基于鎖相環的Chirp超寬帶信號源的設計與實現

摘要：在傳統的模擬法產生Chirp超寬帶信號的基礎上，提出了一種基于鎖相環(PLL)法的Chirp超寬帶信號源設計方案。與傳統的模擬方法相比，該方法產生的Chirp超寬帶信號載頻穩定性高，能夠達到參考信號的頻率穩定度。從理論上分析了該方法的可行性，并用相應的硬件電路實現了基于PLL的Chirp超寬帶信號源。實驗結果表明，該方法設計出的Chirp超寬帶信號源具有易實現，穩定度高，靈活性和實用性強等優點。
關鍵詞：Chirp信號；超寬帶；鎖相環

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、發射功率低、多徑分辨能力強、對頻偏不敏感等優點，現已在無線通信、雷達、精確定位等眾多領域引起了廣泛研究。為了獲得高調頻線性度、高穩定性的Chirp超寬帶信號，國內外學者研究出多種產生Chirp超寬帶信號的方案，常見的有模擬法和數字法。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，這種方法易實現，并且在寬頻帶內能獲得滿意的線性特性，但是載頻穩定性差；無源法一般是使用聲表面波(SAW)器件來產生Chirp超寬帶信號，該方法的優點是產生的Chirp超寬帶信號頻率和帶寬可以達到較高，但是其使用靈活性不夠，SAW器件一經生產定型，掃頻速率、掃頻起始頻率和掃頻時間等參數就確定了，無法更改，并且成本高。數字法是采用直接數字頻率合成技術(DDS)來產生Chirp超寬帶信號，該方法的優點是產生的Chirp超寬帶信號頻率分辨率高、頻率轉換時間短，但是存在相位噪聲大、頻譜雜散大等缺點。
本文在直接模擬法的基礎上，提出了一種基于鎖相環的模擬法來產生Chirp超寬帶信號設計方案，并用相應的硬件電路實現了該設計方案。該方法能夠產生高調頻線性度、高穩定性的Chirp超寬帶信號，克服了傳統的模擬法載頻穩定性差的缺點，并且具有低復雜性、低成本，靈活性強以及易于實現等優點。

1 基于鎖相環的Chirp超寬帶信號源的設計原理
基于鎖相環法的Chirp超寬帶信號源的設計方案如圖1所示，從圖中可以看出該設計方案主要由調制電路和鎖相環(PLL)電路兩大部分構成。調制電路主要由信源、調制器兩部分組成，其作用是產生一個速率和幅度可調的線性模擬信號，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。鎖相環電路是該方案的核心部分，主要由鑒相器PD、環路濾波器LF和壓控振蕩器(VCO)三部分組成，其作用是完成Chirp超寬帶信號的產生。

為了分析鎖相環產生Chirp超寬帶信號的原理，建立鎖相環的相位模型如圖2所示。調制信號m(t)由LF與VCO之間注入環路中，圖中θi(s)為基準輸入信號的相位，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為鎖相環的環路增益。