一種基于DDS和PLL的Chirp超寬帶信號(hào)源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)_劉健余

1、第23卷第1期重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版V o l .23N o .12011年2月J o u r n a l o f C h o n g q i n gU n i v e r s i t yo f P o s t s a n dT e l e c o mm u n i c a t i o n s (N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n F e b .2011D O I :10.3979/j .i s s n .1673-825X .2011.01.014一種基于D D S 和P L L 的C h i r p 超寬帶信號(hào)源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:

2、2010-12-151115網(wǎng)絡(luò)出版地址:h t t p :/w w w .c n k i .n e t /k c m s /d e t a i l /50.1181.N .20101215.1115.018.h t m l 收稿日期:2009-11-05修訂日期:2010-09-29基金項(xiàng)目:廣西區(qū)科學(xué)基金資助項(xiàng)目(0991018Z ,0731025F o u n d a t i o nI t e m :T h e S c i e n c e F o u n d a t i o no f G u a n g x i Z h u a n g A u t o n o m o u s R e g

3、i o n (0991018Z ,0731025劉健余,林基明,樊孝明,章興良,徐興華(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院,廣西桂林541004摘要:C h i r p 超寬帶具有峰值平均功率比(p e a kt o a v e r a g e p o w e r r a t i o ,P A P R 接近為1、測距定位能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),能夠有效解決傳統(tǒng)的超寬帶技術(shù)存在的P A P R 過大、傳輸距離短等問題,設(shè)計(jì)并產(chǎn)生C h i r p 超寬帶信號(hào)是實(shí)現(xiàn)該通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。提出了一種高性能C h i r p 超寬帶信號(hào)源方案,通過采用現(xiàn)場可編程門陣列(f i e l d -p r o g r

4、a m m a -b l e g a t e a r r a y ,F P G A 控制直接數(shù)字頻率合成(d i r e c t d i g i t a l s y n t h e s i s ,D D S 芯片A D 9956產(chǎn)生低頻C h i r p 信號(hào),并結(jié)合鎖相環(huán)(p h a s e l o c k e dl o o p ,P L L 技術(shù)實(shí)現(xiàn)帶寬擴(kuò)展,從而獲得C h i r p 超寬帶信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明,所設(shè)計(jì)的C h i r p 超寬帶信號(hào)源具有結(jié)構(gòu)簡單、可編程、可擴(kuò)展、性能好及實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞:超寬帶;C h i r p 信號(hào);直接數(shù)字頻率合成(D D S ;鎖相環(huán)(P L

5、L 中圖分類號(hào):T N 92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1673-825X (201101-0065-06D e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no f a n u l t r a -w i d e b a n d C h i r p s i g n a ls o u r c e b a s e d o n D D Sa n d P L LL I UJ i a n -y u ,L I NJ i -m i n g ,F A NX i a o -m i n g ,Z H A N GX i n g -l i a n g ,X UX i n g -h u

6、 a(S c h o o l o f I n f o r m a t i o na n dC o m m u n i c a t i o n E n g i n e e r i n g ,G u i l i nU n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c T e c h n o l o g y ,G u i l i n 541004,P .R .C h i n a A b s t r a c t :C h i r pu l t r a -w i d e b a n d h a s t h e a d v a n t a g e s s u c h a

7、s p e a kt o a v e r a g ep o w e r r a t i o c l o s e t o 1,s t r o n g r a n g i n g p o s i t i o -n i n g c a p a b i l i t y ,a n di t c a n e f f e c t i v e l y s o l v et h ep r o b l e m s o f t r a d i t i o n a l U WBt e c h n o l o g y s u c ha s l a r g e P A P R ,s h o r t t r a n s -

8、m i s s i o n d i s t a n c e .O n e o f t h e k e y t e c h n o l o g y i n t h i s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m i s t o d e s i g nC h i r p U WBs i g n a l .T h i s p a p e r p r o -p o s e d a h i g hp e r f o r m a n c e C h i r p U WBs i g n a l g e n e r a t o r m e t h o d ,b y u s

9、i n g t h e F P G A(f i e l d -p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y t o c o n -t r o l o f D D S(d i r e c t d i g i t a l s y n t h e s i z e r c h i pA D 9956p r o d u c e dl o w -f r e q u e n c yC h i r ps i g n a l ,a n dt h e nc o m b i n e di t w i t hp h a s e -l o c k e d l o o p(P L L

10、 t e c h n o l o g yt o i m p l e m e n t t h eb a n d w i d t he x p a n s i o n ,t h u s g a i n e d C h i r p U WBs i g n a l .E x p e r i m e n t s s h o wt h a t t h e d e s i g n o f C h i r p U WBs i g n a l s o u r c e h a s t h e a d v a n t a g e s s u c h a s s i m p l e s t r u c t u r e

11、 ,s c a l a b l i t y ,p r o g r a m m a b i l i t y h i g hp e r f o r m a n c e ,a n dp r a c t i c a l i t y .K e yw o r d s :u l t r a -w i d e b a n d (U W B ;C h i r p s i g n a l ;d i r e c t d i g i t a l s y n t h e s i z e r (D D S ;p h a s e l o c k e d l o o p (P L L 0引言C h i r p 擴(kuò)頻(c h

12、i r ps p r e a ds p e c t r u m ,C S S 除了具有傳統(tǒng)擴(kuò)頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)外,還具有良好的測距定位能力。C h i r p 信號(hào)同時(shí)具有時(shí)域平坦性、頻域平坦性、峰值平均功率比(p e a k t o a v e r a g e p o w e r r a t i o ,P A -P R 接近為1的特點(diǎn),進(jìn)而在同等輻射功率限制下可以提高傳輸距離。這些優(yōu)勢(shì)使得C S S 技術(shù)得到了廣泛關(guān)注與研究1-2。超寬帶(u l t r a -w i d e b a n d ,U W B 信號(hào)是指瞬時(shí)相對(duì)帶寬超過20%的信號(hào)3-4。用滿足U W B 定義的C h i r p 信號(hào)

13、(C h i r p 超寬帶信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻的通信方式稱為C h i r p 超寬帶,該技術(shù)結(jié)合C S S 和U W B 的優(yōu)點(diǎn),能有效解決目前常用的多帶正交頻分復(fù)用超寬帶(m u l t i b a n do r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e -x i n g u l t r a w i d e b a n d ,M B -O F D M U W B 和脈沖超寬帶(i m p u l s e r a d i o u l t r a w i d e b a n d ,I R -U W B 方式所存在的

14、P A P R 過大的問題,有利于提高U W B 信號(hào)的傳輸距離。因此,C h i r p 超寬帶信號(hào)應(yīng)用于超寬帶無線通信中具有重要意義。為獲得高調(diào)頻線性度、高穩(wěn)定性的C h i r p 超寬帶信號(hào),與傳統(tǒng)模擬方式相比,直接數(shù)字頻率合成技術(shù)具有無法比擬的優(yōu)勢(shì)。直接數(shù)字頻率合成(d i r e c td i g i t a l s y n t he s i z e r ,D D S 具有相位可控,頻率分辨率高、頻點(diǎn)準(zhǔn)確、頻率控制靈活、相位噪聲低、波形穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。但它有2點(diǎn)不足:1目前D D S 器件的內(nèi)部工作時(shí)鐘頻率f c 較低,其直接輸出信號(hào)頻率上限不高,合成頻率較低;2輸出信號(hào)的頻譜雜散較大

15、,頻譜純度不如傳統(tǒng)的鎖相環(huán)(p h a s e l o c k e dl o o p ,P L L 技術(shù)。因此,限制了其進(jìn)一步的使用,特別是不能滿足寬帶或超寬帶信號(hào)產(chǎn)生的要求。P L L 則具有頻帶寬、工作頻率高、頻譜質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)5,但不足之處為頻率分辨率、頻率建立時(shí)間等方面遠(yuǎn)不如D D S 。如果把兩者結(jié)合起來,取長補(bǔ)短,構(gòu)建C h i r p 超寬帶信號(hào)源,可獲得高頻率分辨率、頻率線性度好、低相位噪聲和寬輸出頻帶范圍的C h i r p 超寬帶信號(hào)。本文所介紹的信號(hào)源是采用現(xiàn)場可編程門陣列(f i e l d -p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a

16、y ,F P G A 控制D D S 芯片A D 9956產(chǎn)生低頻C h i r p 信號(hào),然后利用該信號(hào)驅(qū)動(dòng)一個(gè)倍頻P L L 實(shí)現(xiàn)帶寬擴(kuò)展,從而獲得更大帶寬的C h i r p 超寬帶信號(hào)。1C h i r p 超寬帶信號(hào)的特征C h i r p 超寬帶信號(hào)滿足U W B 定義,具有與C h i r p 信號(hào)相同的特征。C h i r p 信號(hào)是一種擴(kuò)頻信號(hào),在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)表現(xiàn)出線性調(diào)頻的特性,信號(hào)頻率隨著時(shí)間的變化而線性變化。因?yàn)镃 h i r p 信號(hào)的頻率在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)會(huì)“掃過”一定的帶寬,所以C h i r p 信號(hào)又被形象地稱為“掃頻信號(hào)”。典型的C h i r p 信號(hào)的表

17、達(dá)式為s (t =a (t c o s (2f 0t +t 2,-T 2t T 2(1(1式中:t 為信號(hào)時(shí)間;T 為脈沖寬度;為C h i r p 信號(hào)斜率,0稱為正向(U P C h i r p 脈沖,其瞬時(shí)頻率不斷增大,0為反向(D O W N C h i r p 脈沖,其瞬時(shí)頻率不斷減小;a (t 為C h i r p 信號(hào)的包絡(luò),常用矩形脈沖表示,即a (t =r e c t (t /T =1,t T 120,t T 12(2f 0為Ch i r p 信號(hào)的中心頻率,C h i r p 信號(hào)的瞬時(shí)頻率表達(dá)式為f (t =12d d t(2f 0t +t 2=f 0+t (3在一個(gè)脈沖

18、寬度內(nèi),瞬時(shí)頻率隨時(shí)間呈線性關(guān)系,這是C h i r p 信號(hào)的主要特征。對(duì)(1式進(jìn)行傅立葉變換,可以得到6s (f =18e -j (f -f 02c (x 1+c (x 2+j (s (x 1+s (x 2=A (f e j (f (4(4式中:f 為C h i r p 信號(hào)的頻率;A (f 為信號(hào)的幅度譜; (f 為C h i r p 信號(hào)的相位譜;c (x ,s (x 為F r e s n e l 函數(shù)7;變量x 1(f =2B2+(f 0-f ,x 2(f =2B2-(f 0-f ,B = T 為C h i r p 信號(hào)的調(diào)頻帶寬。通過分析,可以得到C h i r p 信號(hào)的幅度譜A

19、 (f =1B2T B (c (x 1+c (x 22+s (x 1+s (x 22(5以及相位譜(f =T B 2f 0-f B 2-t a n -1s(x 1+s (x 2c (x 1+c (x 2(6(5(6式中,T B 為C h i r p 信號(hào)的時(shí)間帶寬積,T B= T 2,簡稱T B 積。通過分析(5式,可得到這樣一個(gè)結(jié)論,T B 的值越大,C h i r p 信號(hào)的幅度譜就越接近矩形。不同T B 積下C h i r p 信號(hào)的幅度譜如圖1所示,其中相對(duì)頻率為(f -f 0B。圖1不同T B 積的幅度譜F i g .1S p e c t r u m o f a m p l i t

20、u d e o f d i f f e r e n t T B66重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第23卷在時(shí)域上看,T B積越大,接收機(jī)對(duì)C h i r p脈沖匹配壓縮后的信號(hào)能量就越大,信噪比越高,誤碼率越低。在頻域上看,T B積越大,其幅度譜越接近理想帶通濾波器。但是,在應(yīng)用于超寬帶通信時(shí),脈沖寬度T一般取決于數(shù)據(jù)碼元寬度,因此隨數(shù)據(jù)傳輸速率的增加,脈沖寬度T下降,使得T B積增加受限。因此必須選擇合適的T B積,才能兼顧到碼元速率和處理增益。一般情況下,T B積為100左右時(shí),可獲得較高的處理增益,同時(shí)又能夠滿足一定的碼元速率要求。2系統(tǒng)組成與原理本文提出的C h i r p超寬帶信號(hào)源的

21、基本原理是首先用D D S方式產(chǎn)生一個(gè)可控的高穩(wěn)定度低頻C h i r p信號(hào),然后用該信號(hào)去激勵(lì)一個(gè)倍頻P L L系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)輸出高分辨率、高轉(zhuǎn)換速率、高穩(wěn)定度的C h i r p超寬帶信號(hào)。系統(tǒng)主要由D D S、鑒頻鑒相器(p h a s e f r e q u e n c y d e t e c t o r,P F D、環(huán)路濾波器(l o o p f i l-t e r,L F、分頻器、壓控振蕩器(v o l t a g e-c o n t r o l l e d o s c i l-l a t o r,V C O、外部控制模塊等部分構(gòu)成,整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示,f r為鎖相環(huán)的

22、參考輸入信號(hào) 。圖2C h i r p超寬帶信號(hào)產(chǎn)生原理框圖F i g.2B l o c k d i a g r a mo f C h i r p U WBs i g n a l g e n e r a t i o n本設(shè)計(jì)中D D S產(chǎn)生C h i r p信號(hào)的原理如圖3所示,在原有D D S原理圖的基礎(chǔ)上增加了頻率累加器,每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖,頻率累加器根據(jù)起始頻率和頻率步進(jìn)產(chǎn)生瞬時(shí)頻率,然后經(jīng)過相位累加器運(yùn)算輸出掃頻信號(hào)瞬時(shí)相位,并以此相位值尋址正弦值存儲(chǔ)表,通過查表得到與相位值對(duì)應(yīng)的幅度量化值。在下個(gè)周期來臨時(shí),頻率累加器一方面將在上一個(gè)時(shí)鐘周期作用后所產(chǎn)生的新的頻率數(shù)據(jù)反饋到頻率加法器的

23、輸入端,以使頻率加法器繼續(xù)累加,頻率累加的瞬時(shí)值與上個(gè)周期相位累加器反饋到相位加法器輸入端的數(shù)據(jù)累加,然后再依此周期累加的相位值重新尋址正弦值存儲(chǔ)表,得到對(duì)應(yīng)的幅度量化值。D D S輸出的數(shù)字信號(hào)波形還需經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器才能得到可用的模擬信號(hào)。按照N y q u i s t準(zhǔn)則,D D S最高輸出頻率可達(dá)0.5f c,f c為D D S的參考頻率,考慮到實(shí)際限制,最高輸出頻率一般為0.4f c。故D D S輸出的C h i r p信號(hào)頻率范圍應(yīng)取在00.4f c內(nèi),才可有效地避開非線性雜散產(chǎn)生的頻點(diǎn),此范圍也是最大的掃頻范圍。受D D S工作時(shí)鐘頻率的限制,D D S輸出的C h

24、i r p信 號(hào)無法滿足寬帶輸出要求。圖3D D S結(jié)構(gòu)原理圖F i g.3S c h e m a t i cd i a g r a mo f D D SP L L技術(shù)是實(shí)現(xiàn)C h i r p超寬帶信號(hào)的關(guān)鍵技術(shù),通過應(yīng)用P L L對(duì)D D S輸出的C h i r p信號(hào)進(jìn)行倍頻來擴(kuò)展帶寬,可獲得較為理想的C h i r p超寬帶信號(hào),提高了信號(hào)源的性能水平。如圖2所示,D D S 產(chǎn)生的信號(hào)作為鎖相環(huán)的參考輸入信號(hào)f r,V C O輸出的信號(hào),經(jīng)N分頻后,作為反饋信號(hào),與D D S產(chǎn)生的參考信號(hào)在P F D中比較頻率相位,由于鎖相環(huán)的跟蹤效應(yīng),最終的輸出信號(hào)頻率f o為f r的N倍。即f o

25、=N f r(7如果D D S產(chǎn)生的C h i r p信號(hào)輸入帶寬為B r,那么最終得到的C h i r p超寬帶信號(hào)輸出帶寬B o為參考源輸入帶寬B r的N倍。即B o=N B r(8此外,V C O產(chǎn)生信號(hào)的頻率經(jīng)N分頻后,與D D S輸出信號(hào)的頻率變化將趨于一致,從而使得C h i r p超寬帶源所產(chǎn)生的信號(hào)達(dá)到與D D S信號(hào)相近的線性度和頻率穩(wěn)定度。由于D D S信號(hào)的輸出頻率和帶寬可以編程控制,該方式產(chǎn)生的C h i r p超寬帶信號(hào)的帶寬和頻率范圍都是可控的,在設(shè)計(jì)上具有很大的靈活性。本設(shè)計(jì)中,鎖相環(huán)路起到了倍頻的作用,參考輸入的噪聲(包括相位噪聲與雜散由于倍頻而惡化。其噪聲模型

26、如圖4所示。S,r e f(f為參考輸入的噪聲功率譜密度;S,o u t(f經(jīng)過鎖相環(huán)路倍頻后輸出噪聲功率譜密度;K為P F D的增益;K V C O為V C O 的增益。圖4鎖相環(huán)路噪聲模型F i g.4N o i s e m o d e l o f P L L根據(jù)信號(hào)理論,可得8S,o u t(f=H(f2N2S,r e f(f(9 (9式中:H(f是鎖相環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù);N為分頻比。H(f=G(f1+G(f/N1N=K KV C OF(fNj2f+K K V C O F(f(1067第1期劉健余,等:一種基于D D S和P L L的C h i r p超寬帶信號(hào)源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(10式中,G

27、(f 為開環(huán)增益,G (f =K K V C O F (f /j 2是在頻域上單調(diào)遞減,因此H (f 呈現(xiàn)低通特性,低通截止頻率為f c ,等于鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬。在環(huán)路帶內(nèi)較小的偏離頻率范圍f f c 處有H (f 1,此時(shí)參考輸入噪聲影響鎖相環(huán)輸出信號(hào)的相位噪聲。從(9式中,可知參考信號(hào)輸入的相位噪聲與雜散由于鎖相環(huán)路倍頻而惡化20l g Nd B ,而分頻比不宜過大,而較低的分頻比也意味著更高的頻率分辨率和改善的鎖定速度;另一方面,當(dāng)分頻比較低時(shí),D D S 的輸出頻率帶寬需要足夠大,這必然會(huì)增大輸出雜散和相位噪聲。因而,本文選擇適當(dāng)?shù)腄 D S 輸出頻帶和環(huán)路分頻比,以獲得輸出信號(hào)帶寬、

28、雜散、鎖定速度等關(guān)鍵指標(biāo)的優(yōu)化。本設(shè)計(jì)目標(biāo)是產(chǎn)生中心頻率是640M H z ,帶寬是160M H z ,即560720M H z 的C h i r p 超寬帶信號(hào),分?jǐn)?shù)比為25%,碼元速率為1M b i t /s ,T 為1s 。首先通過F P G A 外部控制D D S 產(chǎn)生7090M H z 的線性調(diào)頻信號(hào),然后通過鎖相環(huán)進(jìn)行8倍頻即可獲得C h i r p 超寬帶信號(hào)。3系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)C h i r p 超寬帶信號(hào)的產(chǎn)生方案及其原理,選擇相應(yīng)的器件,設(shè)計(jì)C h i r p 超寬帶信號(hào)源的硬件電路,系統(tǒng)硬件部分主要由F P G A ,A D 9956,V C O ,分頻器,濾波器和時(shí)鐘系統(tǒng)構(gòu)

29、成,其硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖5所示 。圖5C h i r p 超寬帶信號(hào)源的硬件電路結(jié)構(gòu)圖F i g .5S c h e m a t i c d i a g r a mo f C h i r p U WBs i g n a l s o u r c e h a r d w a r e c i r c u i t本設(shè)計(jì)掃頻參考源采用的D D S 芯片是A n a l o g D e v i c e 公司的A D 9956芯片9,主要由D D S 模塊、P L L 模塊和電流型邏輯(c u r r e n t m o d e l o g i c ,C M L 模塊構(gòu)成。該芯片具備快速頻率轉(zhuǎn)換、精細(xì)頻率分

30、辨率和低相位噪聲輸出的性能,其內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換器(d i g i t a l t o a n a l o g c o n v e r t e r ,D A C 取樣速率最高可達(dá)400M S P S (每秒百萬次采樣,包括14位的D /A 轉(zhuǎn) 換器,48位的頻率調(diào)制字(f r e q u e n c y t u n i n g w o r d ,F T W ,集成了可達(dá)200M H z 的鑒相器(通過分頻器可擴(kuò)展為655M H z 和一個(gè)數(shù)字可控的電荷泵。使用該芯片能有效地控制整體設(shè)計(jì)的復(fù)雜度,可以得到較為理想的輸出信號(hào)帶寬和頻率分辨率。在本方案中選用A l t e r a 公司的F P G A 器

31、件(c y -c l o n e 系列實(shí)現(xiàn)對(duì)A D 9956的編程控制,產(chǎn)生符合A D 9956串行編程時(shí)序的控制信號(hào)。D D S ,P F D 以及其他片內(nèi)資源的激活與配置均通過控制功能寄存器C F R 1實(shí)現(xiàn)。芯片的時(shí)序和模擬輸出由C F R 2配置。在線性掃頻模式下,需要配置步進(jìn)頻率控制字寄存器R D F T W/F D F T W 和頻率累加增量字寄存器R S R R /F S R R 。要產(chǎn)生符合要求的C h i r p 超寬帶信號(hào),需界定的信號(hào)頻率的上、下界,將其轉(zhuǎn)化為單位頻率長度表示的F T W,并寫入P C R 0和P C R 1中。根據(jù)C h i r p 超寬帶信號(hào)的變化周期

32、,在外部控制器中,編寫芯片控制程序,用于控制A D 9956相應(yīng)管腳,產(chǎn)生穩(wěn)定而準(zhǔn)確的控制信號(hào),圖6是F P G A 控制A D 9956的程序流程圖。圖6F P G A 控制A D 9956的程序流程圖F i g .6P r o g r a mf l o wd i a g r a mo f F P G Ac o n t r o l A D 9956為提高A D 9956的輸出信號(hào)質(zhì)量,采用差分方式輸出,經(jīng)差分放大器A D 8047轉(zhuǎn)為單端方式。由于輸出信號(hào)有較高的諧波分量,所以在放大模塊后接一個(gè)集成低通濾波器L F C N -105+,以濾除其各次諧波,提高信號(hào)的波形質(zhì)量。A D 9956內(nèi)

33、部已經(jīng)集成了P F D 和一個(gè)數(shù)字可控的電荷泵,這給設(shè)計(jì)帶來極大的方便,只需外置一個(gè)環(huán)路濾波器及V C O ,即可構(gòu)成一個(gè)P L L 環(huán)路。V C O 選用的是V 637M E 02-L F ,它的調(diào)控電壓是0.510V 。我們需要得到的是560720M H z 的C h i r p 超寬帶信號(hào),對(duì)應(yīng)的調(diào)控電壓范圍是36.5V ,調(diào)控靈敏度為46M H z /V 。由于V C O 的控制電壓較高,設(shè)計(jì)時(shí)采用有源環(huán)路濾波器,其電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。68重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第23卷 圖7有源環(huán)路濾波器電路圖F i g .7A c t i v e l o o p f i l t e r c i

34、 r c u i t d i a g r a m經(jīng)分析可得,圖7所示三階有源環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)為F (s =(1+s 2A s C t (1+s 1(1+s 3(11(11式中:s 為傳輸算子;1=R 2C 2C 1C t ;2=R 2C 2;3=R 3C 3;A 為運(yùn)放增益;C t =C 1+C 2+C 3。鎖相環(huán)開環(huán)環(huán)路傳遞函數(shù)G (s =K K V C O F(s N s=K K V C O (1+s 2A N s 2C t (1+s 1(1+s 3(12已知K ,K V C O ,環(huán)路帶寬c ,相位裕度 c ,T 31(3和1的比值后,可得1,2和310為1=s e c ( c -t

35、 a n ( c c (1+T 312=1c 2(1+33=1T 31(13根據(jù)V C O 控制電壓,確定A=1+R 4/R 3的值,可得環(huán)路濾波器的參數(shù)為 4測試及結(jié)果分析根據(jù)以上方案,設(shè)計(jì)并制作了C h i r p 超寬帶信號(hào)源硬件電路。為保證信號(hào)質(zhì)量,我們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)及布線等方面充分考慮了電磁兼容以及芯片良好的散熱問題。經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn),在安捷倫頻譜儀E 4440A 中測得D D S 輸出信號(hào)頻譜,如圖8所示。D D S 輸出信號(hào)的頻譜范圍為7090M H z ,掃頻帶寬為20M H z 。在掃頻工作時(shí),帶內(nèi)輸出雜散均小于-70d B m ,對(duì)輸出高精度、高穩(wěn)定性頻率并無影響,掃頻幅度衰減小

36、,均在誤差范圍內(nèi)。圖8D D S 輸出的C h i r p 信號(hào)頻譜F i g .8C h i r p s i g n a l s p e c t r u m o f D D S o u t p u t在E 4440A 中,我們測得系統(tǒng)輸出的C h i r p 超寬帶信號(hào)頻譜,如圖9所示。C h i r p 超寬帶信號(hào)頻譜為560720M H z ,掃頻帶寬為160M H z ,相對(duì)帶寬為25%,掃頻周期1s ,T B 積為160。由測試結(jié)果可知,信號(hào)源的輸出信號(hào)頻譜質(zhì)量好,頻帶內(nèi)譜線比較平坦,波動(dòng)范圍小。圖9C h i r p 超寬帶信號(hào)頻譜F i g .9S p e c t r u m o

37、 f C h i r p U WBs i g n a l5結(jié)論本文介紹了一種基于A D 9956芯片的C h i r p 超寬帶信號(hào)源的設(shè)計(jì)方案,充分利用了D D S 芯片A D 9956所具有頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、頻率精度高、輸出頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)。通過P L L 與D D S 技術(shù)的結(jié)合,能夠產(chǎn)生大帶寬、高線性度的C h i r p 超寬帶信號(hào)。經(jīng)實(shí)69第1期劉健余,等:一種基于D D S 和P L L 的C h i r p 超寬帶信號(hào)源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 70 重 慶 郵 電 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)( 自然科學(xué)版 第 23 卷 7 A B R A M O WI T ZMi l t o n , S T E G U N

38、I r e n eA . H a n d b o o ko f Ma t h e ma t i c a lF u n c t i o n sw i t hF o r m u l a s , G r a p h s , a n d Ma t h e ma t i c a l T a b l e s M .Wa s h i n g t o n : N a t i o n a l B u r e a u o f S t a n d a r d s , 1972: 290-300. 8 鄭繼禹 , 林基明 . 同 步理 論 與技 術(shù) M . 北京: 電 子工 業(yè)出版社 , 2003: 21-47. 9

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41、i n g . M u l t i c o d eu l t r a w i d e b a n ds c h e m eu s i n gc h i r p w a v e f o r m s J . I E E EJ o u r n a l o nS e l e c t e dA r e a s i nC o m m u n i c a t i o n s , 2006, 24( 4 : 885-891. 2 C H ES h u l i a n g , Z H A N GH o n g x i n , L UY i n g h u a , e ta l . G e n e r a t i

42、 o no fo r t h o g o n a lU WB s h a p i n gp u l s e sb a s e do n c o m p r e s s e dc h i r ps i g n a l J . J o u r n a l o f B e i j i n gU n i v e r s i t y o f P o s t sa n dT e l e c o m m u n i c a t i o n s , 2007, 14( 2 : 99-102. 3 周金 , 邵世祥 . 跳時(shí)超寬 帶 ( T H U WB 多址系統(tǒng)性能的 研究 J . 重 慶 郵 電 大學(xué) 學(xué)

43、報(bào) : 自 然 科 學(xué) 版 , 2007, 19 ( 4 : 481-484. 4 白曉鋒 , 鐘順時(shí) , 梁 仙靈 .翼 形地 板超 寬帶 ( U WB 印 刷天線 J .上 海 大 學(xué)學(xué) 報(bào) : 自 然 科 學(xué)版 , 2006, 12 ( 2 : 125-128. 5 張闕盛 , 鄭繼禹 , 萬心 平 . 鎖 相技術(shù) M . 西安 : 西安 電 子科技大學(xué)出 版社 , 1994: 142-154. 6 P I N K L E YJ . L o wC o mp l e x i t yI n d o o rWi r e l e s sD a t aL i n k s U s i n gC h

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