基于鎖相環(huán)的Chirp超寬帶信號源的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

摘要：在傳統(tǒng)的模擬法產(chǎn)生Chirp超寬帶信號的基礎(chǔ)上，提出了一種基于鎖相環(huán)(PLL)法的Chirp超寬帶信號源設(shè)計方案。與傳統(tǒng)的模擬方法相比，該方法產(chǎn)生的Chirp超寬帶信號載頻穩(wěn)定性高，能夠達(dá)到參考信號的頻率穩(wěn)定度。從理論上分析了該方法的可行性，并用相應(yīng)的硬件電路實(shí)現(xiàn)了基于PLL的Chirp超寬帶信號源。實(shí)驗結(jié)果表明，該方法設(shè)計出的Chirp超寬帶信號源具有易實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定度高，靈活性和實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：Chirp信號；超寬帶；鎖相環(huán)

0 引言
Chirp超寬帶信號是一種瞬時頻率隨著時間線性變化、同時又符合美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)對超寬帶相對帶寬定義的信號，由于其具有抗干擾能力強(qiáng)、發(fā)射功率低、多徑分辨能力強(qiáng)、對頻偏不敏感等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在無線通信、雷達(dá)、精確定位等眾多領(lǐng)域引起了廣泛研究。為了獲得高調(diào)頻線性度、高穩(wěn)定性的Chirp超寬帶信號，國內(nèi)外學(xué)者研究出多種產(chǎn)生Chirp超寬帶信號的方案，常見的有模擬法和數(shù)字法。模擬法可分為有源法和無源法，有源法是用模擬信號直接控制壓控振蕩器(VCO)，使壓控振蕩器輸出Chirp超寬帶信號，這種方法易實(shí)現(xiàn)，并且在寬頻帶內(nèi)能獲得滿意的線性特性，但是載頻穩(wěn)定性差；無源法一般是使用聲表面波(SAW)器件來產(chǎn)生Chirp超寬帶信號，該方法的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的Chirp超寬帶信號頻率和帶寬可以達(dá)到較高，但是其使用靈活性不夠，SAW器件一經(jīng)生產(chǎn)定型，掃頻速率、掃頻起始頻率和掃頻時間等參數(shù)就確定了，無法更改，并且成本高。數(shù)字法是采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)來產(chǎn)生Chirp超寬帶信號，該方法的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的Chirp超寬帶信號頻率分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換時間短，但是存在相位噪聲大、頻譜雜散大等缺點(diǎn)。
本文在直接模擬法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于鎖相環(huán)的模擬法來產(chǎn)生Chirp超寬帶信號設(shè)計方案，并用相應(yīng)的硬件電路實(shí)現(xiàn)了該設(shè)計方案。該方法能夠產(chǎn)生高調(diào)頻線性度、高穩(wěn)定性的Chirp超寬帶信號，克服了傳統(tǒng)的模擬法載頻穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，并且具有低復(fù)雜性、低成本，靈活性強(qiáng)以及易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

1 基于鎖相環(huán)的Chirp超寬帶信號源的設(shè)計原理
基于鎖相環(huán)法的Chirp超寬帶信號源的設(shè)計方案如圖1所示，從圖中可以看出該設(shè)計方案主要由調(diào)制電路和鎖相環(huán)(PLL)電路兩大部分構(gòu)成。調(diào)制電路主要由信源、調(diào)制器兩部分組成，其作用是產(chǎn)生一個速率和幅度可調(diào)的線性模擬信號，通過改變該模擬信號的速率和幅度可靈活控制Chirp超寬帶信號中的參數(shù)。鎖相環(huán)電路是該方案的核心部分，主要由鑒相器PD、環(huán)路濾波器LF和壓控振蕩器(VCO)三部分組成，其作用是完成Chirp超寬帶信號的產(chǎn)生。

為了分析鎖相環(huán)產(chǎn)生Chirp超寬帶信號的原理，建立鎖相環(huán)的相位模型如圖2所示。調(diào)制信號m(t)由LF與VCO之間注入環(huán)路中，圖中θi(s)為基準(zhǔn)輸入信號的相位，θo(s)為VCO輸出信號的相位，θ'o(s)為輸出信號經(jīng)分頻器后反饋到鑒相器的相位，θe(s)為鑒相器輸出相位誤差，K=
KφKvco為鎖相環(huán)的環(huán)路增益。