂电流可达 24m a ， 与 l a tt i c e 的c p l d相比，其负载能力更强，直接驱动l e d显示而无需另加驱动电 路。 增强引 脚锁定功能。 x c 9 5 0 0 系列器件的结构特性着重系统内 编程的要求， 增强 的引脚锁定功能可以避免重做昂贵的印刷电路板。 综合系统的功耗、成本等方面的考虑， 在进行设计时采用了x c95144xl ， 其将 完成m序列基带信号的产生、配置频率合成芯片控制字和m序列的相关处理。 2 :4 m序列发生器实现 m 序列发生器的电 路原理图和实物图 分别如图2 . 4 . 2 . 1 和图2 . 4 . 2 . 2 所示， 整个 口 序列发生器电路由x i l i nx公司的c p l d x c 9 5 1 44xl， 为电路提供3 . 3v稳压电 源的电 源 芯片a d p 3 3 38 和为系统提供参考时 钟的5 0 川2 有源晶振组成。 图2 . 42 . 1 . 序列发生器电 路原理图 硕士论文伪码调相定距系统应用技术研究 3伪码调相定距系统频率源设计 3 ， 1频率合成技术的概况 频率合成技术是将一个高稳定的 标准频率经过加、 减、 乘、 除四则运算， 产生同 样稳定度和精确度的大量离散的频率的技术122 皿 周， 频率合成技术是现代通讯电子系统、 测试仪器仪表、 雷达系统、电子抗干扰系统 实现高性能指标的关键技术之一， 很多电 子设备的功能实现都直接依赖于所用频率合 成器的性能， 因此人们常将频率合成器称为电子系统的 “ 心脏”， 而频率合成理论也 因 此在二十世纪得到了飞跃的发展1，1。 频率合成的理论约于20世纪30年代形成， 技术发展大致经历了直接式频率合成、 锁相式频率合成、直接数字频率合成三代。 直接式频率合成是基准信号通过脉冲形成电路产生谐波丰富的窄脉冲，经过混 频、 分频、 倍频、 滤波等进行频率变换和组合产生， 最后产生大量的离散分量， 但这 种方法频率范围受到限制， 且由 于采用了 大量的 倍频、 混频、 分频、 滤波等装置， 使 频率合成器不仅体积和质量庞大， 而且输出的谐波， 噪声及寄生频率均难以 抑制。 因 此， 这种方法已 经基本退出 历史舞台。 锁相式频率合成是通过锁相环控制本振电路产生相应振荡信号。 在给定的频率范 围内， 能得到与参考晶振稳定度相同的大量离散频率信号。 锁相式频率合成器经过一 定的 发展， 技术已 经达到比 较成熟的阶段。 其主要由 数字鉴相鉴频器、电 荷泵、 环路 滤波器、 脉冲吞吐分频器、 压控振荡器组成，具有相位噪声低， 稳定和杂散抑制好， 输出 频率高， 调试简单，价格便宜等优点， 缺点是频率切换速度比直接频率合成慢， 但仍是目 前应用最广泛的一种方式。 直接数字频率 合成器是随着数字集成电路和微电子技术的发展， 形成的一种合成 方法， 它是利用数字方式累加相位， 再以 相位之和作为地址来查询正弦函 数表， 得到 正弦波幅度的离散数字序列， 最后经d ac变换得到模拟正弦波输出。具有极高的频率 分辨率， 极快的频率切换速度， 频率切换时相位连续，易于功能扩展、 全数字化和便 于集成等优点.在本设计中，我们采用了 锁相式频率合成的方法设计频率源. 3 ， 2锁相环的基本原理 锁相环路通常由 鉴频鉴相器、 环路滤波器( l f)、 压控振荡器( vco)等组成110 11 对 11 川。 其 结 构 如图3 . 21 所示， 图 中 的 鉴 频 鉴 相器 对 输 入 信号巧 (t)与 压控振荡 器 输出 信号 vo (t)的 相 位 进 行比 较， 产生 误 差 相 位， 经电 荷 泵 对 环 路 充 放电 ， 形 成 误 差电 压与 (t); 环 路 滤 波器的 作 用是 滤除 误差电 压璐 (t)的 高 频成分 和噪声， 井且能 改善 锁 相环路的 噪声性能; 压控振荡器的振荡频率将受环路滤波器输出电压控制。 在锁相环路工作正 l 8 硕士论文 伪码调相定距系统应用技术研究 常时， 输出 信号的 频率与 输入信号的 频率相等， 即儿= 厂 。 而 刃 鸳于 沪 图3 . 21锁相环路 锁相环路的跟踪原理如下:当 环路无信号输入时， 压控振荡器在“ 自由振荡” 状 态， 其振荡 频率为刀; 如果环路得到 输入信号， 振荡器 对输入信号的 相 位进行比 较， 产生误差电 压， 该误差电 压经环路滤波后， 控制压控振荡器的振荡频率和相位， 使两 个 信号的 振荡 频率 和相 位差 减小。 如果 输入 信号的 频率不 和刀很接 近， 那么锁 相 环 路的反馈特性会使压控振荡器与输入信号同步. 在锁相环路中， 合理的设计使压控振荡器等器件工作在线性区域， 此时锁相环可 看成线性系统。鉴相器输出电压是其输入信号间相位差的线性函数，即 (t)二 凡典 (t)( 3 . 21) 可得， 风(t)= 只 (t)一 凡kof (p ) p 又(t ) ( 3 . 2 . 2 ) 经傅立叶变换为 久( 5 ) = 只 (s ) 一 凡犬 助 z(s) s 风(s ) ( 3 . 2 . 3 ) 式中 ，氏 ( 5)、 矶 ( 5)分别 为氏 (t)、 风 (t) 的 拉氏 变 换。 根据线性环路的模型， 得出下列传递函数。 1) 环路开环传递函数为 g ( 5 ) =凡尤 脚 2 ( s ) s ( 3 ， 2 ， 4 ) 即 ， g (s ) 就 是 环路 断 开 时 环 路 中 串 联 环 节的 总 传 递函 数。 2 )环路闭环传递函数 h( 5 ) 二垦 二 丝= 只( 5 ) 凡 ( 5 ) 二g ( 5 )二凡 尤 卿2 ( 5 ) 风 少 ) + 久 ( 5 )1 + g ( 5 ) j + 凡k o2 ( 5) ( 3 . 2 . 5 ) 3 )误差传递函数 侧5)=鱼 过= 巩 ( 5 ) 一 风 ( 5) 风(s )氏 ( 5) = 卜万 树二 一- 一兰 一一一 十 凡尤 而2 (s) ( 3 . 2 . 6 ) 硕士论文 伪码调相定距系统应用技术研究 3 . 3环路相位噪声分析 任何信号都包含有随机相位噪声和周期性的杂散干扰. 所以信号的 频谱的纯度是 指这两种相位噪声的含量程度。它是衡量信号质量的重要指标之一阴。 环路的基础结构如图3 . 3 . 1 所示1101， 可得出 环路中 各点的传递函 数方程， 见表 3 。 3 . 1 。 图3 . 31环路的基础结构 来源传递函数 晶体振荡器 三。 g ( 5 ) r i + g ( 5 ) h r分频器 g ( 5 ) 1 + g ( 5 ) h n分频器 g ( 5 ) 1 + g ( 5 ) h 鉴相器 上 。 g ( 5 ) 凡1 + g ( 5 ) h vc o l 1 + g (s ) h 表3 . 3 . 1 环路中各点的传递函数方程 其中h = 1 / n ，g ( : ) = 凡犬 而 2 ( 5 ) s 通过上表可以看出 在晶体振荡器、鉴相器、r 分频器、n 分频器中引入的噪声， 硕士论文 伪码调相定距系统应用技术研究 “ 的 传 递 函 数 都 包 括 、湍下 ， 即 环 路 的 闭 环 传 递 方 程 由 此 可 确 定 环 路 的 带 宽 、 和相位余量为: iig u 典 ) h ll 一 1 (3 . 3 . 1) 1 80一 之 g 仃 叭) h= 沪 闭环函数可简化为: 一 卫过一二 1 +g( 5 、 h g ( 5 ) n g ( 5 ) 口 口c (3 . 3 ， 2) 闭环函数的频率响应图如图3 . 3 . 2 所示: 厂“ 沟 闭环传递函数 而v c o 的噪声传递函数为 l 1 + g ( 5 ) h 口山c (3 . 3 . 3 ) vco 的噪声传递函数频率响应图如图3 . 3 . 3 所示: 翩 图3 ， 3 . 3 v c o 的噪声传递函数 因此可见带内的噪声主要由 鉴相器、 r 分频器、 n 分频器和晶体振荡器决定， 对带内 噪声的作用非常小。 可近似认为噪声电 压提高了n倍， 功率提高了n z 倍。 鉴相器、r 分频器、n 分频器和晶体振荡器中，鉴相器的作用占了绝大部分的因素， 但它的噪声功率与比 相频率呈正比， 即与n 值成反比， 所以实际相位噪声恶化了大约 101gn。 带外的噪声主要由vco 决定， 目 前v co芯片都不同程度上存在闪 烁噪声、 白 2 l 硕士论文伪码调相定距系统应用技术研究 噪声等因此只有在不同的情况下， 具体分析所用的器件， 达到合理的组合， 合理设计 环路，使相位噪声满足设计要求。 3 . 4锁相环的瞬态响应 当锁相环的程序分频器n 改变时， 频率发生跳变， 而频率改变的时间主要取决于 环路滤波器的设计， 下面我们就将以三阶环路( 见图3 . 4 . 1 ) 为例，给出其自 然谐振 角频率和阻尼系数的 推导方程，并由 此为例推导出 三阶环路的瞬态响应1911，zl. 图3 . 4 . 1 三阶环路 三阶环路滤波器的传递函数为: 2 ( 5)= 1 + . ko 5 * ( s z k : + skz + 凡) (3 . 4 . 1) 其中， ko “ c z 凡 凡“ qqq凡凡 kz 二 czqrz+ c c z r : + qc ， r 3 + qqr 3 凡= q+ q+ 几 由此得出闭环传递函数为 c 乙 ( 5 ) = k o k on o 十 s*ko) ， * 戈万 + ， ， * 尤 2 万 + 5 ， * 凡万 + 5 * 凡k oko+ 凡尤 ” 刀 (3 . 4 . 2) 大量的实验证明， 在忽视过调的情况下， 二阶及二阶以上无源滤波器的锁定时间 基本相同1121。 又因为 l i ms y ( 5 ) = l i my (t ) (3 . 4 . 3) 因此环路传递函数可简化为 以. ( 5)= ( k k 。、 - - 二 - 一 二 二 二卜( 1 +j 人 。 ) 气刀 人 3) (3 . 4 . 4 ) 5 2 + 5 . 定义 硕士论文伪码调相定距系统应用技术研究 上 无 乃阴e= 几一 关 币 二 了 1 一 z r z q 枷。 + 丑 2 ， q， 口 。 ， 匆. ( 3 。 4 . 5 ) 可得出根为 . 、 好、 不歹 当 起初p l l 锁定在厂， 改 变n 值， 使频率 锁定 在人， ( 3 . 4 . 6 ) 可认为改变参考频率石 / n 变为人/ n，由 拉普拉 斯反变换可 得时 域的响 应函 数为: f (t，= 儿 ( 一 几 ，一 卜 。、 厂 一 二 下 _ 、 一r ， c，口 . “ ， 一 一 ， 十 玉下李一 sin(ea 砰月 ( 3 . 4 . 7 ) 时域的响应函数如图3 . 4 . 2 所示 厂一珍， 枷 ， 鲜 场 血 n 卫 介哗缪 嘴一 盆一 一 ._ 一 _n 泪 。 助，. ， 厂 肠. 切 侧 . 心知娜 加 上 h l 甘. 甲. y 图3 . 4 . 2时域的响应函数 括号内的最大值为 1 一 2 灵 z q 。 。 + ( 及 2 c 2 。 ， ) ， ( 3 . 4 . 8 ) 所以锁定时间如式 (3 . 4 . 5)所示，大多数情况下可简化为 乙 口 无 对阴e= 人一 厂 * 寸 1 一 2 匆 。 ( 3 . 4 . 9 ) 3 . 5频率源电路设计 3. 5.1锁相频率合成芯片adp43 60刁 在进行伪码调相定距系统的设计中， 频率 源输出的 载波频率为瓜。 = 2 4 5 g 石 令 的 点频，考虑到p cb板空间和电磁兼容等方面的因素，设计采用a di 公司集成锁相频率 合成芯片a d f 4 3 6 o 一 0 。 a d f 4 3 6 o 一 0 是美国a di公司生产的高性能锁相频率合成芯片组 ad以3 60中的一款， 其采用cp一 2 4-2 封装。 其内部结构如图3 . 5 . 1 . 1 所示，内 部集成压 硕士论文 伪码调相定距系统应用技术研究 控振荡器， 其设计简单， 主要用于无线发射机和接受机中，为上下变频提供本振信号。 由于其具有体积小，不需要外接压控振荡器，且整个系列频率范围很广的优点，所以 非常适合于伪码调相定距系统。 adf436o 一0 主要有数字鉴相器、电荷泵、 r 分频器、 a 、 b 计数器、 双模前置分频 器( p /p+l) 和内部集成压控振荡器等组成，内部结构如图3 . 5 ， 1 . 1 。数字鉴相器对r 计 数器与n 计数器输出的信号进行相位比 较，得到一个误差电压。14位可编程r 分频器 对外部参考晶振分频后得到参考频率，可编程6 位a 计数器、13位b 计数器及双模前 置分频器p / p +l共同完成主分频比n( n:bp+a) 。只需外加环路滤波器，选择合适的参 数 值， 即 可 获 得 稳 定 的 输 出 。 输 出 频 率儿 沂= .式 叱 刀 = n 认即 / 劝= n 几 印卜 尹 玉 “ ， 为 参 考 频 率 ， 鉴 相 频率f 赫 .八 那 / r (fp阳 8 五 打 吞 ) ，n = p 、 b + a ， 其 主 要 工 作 特 性 如 下 4 吕 1 1 4 9 1 。 ( 1 ) 工作电压:3 . o v 3 . 6 v ; ( 2 ) 输出信号功率可控范围:一1 3 dbm 一 6 db亚 ( 3 ) 三组可变程控制计数器8 / 9 、1 6 / 1 7 、3 2 / 3 3 ; (4) 引 脚左 五 汽 月 最大输入频率为2 50 栩2 ; ( 5 ) 能够进行模拟和数字检测; ( 6 ) 具有良 好的相位噪声; ( 7)内部集成vc氏 ( 8 ) 输出频率范围为2 . 4 g 乃 肠 2. 725 g 石 压。 图3 . 5 . 1 . i adf 4 36o 一内部结构框图 硕士论文 伪码调相定距系统应用技术研究 3. 5 )环路滤波器设计 环路带宽的选择关系到系统的噪声性能， 应该考虑到环路锁定的时间、 相位噪声、 稳定性及参考源杂散的抑制1321。 p l l 系统的总随机相位噪声可用式3 . 5 ， 2 . 1 衡量: 尸 浑 、=尸 n 二+ 2 0 1 0 g n+ 1 0 1 0 9 凡阴( 3 . 5 . 2 . 1 ) 其中 尸 刀 刃 tal为p ll整 个系 统 的 相 位 噪 声， 尸 那 肠 侧为 锁 相 频率 合 成 器自 身 的 相 位 噪 声. 20lo g n是一个与主 分频比n 有关的 噪声增量。1 o l ogfp阳 是和鉴 相频率 有关的噪声 增 量。为减小相位噪声，可选择较大鉴相频率。对于 pll 频率源总是存在着锁相时间与 杂散抑制指标间的制约。因为环路带宽越窄，杂散抑制度高，同时鉴相频率低，锁相 时间增大， 实际应用中环路带宽一般选择为鉴相频率的1 湍。 在设计环路滤波器时使用 了a d i 公司提供的锁相环路电路设计和评估工具软件adlsi mpl l ， 它可根据设计指标和 选定的器件给出环路滤波器各元件参数并对设计的锁相环路进行功能分析。在设计中 选用三阶环路滤波电 路如图3 . 5 . 2 . 1 所示， 输出 频率为不 饮 ， = 2. 45g 石 肠 ， 参考频率为 爪石 = 50 五 介 无， pf d 的 相位 检 测 频率为寿 f d = 1 00k 石 rz ， 相 位裕量 为4 50， 环 路带宽 为 10khz ， 参考分频比r 二 5 00。 利用a d i si 解ll仿真软件可计算得环路滤波器中几个元件 参数为 c l = 2 6 8 p f ， c z 二 3 . 6 4 n p ， c 3 = 1 2 2 p p ， r l 二 1 2 . 2 价， r z = 2 5 . 0 柳 。在实际的电路调试 时，考虑到 pcb板参数等因素的影响，环路滤波器各元件的实际参数值为: c i 二 3 3 0 p f ， c z 二 3 . g n f ， c 3 二 1 5 0 p f ， r i 二 1 1 价， r z 二 2 2 价 .用仿真软件对系统分析得相位噪 声如图3 . 5 . 2 ， 2 所示. 图3 . 5 . 2 . 1环路滤波器 p 卜. ， .倪 心 卫 . .班 召月白0日 东 _ _ 1 二 引 r 朴一 月 . -. ， . . . . . . ， 卜 ， -普 一 - 碑李军势:一 : ;:二 竺 巴 一诵 二 拼荆 沂二一升 卜、卿 落 一: 一气 簇 县 毛岁多少一 一 下刃熟 熬 . 州 门 门一 犷 - - 一1 一， 1 - 一1 - 一 飞 厂 一 一 1 ， 一一 一r- - . 门 . 二月 犷 一 一二! 一 气 犷 一爪 吕. . - 一 气 竺:犷 一范 一 飞 - - 一 r 一 1 月 1 - - 一 碑 .-一月子.-一1 睡.1 1丫 - 1 一:厂 一介 洛 了 户 一砚 . 二 .一1 一丫 室乞心一.月.匀上 日 ， . “ . n 叮 “ ， ， 图3. 5. 2. 2 相位噪声