一種基于DDS+PLL的Chirp-UWB信號產生方案

1 系統結構
DDS結合PLL產生Chirp-UWB信號的系統結構如圖1所示。

本方案由DDS產生的窄帶Chirp信號作為PLL的參考信號。VCO產生的高頻振蕩經N分頻后，在鑒相器(PD)中與DDS產生的窄帶線性調頻信號進行相位比較。系統穩定后，VCO產生的高頻振蕩經N分頻后，其信號與DDS產生的窄帶chirp信號的掃頻線性度和頻率穩定度一致。在這個方案中，PLL實際起到了倍頻的作用，即將DDS輸出的高線性調頻信號進行了N倍的倍頻。由于DDS輸出頻率和帶寬可以編程控制，這種方式產生的Chirp-UWB帶寬是可控的，在設計上具有很大的靈活性。

2 系統設計與仿真
本系統主要由參考信號發生電路，鎖相環電路兩部分組成。對于鎖相環電路，射頻仿真軟件ADS提供有專門的元件庫(System-PLL components)，可以利用其中的元件快速建立鎖相環的電路模型。然而，基于DDS產生的參考信號則由鋸齒波控制線性VCO來實現，只要合理設置參數，這種等效并不會影響系統性能。下面對電路的各部分的設計進行分析。
2．1 參考信號產生
參考信號的產生可通過數字正交上變頻芯片AD9857實現，中心頻率設為100 MHz，Chirp信號的帶寬設為7 MHz。利用ADS仿真時由鋸齒波控制線性VCO，即可產生一個窄帶Chirp信號作為鎖相環的輸入參考信號。
2．2 鑒相器和分頻器
通常鎖相環芯片都同時集成鑒相器和分頻器，如ADI公司的ADF4106。該芯片鑒相器采用電荷泵輸出的鑒相器。圖2為一個電荷泵輸出鑒相器的原理圖。

這種鑒相器由兩個D觸發器、一個與門和兩個電流源構成，不僅可以鑒相，也可以鑒頻，同時由于它采用電流源輸出，克服了電壓輸出型鑒頻鑒相器增益變化的不足。該鑒相器的輸出電流與相位誤差關系為iout=Kdθe／Rb，其中：Rb為鑒相器電壓電流轉換器固有的跨阻。分頻器的作用是將VCO產生的輸出信號頻率除以N，然后輸入鑒相器與參考信號進行比較。仿真時，直接采用ADS提供的元件Divide by N來實現，設其分頻比N=70。
2．3 低通濾波器
環路濾波器的設計是鎖相環設計的關鍵。本設計中需要跟蹤一個頻率斜升信號。根據鎖相原理，要跟蹤此類信號，必須二型以上環路。本設計中環路濾波器采用四階二型無源環路濾波器，由于電荷泵型鑒相器的輸出為電流，所以該環路等效于一個二階有源比例積分濾波器加兩級輔助濾波。輔助濾波用于濾除參考信號饋通。環路傳輸函數F(s)可以近似表示為：

根據鑒相頻率為100 MHz，這里選擇截止頻率ft為2 MHz。根據穩定性原理，通常選擇為5～10倍ω3，ω5為3～8倍ω4，而ω1的選取則是保證環路幅頻響應在ft處過零點。在ADS環境下，對模型中各元件大致設定一個初值及優化區間，然后進行優化設計，即可得到各元件值。最終鎖相環開環響應如圖3所示。