（通信与信息系统专业论文）dmr数字终端锁相调频发射机研究与设计.pdf

摘要 d m r 通信系统是国际e t s i 组织正在完善的最新专业数字移动通信标准，作 为新一代数字通信系统d m r 正在引起越来越多的重视，开发d m r 数字终端设备 也成为市场的迫切需求。 本文介绍了d m r 数字终端设备开发中锁相环调频发射机的设计，首先介绍了 锁相环调频发射机的基本原理，其次详细介绍了发射机的设计，主要包括压控振 荡器，锁相环调频，功率放大器三大模块的电路设计，并且借助计算机软件a d s 对电路设计进行了仿真和优化，接下来完成了电路原理图、p c b 版图的绘制工作。 之后介绍了发射机电路板的硬件及软件调试，最后对锁相调频发射机的各项性能 进行了测试，并根据测试结果进行了相应的分析，总结存在的问题并给出了改进 和完善的建议。 关键词：d m r 锁相环调频功率放大器 a b s t r a c t d m ri st h el a t e s td i 百t a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw h i c ht h ee t s ii s d e v e l o p i n g a st h en e wc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，d m ri se n g a g i n gm o r ea n dm o r e c o n c e n t r a t i o n sf r o mc o m m u n i c a t i o no r g a n i z a t i o n sa n dd e v i c ep r o v i d e r s i ti si n t r o d u c e di nt h i s p a p e rt h a tt h ed e s i g no fp l lf mt r a n s m i t t e ri nt h e d e v e l o p i n go fd m rd i g i t a lt e r m i n a ld e v i c e f i r s ti ti n t r o d u c e st h ef u n d a m e n t a l so fp l l f mt r a n s m i t t e r , t h e ni td e s c r i b e st h ed e t a i l e dt r a n s m i t t e rd e s i g n ，w h i c hi n c l u d e st h r e e - m a i nm o d u l e s ：t h ev o l t a g e c o n t r o l l e do s c i l l a t o r , t h ep h a s e - l o c k c dl 0 0 pf r e q u e n c y m o d u l a t o ra n dt h ep o w e ra m p l i f i e r , i ti st h e nf o l l o w e dw i t hs i m u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o no ft h i sd e s i g nw i t ha d s ；a f t e rt h a ti tp r e s e n t st h ed e s i g no fs c h e m a t i c sa n d p n n t e dc i r c u i tb o a r d ，a sw e l la st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e b u g g i n go ft h i sb o a r d f i n a l l yi tg i v e st h ep e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t ，c o r r e s p o n d i n ga n a l y s i s ，a n ds o m e i m p r o v e m e n ts u g g e s t i o n st ot h e s ep r o b l e m si nt h ed e s i g n k e y w o r d s ：d i g i t a lm o b i l er a d i o ( d m r ) p l lf m p o w e r a m p l i f i e r ( p a ) 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：骧街竹 日期 m ，加 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍为西安电子科技大学。学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 图 瑚c u d 日期枷八蹭、，h 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 d m r ( d i g i t a lm o b i l er a d i o ) 数字通信系统是国际e t s i 组织正在完善的最新 专业数字通信标准，相对于已经成熟的t e t r a 与a p c 0 2 5 两大数字标准，d m r 具有产品成本低、技术简单的优点，并且支持从模拟到数字的过渡。d m r 的发展 无论是在国内还是在国外都处于起步阶段，2 0 0 6 年9 月e t s i 发布了d m r 的空中 接口、语音技术、数字业务及通信协议的相关协议e t s it s1 0 23 6 1 ，新颁布的此 项协议，由于还没有完全成型，现在进行跟踪就可以与国际上其他的研究机构在 技术上保持同步，避开专利技术壁垒，相当于站在同一起跑线上。因此有巨大的 研究开发价值。 射频( r a d i of r e q u e n c y ) 是现代数字通信技术的重要组成部分，许多科学和技 术对于无线通信的发展作出了贡献，但是造就当今移动通信辉煌局面的应首推射 频技术和微电子技术。要实现移动通信必须采用无线传输，同时要实现有效的移 动也要求终端设备体积小，重量轻，耗电小，因此射频技术成为当代移动通信的 基础学科。但是随着移动通信的飞速发展射频却遇到了其设计中的瓶颈。原因就 是t1 ) 射频设计要求设计师具有较宽的知识面，必须通晓通信理论的各种调制机 理和无线通信标准协议，具有随机信号、微波技术、电波传播、多址接入、电路 理论、晶体管特性等各方面的基础知识；2 ) 与基带成熟的数字集成电路相比，射 频电路还处于发展时期需要大量的外接元件，设计困难；3 ) 对于射频电路的设计， 计算机辅助分析和综合的工具还只是处于起步阶段，这些软件只能起到参考的作 用。 1 2 项目来源及主要任务 本课题来源于实验室与南方某移动终端设备制造商的合作项目，开发新一代 d m r 数字移动通信终端设备，即基于d m r 协议的新型数字对讲机，主要包括数 字对讲机硬件及软件的研究，硬件设计包括了基带数字信号处理部分与射频接收 发射机的设计实现，软件部分包括通信协议、语音编码和操作系统的研究。 作者参与本项目并负责射频发射机及接收机的设计与实现，主要任务是： 参与d m r 协议的研究和分析工作； 负责d m r 终端射频发射机接收机的方案设计； 2d m r 数字终端锁相调频发射机研究与设计 通过市场调研进行方案修正和芯片选型； 完成方案终稿并进行原理图的绘制，p c b 布局与布线工作； 完成p c b 的焊接并进行调试及性能改进工作； 对本设计进行总结并实时汇报进展情况。 1 3 论文主要结构安排 本论文主要内容安排为： 第二章主要介绍了锁相环、锁相环调频及功率放大器的基本原理并介绍了锁 相调频发射机的基本结构； 第三章对发射机各部分，包括环路滤波器、v c o 、p l l 及p a 进行分析和仿真， 并且完成各部分器件的选型和电路设计； 第四章主要介绍电路原理图和p c b 的设计、绘制工作，软硬件配置及调试。 第五章给出了调试完成后对于锁相环，锁相环调频及功放工作性能的测试结 果以及相应的分析； 第六章指出了系统中存在的问题及需要进一步改进的地方； 第二章锁相环调频发射机基本原理 3 第二章锁相环调频发射机基本原理 2 1 锁相频率合成器基本原理 2 1 1 锁相环基本原理 锁相环是一个闭环的相位控制系统，能够自动完成两个电信号的相位同步。 实际上锁相环就是一个系统利用相位负反馈实现对另外一个系统相位跟踪的装 置，更精确地说就是一个系统中由振荡器产生的输出信号在频率和相位上与参考 信号或输入信号同步。图2 1 给出了最基本的锁相环原理图【4 】，它主要包括三个部 件：鉴相器( p d ，p h a s ed e t e c t o r ) 、环路滤波器( l f ，l o o pf i l t e r ) 及压控振荡器( v c o ， v o l t a g e - c o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) 。 p i ，i ， 图2 1 锁相环路的基本构成 鉴相器是一个相位比较装置，用来检测输入信号相位o l ( f ) 与反馈信号相位 0 2 ( t ) 之间的相位差见( f ) ，输出的误差信号“d ( t ) 是相位误差见( f ) 的函数，即 ( t ) = 厂 见( f ) 。环路滤波器具有低通特性，能够滤除误差信号 d ( f ) 中的高频成 分和噪声、保证环路所要求的性能并增加系统的稳定性。压控振荡器是一个电压 频率变换装置，其振荡输出频率随输入信号“。( f ) 近似线性地变化，使输出频 率向参考频率方向变化，直到输入输出相位相等。 锁相环的工作原理可以利用它的相位模型加以分析和说明，锁相环的相位模 型图如下： q ( 一仆吃一 u d ( f )“c ( f ) k o 幺( f ) + 一掣 一 u ds i n * 】 f ( p ) p 图2 2锁相环的相位模型 输入相位幺( f ) 与反馈相位吼( f ) 相比较产生出误差相位见( f ) ，由t g e ( f ) 产生出误 差电压“d ( f ) ，u d ( f ) 经环路滤波器f ( p ) 后得到控制电压“。o ) ，控制电压加到压控 振荡器上使之产生频率偏移来跟踪输入信号频率c o s ( t ) 。如果输入频率q ( f ) 为固定 频率q ，“。( f ) 控制v c o 输出频率向哆靠拢，当两者相等并且满足一定的条件锁 4 d m r 数字终端锁相调频发射机研究与设计 相环路就能稳定下来并渐入锁定状态。锁定之后被控的压控振荡器频率与输入信 号频率相同，两者之间维持一稳定的相位差，此相位差是维持误差电压与控制电 压所必需的。 2 1 2 锁相频率合成器基本原理 所谓频率合成又称频率综合，就是将一个具有低噪声、高精度和高稳定度等 综合指标的参考频率源经过电路上的混频、倍频或分频等信号处理以便对其进行 数学意义上的加、减、乘和除等数学运算，从而最终得到具有同样品质的频率源， 频率合成器具有频率范围、信道间隔、频率稳定度、杂散抑制、相位噪声和锁定 时间等多项指标。 锁相频率合成器是由锁相环路( p l l ) 构成的【1 1 。锁相频率合成器是一种相位负 反馈自控系统，利用环路的窄带跟踪与同步特性，将鉴频鉴相器( p f d ) 一端v c o 的输出相位与另一端参考输入的相位保持同步，实现锁定输出频率的功能，同时 可以得到和参考频率源相当的频率稳定度。一个典型的锁相频率合成器原理图如 图2 3 所示，为方便书写，以后各章将以p l l 表示锁相频率合成器，但是有时p l l 也指除参考晶体振荡器和v c o 之外的整个系统，因为这个装置很难集成到p l l 芯片内部。 醋数器p d & c p 图2 3锁相频率合成器基本原理 锁相频率合成器的简单工作原理为：x t a l 为一个参考晶体振荡器，经过r 分频器分频后得到比较频率f e o m p 并作为p d 的一个比较输入，另一个输入是输 出频率经n 分频器后得到的，鉴相器的输出电流均值则是正比于上述两个输入的 相位误差，比例常数为k ，单位是m a ( 2 pr a d ) ，它表征了电荷泵能供给或吸收电 流强度的大小。将电荷泵输出的直流电流值与环路滤波器的阻抗相乘则得到v c o 的输入电压，v c o 本身是一个转换常数为k v c o 的电压频率转换装置。环路 滤波器是一个低通滤波器，通常以分立元器件实现，必须强调的是环路滤波器对 锁相频率合成器的性能有很大的影响，在后面章节中将重点介绍环路滤波器的设 计。v c o 输入电压调整输出相位，以使得n 分频后与比较频率的相位相等，由于 相位是频率的积分，这就意味着频率也是相等的，于是输出频率可以表示为： 第二章锁相环调频发射机基本原理5 而甜：婴删 式( 2 1 ) r 、 上式仅在锁定状态时成立。典型应用中，r 一般为固定值，通过改变n 的值 来得到目标频率。当r 和n 均为整数时，p l l 生成的频率为f e o m p 的整数倍，此 时信道间隔与f e o m p 相等，但对于分数分频，即n 为分数的情况下可以得到比比 较频率f e o m p 小得多的信道间隔。 从r 计数器的输出到v c o 的输入之间的传递函数决定了p l l 的许多重要性 能。这个系统的闭环带宽指的是环路带宽f c ，它是环路滤波器设计和影响p l l 性 能的重要参数，另外一个参数相位裕度f 为1 8 0 0 与开环传输函数相位之差，相位 裕度对于p l l 性能的影响比环路带宽小，但仍是衡量系统稳定性的重要参数。 2 1 3 电荷泵鉴频鉴相器和无源环路滤波器构成的频率合成器 图2 3 中的鉴相器( p h a s ed e t e c t o r ) 是一个完成将n 分频器和r 分频器输出的相 位之差变换为输出电压的装置，由于采用不同的技术，鉴相器输出电压可以直接 应用于环路，也可以通过电荷泵( c h a r g ep u m p ) 转换为电流后再应用于环路。早期 的鉴相器多采用没有电荷泵的电压鉴相器，这种鉴相器实现简单，可以用混频器、 异或门或j k 触发器来实现。这种方法具有较大的局限性，在环路滤波器为有源的 情况下，当目标频率或相位距离v c o 频率或相位较远时不能正确锁定，即使p l l 处于锁定状态，v c o 发生频率漂移时就会失锁，并且电压鉴频器在锁定状态时仍 然存在固定相位差。 现代鉴频器多采用相位频率检测器( p f d ，p h a s e f r e q u e n c yd e t e c t o r ) ，并与电荷 泵一起使用。p f d 将两输入的相位误差转换为电压信号，再由电荷泵转换为修正 电流( c o r r e c t i o nc u r r e n t ) 输出给环路滤波器。采用电荷泵的p l l 相比于传统的电压 相位比较器具有许多的优点因此得以取代后者。由于采用了p f d ，不管初始频率 距离目标频率有多远，也不管是否存在稳态相差，p l l 都能够锁定到任意指定频 率。 传统电压鉴相器已经很少使用，目前主要应用的是具有相位频率检测器和电 荷泵输出的新型p l l ，这种p l l 可以克服传统电压鉴相器的许多缺点。传统电压 鉴相器多采用运算放大器环路滤波，运算放大器的应用增加了设计成本、噪声和 尺寸，因此只有在v c o 所需调制电压较大的情况下才采用运算放大器，而在实际 应用中，无源环路滤波器就已经足够使用了。p f d 的实现方式有多种，随着微电 子技术和工艺的不断进步，p f d 也向更集成化、功能化和小型化发展，图2 4 给出 了一个采用d 触发器和恒流源构成的p f d 原理图【l 一。 6 d m r 数字终端锁相调频发射机研究与设计 l u l u 2 i p p dc pl f 图2 4d 触发器构成、带有电荷泵输出和无源环路滤波器的p f d 在p l l 设计中，相位频率检测器可能是最重要和最难以理解的模块，p f d 比 较r 和n 分频器输出相位并输出修正电压，再由电荷泵转换为修正电流到环路滤 波器。由于相位频率检测器是相位工作模式，因此对p l l 的分析也同样在相位域 进行。图2 5 给出了p l l 在l a p l a c e 域的相位模型。图中v c o 增益除以s ( 积分运 算) 得到相位，如果要求输出频率，只需要将传递函数除以s ( 微分) ，因为相位是频 率的积分，所以p f d 可以检测频率差和相位差。 p f d 工作原理 加 c h a r g e p u m p p d & c p 图2 5锁相频率合成器相位图 “r：旷 i ；i ；：l 一 + k 妒 t r i s t a t e k 矽 图2 6p f d 工作方式举例1 】 图2 5 中加表示v c o 输出相位除n 以后得到的p f d 输入相位，办表示对应 的频率，步表示参考晶振经r 分频器后输出的相位，夕表示对应的比较频率。图 2 6 给出了p f d 相位比较的典型工作方式举例，p f d 对两比较输入的上升沿敏感， 第二章锁相环调频发射机基本原理 7 r 分频器输出为上升沿时，电荷泵正向输出，即若原来电荷泵处于降电流状态则变 为高阻状态，若原来为高阻态则变为升电流状态，如果原来就处于升电流状态则 继续泵入正电流。p f d 对n 分频器输出响应相类似，只不过电荷泵跳变与r 分频 器时正好相反，如此操作即得到了图2 6 所示的结果。 a 伊 l + k 牵 l 一 一4 万一2 石 0 2 石 4 万7 一k 耷 图2 7 p f d 电荷泵平均时间输出 p f d 处理相位差的过程分析： 假设咖和加具有相同的频率但是相位不同，且不失一般性地假设咖比加超 前，定义= 咖一加，则对于矽的不同情况进行讨论： a 矽= 0 时：矽= 0 表明相位差为零，两比较信号在频率和相位上均同步， 理论上说此时鉴相器没有输出，但是由于在实际器件中去死区电路和器件门延迟 的作用，会出现一系列极性交替的电荷泵脉冲。 b 一2 万 矽 2 石：这种情况下p f d 工作于线性区，如图2 7 所示，描述鉴 一一五，工 相斜率即电荷泵增益的式子为：k = 半，为计算及书写的简便起见，通常 2 石 将上式写为k = k ，因为这里在分母上省去的2 p 可以在v c o 增益定义上 得到补偿，在理论与数学计算上都是可行的。k 矽的单位是m a 2 p ( r a d ) 。 c 1 矽i 2 z t ，当相位差超出2 p 时将矽对2 p 取模处理得到相应的误差相位。 p f d 输出为已调规则脉冲信号，经过环路滤波器后变为连续电流信号。将电 荷泵电流近似为幅值等于电荷泵电流时间平均值的连续电流将会简化计算，此简 化计算被称为连续时间近似。虽然这种近似方法在环路滤波带宽f e 与比较频率 f e o m p 在数值上相当时失去了准确性，但在大多数情况下均适用并有助于推导出 分析p l l 必须的传输函数。 离散采样对杂波的影响不是很大，但是如果环路带宽较比较频率宽时，会出 现尖峰效应。离散采样对相位噪声的影响比较大，p f d c p 是p l l 中的主要噪声源 并且比较频率越高p f d 引起的噪声就越大，由于p f d 比较频率越高锁定越快，同 时噪声也越多，因此定义p f d 噪声增长正比于1 0 l o g ( f c o m p ) i 1 】。 d m r 数字终端锁相调频发射机研究与设计 连续时间近似仅在环路带宽相对于比较频率较小时成立，如果环路带宽与比 较频率相当，实际与理论就会出现偏差并且p l l 变得不稳定，环路带宽凡的选取 原则为： f c o m p f c 0式( 3 - 3 4 ) 这表明两反射系数在s m i t h 圆图上的相交与位置关系，其中相交点即为振荡 点，且两向量之间交叉角要小于1 8 0 0 ，详细的推导见文献【1 1 】。因此总结得到振荡 器设计时稳定振荡的条件( s t a b l ec o n d i t i o n ) 为： 1 1 1 s 1 1 i l ； 2 a n g ( 1 s 1 1 ) = a n g ( r 工) ； 第三章锁相环调频发射机结构分析与设计 2 l 3 s m i t h 圆图上1 s l l 与r ，必须相交，并且随着频率的变化向相反方向变化， 交角满足0 y eo17荽h d m r 数字终端锁相调频发射机研究与设计 了比较先进的b i c m o s 工艺，具有低供电电压和低电流的特点，并且内部集成电 荷泵( c p ) 具有1 5 m a 和6 m a 可设置输出电流的功能，增加了电路设计的灵活性， 也可以实时调整以达到更大的频率覆盖范围f 2 3 1 。 m b l 5 e 0 3 s l 芯片内部结构简图见图3 1 2 g 图3 1 2m b l 5 e 0 3 s l 内部功能框图 其中包括了1 4 b i t 串行输入可编程参考分频器r 寄存器，有效取值范围为 r = 3 1 6 3 8 3 ，1 8 b i t 可编程反馈分频器寄存器，其中包括了7 b i t 的吞脉冲计数器a ， 有效取值范围为a = 0 1 2 7 ，和1 l b i t 可编程计数器n ，有效取值范围为3 2 0 4 7 。 m b l 5 e 0 3 s l 采用吞脉冲计数方式，由图3 1 1 及3 1 2 得到频率关系为： 南= m + 彳 玉尺 式( 3 3 8 ) 其中为锁相后v c o 的输出频率，m 为双模预置分频l 匕( 6 4 或1 2 8 ) ，n 为 1 1 b i t 计数器值，a 为7 b i t 吞脉冲预置分频比，厶e p 为参考频率输出，r 为参考分 频比。对于m b l 5 e 0 3 s l 的设置非常简单，只需要对内部两个寄存器通过s p i 总线 输入控制字即可。s p i 总线分为：数据( d a t a ) 、时钟( c l k ) 和使能( l e ) 。串行输入 数据可以分别控制参考分频比和反馈分频比，控制数据主要通过d a t a 线输入， 第三章锁相环调频发射机结构分析与设计 在每一个时钟的上升沿移位寄存器移位锁存一次数据，当使能l e 变高时存储在移 位寄存器中的数据全部锁存至r 或n 锁存器中，完成控制信息的输入。由于需要 对r 和n 两计数器分别进行设置，并且还要有一些操作控制信息的设置，因此， 在m b l 5 e 0 3 s l 中采用两次1 9 b i t 控制字输入完成一次频率及工作方式设定，输入 时序见图3 1 3 。关于控制字的详细信息介绍见第四章，这里不再赘述。 i n v a l i dd a t a i 塑尘坠一一一一i i 卜卜- 一垫业坐刊 d a t a 乳k几门门几九几 图3 1 3m b l 5 e 0 3 s ls p i 总线输入时序图 3 3 2 锁相环设计及仿真 在完成了v c o 的设计，频率合成器的选型以及环路算法推导之后，就进入了 锁相环频率合成器系统的设计阶段。首先利用上述得到的v c o 与p l l 芯片的资料 和数据，以及环路计算方法计算出环路参数，再利用这些参数进行性能仿真和优 化，这就是本小节的主要任务。 d m r 系统对频率合成器提出的性能要求为 2 0 , 2 1 】： 典型频率范围3 8 0 4 2 0 m h z ( 发射) ，4 2 0 m h z - - 4 6 0 m h z ( 接收) ； 频道间隔1 2 5 k h z ： 容差：+ 2 p p m ； 锁定时间小于4 m s ； 相位噪声 _ 一 c p a d r i v e 图3 2 92 s c 5 1 0 8 构成的p a 驱动电路结构 r b 为基极电阻，设置晶体管的静态工作点，而静态工作点与增益曲线图可以 参考2 s c 5 1 0 8 的数据手册，r f c 为射频阻塞电感，同时由r f c 与c o u t 构成了驱 动电路的输出匹配，匹配的完成参考数据手册中所给出的s 参数信息，依据s 圆 图匹配方法进行匹配【1 6 j 。通过适当地对驱动电路进行调整可以在r fo u t p u t 端得到 满足下一级r f 2 1 1 7 输入功率的f m 信号，这些内容在下一节发射机链路计算中还 会提到。 3 6 调频发射机系统设计预算 发射机是发射电磁信号的设备，其设计极为重要。发射机设计或构造不合理， 所发射信号就会对其他无线电通信设备产生干扰。发射机设计之前必须考虑以下 几个参数【7 j ： 输出功率：这是衡量发射机覆盖区域的主要技术参考； 射频输出频谱：包括两个方面，一个是连续调制频谱，是指由调制产生的在 离开载频不同频偏处的射频功率；另一个是切换瞬态频谱，调制的突发特性，在 调制突发的上升、下降沿产生的不同频偏处的功率【_ 刀； 杂散辐射：是指除有用边带和邻道以外的散射频率上的辐射。 频率精度：是指考虑了调制和相位误差的影响以后，发射信号的频率与此频 3 8d m r 数字终端锁相调频发射机研究与设计 道号对应的标称频率之间的误差，单位为p p m ； 互调衰减：由于电路的非线性、发信机的载波和通过天线进入的干扰信号产 生了互调分量，互调衰减是衡量发信机对此互调干扰的抑制能力，定义为有用信 号的功率电平与该发射机的发射带宽内产生的最高互调分量功率电平之比，以d b 表示。 根据合作方要求与文献 2 0 ，2 1 中提出的对d m r 物理层射频发射机的要求， 总结发射机技术指标为： 发射频带：3 8 0 m h z 4 2 0 m h z ； 发射功率：最高2 w ( 3 3 d b m ) ： 信道间隔：1 2 5 k h z ； 频率稳定度：2 p p m ； 频偏：5 k h z ； 邻道抑制：6 0 d b 。 上述所列参数只是发射机性能参数的一部分，由于本设计的特殊性，在第一 阶段设计中仅考虑上述几项性能。在发射机设计及调试过程中必须对这些参数进 行测量和优化，以满足发射机设计需求。 在发射机实际电路设计时，还要考虑整个发射之路各模块之间的各种问题： 基带调制信号的输入动态范围； 链路各模块之间的电平匹配； 链路各模块之间的阻抗匹配； 各模块之间的耦合及协调工作问题； 第四章锁相调频发射机电路设计与调试3 9 第四章锁相调频发射机电路设计与调试 4 1 系统硬件设计 在第三章中详细地讨论了锁相环调频发射机的基本理论及设计方法，依此可 以进行发射机的硬件电路实现。 4 1 1 系统设计框图 发射机设计框图如图4 1 所示： 图4 1锁相环调频发射机基本结构 由于本项目实际进展过程中射频电路设计比基带d s p 板要早，因此利用单片 机制作一调试板完成先期的调试工作，锁相环调频发射机的调试电路： 图4 2 锁相环调频发射机调试电路基本结构 本系统利用p c 机通过5 1 单片机串口通信协议向锁相频率合成器发送控制字 控制输出信号的载频，同时通过串口通信协议向发射机发出指令使发射机进入发 射、关断状态，协调发射机各部分的工作并节约功耗。这其中涉及到p c 机串口与 单片机通信，使用m a x 2 3 2 进行电平转换，数据写入单片机后转发给鉴频鉴相器， 然后根据控制字锁定到目标频率，这在第三章中已经介绍过，不再赘述。在这里 需要指出的是由于是锁相环直接调频，因此需要在参考输入v c x o 和v c o 同时 加入基带调制信号。p a 处需要进行功率控制，因此需要加入来自于基带d a c 的 d m r 数字终端锁相调频发射机研究与设计 a p c ( a u t o m a t i cp o w e rc o n t r 0 1 ) 信号对发射功率进行实时调整和控制。电源采用5 v 稳压控制，需要为v c x o 、p l l 芯片、v c o 、p a 驱动和p a 供电，稳压电源芯片 的选择既要考虑到电路总功耗，同时也要考虑成本，最终选择的芯片为n s 公司生 产的l m 2 9 3 1 a m 5 0 。 4 1 2 系统硬件组成 1 p l l 芯片、v c o 、l f 及r f 2 1 1 7 电路结构在先前的章节中已经介绍过，这里 就不在赘述。 2 电源模块： l m 2 9 3 1 是n s 公司生产的超低静态电流稳压模块，由于具有输入输出超低差 特性在需要低电模式的系统中广泛应用，同时还具有短路及反向电压保护功能。 l m 2 9 3 1 器件应用简便，外围只需几个电容即可完成电源配置，典型电路如图4 3 所示。 图4 3电源稳压供电模块 本设计厂家要求输入电压为7 5 v 供电，输出电压为5 v ，最终选择器件 l m 2 9 3 1 a m - 5 0 作为稳压器，0 1 u f 用于抵消输入线较长时的电感效应，以防止电 路产生自激振荡，1 0 u f 用于消除电压中的纹波。由于本系统设计中所选取的器件 均为5 v 供电，因此只需要一个稳压源即可。 3 单片机辅助调试板 由于本系统为数字对讲机终端射频模块的设计，因此需要与基带数字信号处 理模块相协调工作，在基带模块没有调试完成之前一些控制信号的实现需要一个 辅助板来完成，因此设计了与d s p 基带板具有相同接口的单片机调试板与调频发 射板相连接。 单片机调试板完成的主要工作是对发射机的写频操作，通过桌面软件“串口 调试助手将指定的控制字通过串口写入单片机缓存，单片机再通过缓存将控制 字移位锁存至m b l 5 e 0 3 s l 的相应锁存器中，这样p l l 根据控制字锁定到相应的 频点，完成写频操作。p c 机与单片机之间需要经过m a x 2 3 2 进行电平转换，采用 器件为m 6 胞3 2 c s e 。 单片机采用a t m e l 公司生产的a t 8 9 s 5 2 ，a t 8 9 s 5 2 工作机制与c 5 1 单片机 第四章锁相调频发射机电路设计与调试 4 1 相同，它是一个带有8 k b y t ef l a s h 可编程可擦除只读存储器的低功耗、高性能8 位 c m o s 微型处理器，满足本设计中的调试功能需求。 除上述功能外，单片机还需要控制发射机的关断操作，因为发射机是高耗能 设备，在时分系统中不需要发射的时段内需要将发射机置为低电模式，这时调频、 p a 驱动和p a 电路都停止工作，节约能耗，这在手持设备中极为重要。由于需要 模拟d s p 基带板功能，需要产生p a 自动功率控制信号a p c 和基带调制信号m o d ， 因此在单片机调试板上还要产生这两个信号，a p c 信号以分压形式产生，m o d 信 号则来自于外部信号发生器。 4 1 3 硬件原理图设计 本设计的硬件原理图绘制、p c b 的布局和布线都是在p r o t e ld x p2 0 0 4 集成 开发环境下完成的。 原理图设计是电路设计的第一步，本设计中的原理图设计经验和技巧主要有： 按照功能及各芯片之间的耦合密度分模块，把耦合密度高的芯片和元件 分到一个模块，主要分为p l l 、l f 、v c o 、p ad r i v e r 、p a 和p o w e r 几个 模块，单片机自成一板。 使用有代表意义的名字命名元件，如l f 处的电容命名为cl f l 、cl f 2 等，以便于p c b 布局和布线时辨认。 同样为了便于读图，排错，尽量用连线表示电路的连接关系，如果连线 交叉太多，可以更改原理图元件的管脚位置，( 不更改管脚到封装的映射 就行) ，实在不行改用网络标号。 没有用到的输入管脚，给它接一个高电平或者低电平，防止出现不确定 状态。 本设计的电路原理图见附件a 。 4 1 4p c b 布局布线 p c b 布局时按照功能模块分区进行布局，各功能模块在p c b 板上的大致位置 如下图所示： p a p a v c x op l ll fv c o d i u v e r p o w e r 图4 4锁相环调频发射机p c b 布局图 p c b 布局图与原理图布局相似，同时也是按照信号由左至右的j i 顷序排列的， 每个模块与相邻的模块联系最紧密，因此顺序安排。电源模块安排在电路的板的 4 2d m r 数字终端锁相调频发射机研究与设计 右端，这主要是考虑了电路板设计的结构性、紧凑型和尺寸要求，由于在p c b 布 线时采用星型拓扑结构布线，这种方法即使走线长一些也可以满足性能。 布局主要依据以下原则进行： 有连接关系的元件尽量靠近放置，减少连线长度，同时调整元件的放置位 置和方向，使交叉线尽可能少，以减少印制板上过孔的数量，保证布线的 布通率； 晶体，晶振等时钟电路元件尽量靠近芯片的时钟管脚，因为时钟电路最容 易产生电磁辐射和受干扰，所以要减少时钟线的长度； 去耦电容放置在相应芯片的背面，并尽量靠近芯片的电源管脚； 插针，插座，接口等接插件类元件尽量放置在印制板的边缘，以方便与外 部器件的连接。 p c b 的布线是本设计中的难点和重点，在射频模块的p c b 布线过程中不仅要 遵守p c b 设计和布线的一些规则，还必须考虑射频电路的一些特征，合理布局， 避免干扰，特别是本设计中还含有大功率模块 1 9 】。 常用r f 的p c b 设计中，主要使用标准的f r 4 材料，它具有绝缘特性好、材 质均匀的特点，一般介电常数占= 4 1 0 。本设计中采用r f 板设计中常用的4 层 板结构：项层走r f 信号线，第二层为完整的地，第三层为星型拓扑结构电源，底 层走控制r f 器件状态的数字信号线( 本设计中为控制m b l 5 e 0 3 s l 的c l k 、d a t a 、 l e 、p s 和l d 等信号线) 。 文献 1 7 】中指出，供电不应该采用大面积电源层，虽然这种方法使v e e 布线简 单，但是这种结构常常会导致系统性能恶化，在一个较大平面上将所有电源引线 接在一起将无法避免引脚之间的噪声传输。文献 1 7 仲建议采用星型结构电源布 线。星型结构会减轻不同电源引脚之间的耦合，具体做法是首先建立一个v c c 主 节点，从该节电引出不同分支的电源线为每一个模块电源引脚供电，每一个电源 引脚采用独立的引线，为引脚之间提供空间上的隔离，这样有利于减小他们之间 的耦合，同时由于每条引线还具有一定的寄生电感，它们可以有效地滤除电源线 上的高频噪声。在主节点处放置一个大容量的电容器，此电容器具有较低的s r f ， 可以消除低频噪声并稳定直流电压。 地线的布局和引线同样是r f 电路板设计的关键，它们会直接影响到电路板的 寄生参数，存在降低系统性能的隐患。根据r f 板设计经验【1 7 】四层板中采用单独的 接地层可以获得较好的性能，本设计中将第二层设计为地层。接地层确定之后将 所有的信号地以最短的路径连接到地层，通常用过孔将项层的底线连接到地层， 由于过孔呈现感性，并不能为r f 信号提供真正的接地，因此应该在r f 部分提供 尽可能多的接地过孔，必须注意的是不良的接地会在功率放大器部分产生辐射， 降低增益和噪声系数指标，此外功率放大器的功耗也要求有多个接地过孔。 第四章锁相调频发射机电路设计与调试 4 3 在设计r f 电路板时应尽可能把高功率r f 电路与低噪声电路分开，即采用分 区技巧。本设计中将p l l 锁相环、v c o 与p a 三部分分开，并在v c o 部分和p a 部分器件外围设计矩形屏蔽罩焊盘，以减少两者之间的屏蔽，但是这样也占用了 p c b 板的空间资源。 本设计p c b 板中各元件应当紧密排布，确保各元件之间的连线最短。包括板 子上的各个r f 器件的地( g n d ) 引脚，包括电阻、电容、电感与地( g n d ) 相接的引 脚，应在离引脚尽可能近的地方打过孔与地层( 第二层) 连通。由于本设计中采用的 分立元件比较多因此尽可能使用贴片元件。因为贴片元件体积小，引脚短，这样 可以尽可能减少元件引脚和元件内部走线带来的附加参数的影响。尤其是分立的 电阻、电容及电感元件，使用较小的封装( 0 8 0 5 0 6 0 3 ) 对提高电路的稳定性、一致 性是非常有帮助的。 射频环境下的有源器件通常具有一个以上的电源引脚，这时候要注意在每一 个电源引脚设置单独的去耦电容，容值在1 0 0 n f 左右，在电路板允许的范围情况 下每一个引脚使用两个去耦电容，容值分别为l n f 和1 0 0 n f 左右。 除了上述r fp c b 电路设计中需要注意的事项外，还需要专门讨论锁相环布线 的注意事项。在锁相环设计中想要获得良好的噪声特性和杂散特性，必须具有良 好的地线布局。m b l 5 e 0 3 s l 内部集成了c p ，c p 输出通过一个环路滤波器控制 v c o ，需要用三阶r c 环路滤除电荷泵的数字脉冲电路得到模拟控制电压。布线 时靠近电荷泵输出的两个电容必须直接与电荷泵的地相连接，这样可以隔离地回 路的脉冲电流通路，尽量地减小v c o 中相应的杂散频率，第三个电容直接与v c o 地层相连，以避免控制电压随数字电流浮动。如果违背了这些原则，将会导致相 当大的杂散成份【1 7 】。在这里需要指出的是采用星型结构可以更有效地抑制v c o 频 率牵引，因为如果没有足够的隔离，电流脉冲产生的噪声会耦合到v c o 电源，对 v c o 频率进行调制。采用星型结构后通过电源间的物理间隔和每个v c c 引脚的去 耦电容、合理放置接地过孔等手段提高隔离度。 最后要注意的是p c b 设计中的走线问题，r f 电路设计对r f 信号的走线宽度 有严格的规定，设计的时候要根据p c b 厚度和介电常数严格计算并且仿真计算走 线在对应频点上的阻抗，以确保其为5 0 0 h m 。当然在实际设计中并不能确保特征 阻抗一定是5 0 0 h m ，可能会存在一定的偏差，这与实际制作时的工艺等问题导致。 r fp c b 板阻抗匹配问题的解决方法为： 第一步：与p c b 制造厂家沟通，得到对应厚度、对应层数的板子5 0 0 h m 走线 的宽度范围； 第二步：在此宽度范围内选择一个合适的宽度统一应用于所有5 0 0 h m 的r f 信号线上； 第三步：在p c b 交付厂家生产时，在脚本上声明所有这个宽度的线做成5 0 0 h m d m r 数字终端锁相调频发射机研究与设计 特性阻抗线。 第四步：要求p c b 厂商提供阻抗测试报告，看是否在可以接受的阻抗范围之 内，因为对于p a 电路而言，由于其工作频率较高，阻抗失配带来的插损可以消耗 很大的能量。 调频发射机p c b 版图见附件b 。 4 2 系统软件配置 完成了系统的硬件设计以后需要对系统软件进行配置，软件设计主要包括： m b l 5 e 0 3 s l 控制字设置、单片机串口通信和控制界面。 4 2 1 鉴频鉴相器寄存器配置 m b l 5 e 0 3 s l 必须写入控制字，进行r 计数器、n 计数器和一些初始化设置， 才能正常工作。本系统调试初期使用单片机为m b l 5 e 0 3 s l 写入控制字。 m b l 5 e 0 3 s l 的功能模块如图3 1 2 所示，由图可知其中共有两个1 8 b i t 锁存器和一 个1 9 b i t 移位寄存器，锁存器分为r 和n 锁存器，用来配置锁相环频点，移位寄 存器用于保存锁存之前的控制字。 串行数据通过d a t a ，c l k 和l e 管脚输入，并且需要两个不同的控制字分别 控制可编程参考分频器( r 分频器) 和反馈分频器( n 分频器) ，这两个控制字分别存 储在r 锁存器和n 锁存器中。移位寄存器比锁存器多出的一个比特为控制位 ( c o n t r o lb i t ，c n t ) ，当c n t = “h ”时表示控制字为r 控制字，当c n t = “l ”时 表示控制字为n 控制字。 根据c n t 不同写入的1 9 位控制信息格式如下图： l s lb d a t af i o w _ + m s ib t l234567891 0l l1 21 31 41 51 61 71 81 9 c n tr l r 2 r 3r 4r 5r 6 r 7贴 r 9r 1 0r l lr 1 2 r 1 3r 1 4s wf cl d s c s 图4 5参考( r ) 计数器控制字 c n t 为控制比特，r 1 r 1 4 为参考分频比，取值范围是3 1 6 3 8 3 。s w 预置分 频比设置比特，s w - - “h 对应预分频比为6 4 6 5 ，s w = “l 时表示预分频比为 1 2 8 1 2 9 。f c 为相位比较器相位控制比特，它定义了检相器输出与输入相位差的正 负对应关系。l d s 是l d f o u t 信号选择比特，定义了l d f o u t 管脚的输出信号，l d s = “h ”时输出f o u t 信号，l d s - - “l 时，输出l d 信号，此处l d 指l 0 c kd e t e c t ， 用来检测锁相环是否达到锁定状态。c s 为电荷泵电流选择比特c s = “h 时输出 电流为6 m a ，当c s = “l ”时输出电流为1 5 m a 。必须注意在控制字加入时要 第四章锁相调频发射机电路设计与调试4 5 从m s b 开始，即顺序为上图的从右至左。 n 分