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[導讀]摘 要:介紹了準兩點注入式調(diào)頻技術,以及相關電路設計和實驗結(jié)果。理論分析和實踐表明,準兩點注入式鎖相調(diào)頻源具有平坦的寬帶調(diào)制特性,能滿足高碼速率測控通信發(fā)射設備的實際要求。關鍵詞: 測控通信 鎖相 調(diào)頻源

摘 要:介紹了準兩點注入式調(diào)頻技術,以及相關電路設計和實驗結(jié)果。理論分析和實踐表明,準兩點注入式鎖相調(diào)頻源具有平坦的寬帶調(diào)制特性,能滿足高碼速率測控通信發(fā)射設備的實際要求。

關鍵詞: 測控通信 鎖相 調(diào)頻源 PCM體制

隨著二十一世紀的來臨,測控通信系統(tǒng)將朝著更高傳輸速率的方向發(fā)展,即所要傳輸?shù)膽?zhàn)術飛行試驗數(shù)據(jù)容量和參數(shù)種類隨著武器系統(tǒng)的發(fā)展而劇增,將要求PCM信號的碼速率由目前的幾百kb/s增加到2Mb/s或更高。在國際測控通信頻段(S波段),要實現(xiàn)2Mb/s PCM信號的調(diào)頻,構(gòu)成調(diào)頻源的技術方案有兩種。一種是在晶體振蕩器上進行調(diào)頻,然后再通過倍頻、濾波和放大鏈路來達到所需的工作頻率、功率和調(diào)制特性。該方案使用經(jīng)典電路,容易實現(xiàn)高碼速率信號的寬帶調(diào)頻,但其電路結(jié)構(gòu)復雜,調(diào)試難度大,雜波抑制比和工作穩(wěn)定性也不十分理想。另一種方案是在微波頻段進行鎖相調(diào)頻,也就是在鎖相振蕩器中采用兩點注入式調(diào)頻方式,來實現(xiàn)2Mb/s遙測信號的寬帶調(diào)頻。它克服了第一種方案的缺點,達到較好的技術性能,是工程應用中比較好的技術方案。兩點注入式調(diào)頻也有兩種實現(xiàn)方式,即完全兩點注入式調(diào)頻方式和準兩點注入式調(diào)頻方式。前一種方式是將PCM信號分成兩路,一路注入到S波段壓控振蕩器(VCO),另一路注入到晶振參考源。在晶振進行寬帶調(diào)頻,將與頻率穩(wěn)定度之間有一定的矛盾,具體實現(xiàn)有較大技術難度。而后一種方式卻不存在這一問題。因此,本文研究的調(diào)頻源將選用準兩點注入式調(diào)頻方式。

1 準兩點注入式鎖相調(diào)頻源構(gòu)成和調(diào)頻

特性分析

將PCM信號分成兩路,一路直接注入到S波段VCO輸入端,使VCO的輸出頻率隨著調(diào)制信號線性變化,實現(xiàn)直接調(diào)頻;另一路經(jīng)過一個積分器注入到環(huán)路濾波器輸入端口后,再對VCO進行調(diào)相來實現(xiàn)間接調(diào)頻。該調(diào)頻方式稱為準兩點注入式鎖相調(diào)頻。準兩點注入式鎖相調(diào)頻源構(gòu)成框圖如圖1所示。圖中,PD為鑒相器;LF為環(huán)路濾波器;N為環(huán)路中分頻器鏈路總的分頻比;晶振為鎖相環(huán)路的參考源。

圖2為準兩點注入式鎖相調(diào)頻源的相位模型。圖中,為簡化分析,未將預調(diào)電路考慮進去,但不影響分析結(jié)果。 lang="EN-US" style="font-size:10.5pt;mso-bidi-font-size: 10.0pt;font-family:"Times New Roman";mso-fareast-font-family:宋體;mso-font-kerning: 1.0pt;mso-ansi-language:EN-US;mso-fareast-language:ZH-CN;mso-bidi-language: AR-SA">   是VCO的壓控靈敏度;  (V/rad)是鑒相器的鑒相靈敏度;  (1/S)為積分器的積分時間常數(shù);F(S)是環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù);  (S)為PCM信號。

由相位模型可得

??

為使調(diào)頻特性分析簡便,設θiS=0解方程組(1)得出  (S)引起的環(huán)路總輸出相位變化

 

所以,產(chǎn)生的調(diào)制頻偏為:


式(4)表明,在準兩點注入式調(diào)頻中,合理設計積分器,選擇其積分常數(shù)Km滿足下列條件:


其調(diào)頻特性將為一平坦的直線Kv,即可得到與環(huán)路響應無關的寬帶調(diào)制特性。這一技術特性正好滿足高碼速率信號的調(diào)頻要求。

2 主要電路的設計

2.1 VCO調(diào)頻電路

按照國標標準,對于PCM/FM測控通信系統(tǒng),要確保系統(tǒng)的誤碼概率最小,其最佳調(diào)制頻偏應選擇為


 為適應2Mb/s PCM信號傳輸和寬帶調(diào)制的要求,采用的VCO調(diào)頻電路應具有調(diào)制線性范圍寬,調(diào)制頻偏大的特性。據(jù)此,選用雙變?nèi)荻O管部分接入回路形式的調(diào)頻電路,如圖3所示。圖中,電感L為一段四分之一波長、特性阻抗為100Ω的高阻抗微帶線,它將V1的正極直流接地。V1和V2為相同型號的變?nèi)荻O管,V3為VCO振蕩管。

要使2Mb/s PCM信號能在調(diào)頻電路中產(chǎn)生調(diào)制響應,并有較大的調(diào)制頻偏,其技術關鍵在于變?nèi)荻O管的選取。

對于變?nèi)荻O管,它的結(jié)電容Cj與所加的電壓信號VR之間有如下關系:


式中,?為變?nèi)荻O管內(nèi)建電位差(對于GaAS管,φ=1.3V);C`0是VR=0時的結(jié)電容,為一常數(shù);γ是電容-電壓斜率指數(shù)。

選擇變?nèi)荻O管,電容-電壓斜率指數(shù)γ是我們應考慮的重要因素。因為,γ≈1的變?nèi)荻O管僅適用于窄帶調(diào)制,而1.2<γ<1.4的變?nèi)荻O管是寬帶調(diào)制的最佳選擇。例如,選取美國MACOM公司生產(chǎn)的GaAs超突變結(jié)變?nèi)荻O管MA46482,其γ值為1.25。

2.2 環(huán)路濾波器和積分器電路

環(huán)路濾波器和積分器電路如圖4所示。其中,環(huán)路濾波器采用有源比例積分低通濾波器,由運算放大器CA3140E和  、  、C組成。積分器由另一個CA3140E和  構(gòu)成,為有源積分器。

環(huán)路濾波器中  、  、C的值由環(huán)路自然諧振角頻率ωn和阻尼系統(tǒng)ξ這兩個參數(shù)決定。其計算公式為?

?

在設計中,選取ωn=2π×100rad/s,ξ=0.707,kV=2π×8×106rad/sV,kD=20.12V/rad,n=320,c=0.1μF,經(jīng)過計算得到R1=477.4kΩ,R2=22.5kΩ。實際取R1=470kΩ,R2=22kΩ。

對于有源積分器,它的積分時間常數(shù)計算式為?


另外,為確保有源積分器能正常工作,其運算放大器的3腳應接上一個20kΩ的電阻。

 2.3 分頻器鏈路

鎖相環(huán)路中的分頻器鏈路是使用÷4分頻器IFD-53110和÷80分頻器SE114來組成,如圖5所示。IFD-53110是微波高速分頻器,屬于微波和ECL電路,最高工作頻率達3500MHz,微帶封裝結(jié)構(gòu),體積比較小。SE114為ECL和TTL集成電路,最高工作頻率可達1000MHz。

該分頻器鏈路的輸入信號為經(jīng)微帶耦合輸入的VCO信號,四分頻器和八十分頻器之間是通過一個阻容耦合網(wǎng)絡連接,鏈路輸出信號,即經(jīng)320次分頻后的VCO信號送到鑒相器輸入端口。

3 實驗研究結(jié)果

本調(diào)頻源的振蕩管選用AT-42070晶體管,鑒相器是MC4344集成塊,晶振參考源選用溫補晶振ZWB-18B。將微波高速分頻器和FM/VCO電路制作在40×30  的微帶片子上,鎖相環(huán)路和其它電路一起制作在76×79  的印制板上,整個調(diào)頻源體積為115×85×35  。經(jīng)過精心調(diào)試和反復實驗后,調(diào)頻源達到了以下主要技術指標:

·工作頻率:S頻段;

·輸出功率大于100mW;

·頻率穩(wěn)定度達到  ;

·輸入2.048Mb/s PCM信號,調(diào)制頻偏±700kHz;

·雜波抑制比高達62dBc;

·工作電壓+27V,電流0.25A。

總之,準兩點注入式鎖相調(diào)頻源,具有平坦的寬帶調(diào)制特性。當積分器的參數(shù)設計適當時,調(diào)制特性與環(huán)路參數(shù)無關,使環(huán)路參數(shù)的設計范圍增大,有利于提高調(diào)頻源鎖定狀態(tài)的穩(wěn)定性,該調(diào)頻源適用于2Mb/s測控通信系統(tǒng)調(diào)頻發(fā)射設備的研制。文中的分析結(jié)果和給出的主要電路,在技術上有較大的參考價值。
 

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