基于锁相技术的无线通信系统的设计与制作

【摘 要】 本文给出了基于无线通讯系统的全集成频率合成器的完整设计，在此锁相环频率合成器的设计中双模预分频器和压控振荡器的设计是两个难点。基于此，本文将主要分析基于锁相技术的无线通信系统的设计与制作。

【关键词】 锁相环技术；无线通信系统；设计

锁相环是指一种电路或者模块，它用于在通信的接收机中，其作用是对接收到的信号进行处理，并从其中提取某个时钟的相位信息。或者说，对于接收到的信号，仿制一个时钟信号，使得这两个信号从某种角度来看是同步的(或者说，相干的)。由于锁定情形下(即完成捕捉后)，该仿制的时钟信号相对于接收到的信号中的时钟信号具有一定的相差，所以很形象地称其为锁相环。

1锁相环技术的工作原理及功能

1.1锁相环技术的工作原理

锁相环的主要结构十分简单。它由鑒相器、环路滤波器、压控振荡器(VCO)和分频器构成。锁相环电路在启动时处于“失锁”状态，这时，VCO分频后的输出频率与参考信号的频率无关。鑒相器是相位比较部件，把相位差转换成成比例电压信号；环路滤波器具有低通特性，消除误差信号的高频分量及噪声，同时他还是整个环路动态特性的主要调节部件；压控振荡器受控于环路滤波器输出电压的控制，并形成所要求的频率信号。对于数字锁相环的具体工作过程： 在锁相环环路处于失锁状态时，参考时钟的上升沿与VCO输出时钟的上升沿之间存在一个相位差，这个相位差经过积分之后，反馈回来控制VCO的输出频率，使之向参考时钟的频率靠近，直到锁定。锁相环进入“锁定”状态，鑒相器鑒测出来的相位误差就进入要求的相位误差范围中，因为此时VCO的频率和相位都与参考时钟的频率和相位一致。鑒相器只对分频后的VC0输出信号与参考时钟进行比较，因而锁相环的实际输出频率比参考频率高N倍。因此，锁相环还可以实现倍频功能。

1.2锁相环的特性

（1）窄带滤波特性。环路对于输入信号可以等效为一个以压控振荡器输出频率为中心的窄带带通滤波器。（2）频率跟踪特性。锁相环因为是一个反馈的控制系统，所以具有跟踪参考频率的特性。该项特性主要应用于调制解调和提取载波上。

2锁相环路的应用

由于锁相环路性能优越，现广泛应用于无线电通信系统中，可实现模拟和数字信号的调制和解调、频率合成，锁相接收机等方面。

2.1锁相环在调频和解调电路中的应用

调频波的特点是频率随调制信号幅度的变化而变化。由压控振荡器表达式可知，压控振荡器的振荡频率取决于输入电压的幅度。当载波信号的频率与锁相环的固有振荡频率ω0相等时，压控振荡器输出信号的频率将保持ω0不变。若压控振荡器的输入信号除了有锁相环低通滤波器输出的信号uc外，还有调制信号ui，则压控振荡器输出信号的频率就是以ω0为中心，随调制信号幅度的变化而变化的调频波信号。由此可得调频电路可利用锁相环来组成。

2.2锁相环路在频率合成方面的应用

目前，频率合成器已成为电子技术、空间技术和通信技术中的一个重要的组成部分。例如，在现在无线电收、发信机中，广泛采用频率合成器作为收、发信机的振荡频率源。

2.2.1频率合成器概述

所谓频率合成器，就是以一个精确度、稳定度极好的石英晶体震荡器作为基准频率，并利用加、减、乘、除等基本运算技术，以获得与石英晶体振荡器同等精确度和稳定度的大量离散频率信号的设备称作频率合成器。为什么用频率合成器来代替收、发信机的振荡频率源，那么，就应当知道原来收、发信机的振荡频率有什么问题。我们知道，在超外差收信机中，总是要求收到的中频信号是一个恒定的频率值。可是在实际工作中，发信机的载波频率和收信机的本机振荡频率，可能由于温度、电源电压和负载的变化引起频率漂移，从而使混频后的中频频率也发生变化。这样，一方面会给调制信号造成寄生调制而引起接收信号的失真，另一方面又会使收信机的选择性、灵敏性显著地降低，尤其严重的情况是，如果中频频率漂移的范围超出收信机的中频放大器的通频带，则可能完全收不到信号。因此，为了克服上述的缺点，就要求现代的发信机、收信机都采用稳频措施，以提高频率的精确度和稳定度。频率合成器便是一种优良的稳频设备。

2.3锁相式频率合成的实际应用

锁相式频率合成在实际应用中采用IGO环路，这种环路的框图。通常在这种环路中，图中的鑒相器是采用取样—保持电路组成的脉冲取样鑒相器，图中的基准输入脉冲对压控振荡器的输出信号进行周期取样，如果压控振荡器输出频率f0恰好是基准输入脉冲的某次谐波，则脉冲鑒相器输出直流，环路锁定，其环路输出频率f0为：f0=Nf (N=1、2、3、4……)式中N是脉冲的谐波次数。

由此可得出：(1)环路输出频率f0的稳定度取决于基准输入信号频率fi，若fi是石英晶体振荡器的频率，则f0具有与fi相同的频率稳定度，即有较高的频率稳定度。(2) IGO环路，实际上是起着倍频作用，即输出频率f0等于N倍的输入信号频率fi当然锁相式频率合成的实际应用有很多种，在这里只是列举出了其中的一种。

本文设计的是可用于高频无线通信系统的频率合成器模块中的全数字锁相环架构。锁相环路的应用不仅如此，还有可以解决专门问题的锁相环，如彩电电视彩色副载波的提取，振荡器的频率稳定与提取，相关应答器等，在电子设备，无线电，航空航天，雷达等领域被广泛采用。

参考文献

[1]万天才. 频率合成器技术发展动态[J]. 微电子学.2004 年 8 月第 3 卷， p1-6

[2]王建新. 直接数字频率合成技术及其应用研究[D]. 南京理工大学，博士学位论文，1999年 8 月，p.2

[3]高泽溪高成. 直接数字频率合成器(DDS)及其性能分析[J]. 北京航空航天大学学报，1998 年10月第 24 卷第 5 期.

（作者单位：西安外事学院）

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