一種測速測距頻率合成器的設(shè)計

王飛 賀德溪

摘 要：為了解決傳統(tǒng)單頻連續(xù)波只能測量車輛速度，不能測量車輛的距離的問題，給出了一種測速測距的頻率合成器的設(shè)計方法。針對傳統(tǒng)的調(diào)制連續(xù)波進行分析，采用小數(shù)N鎖相器ADF4159設(shè)計了掃頻頻率合成器，輸出頻率范圍為24GHz～24.2GHz的寬帶頻率信號。重點介紹元器件的選擇和鎖相電路的設(shè)計，并用ADIsimPLL軟件進行頻率合成器的優(yōu)化。仿真結(jié)果驗證了電路的可行性。

關(guān)鍵詞：ADF4159 鎖相環(huán) 調(diào)頻連續(xù)波

中圖分類號：TN06 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）02（a）-0080-03

隨著公路交通快速發(fā)展，超速行駛、交通事故率偏高是導(dǎo)致交通事故的主要原因。為了減少由于超速行駛引起的交通事故，通過使用雷達來檢測行車速度。目前測速雷達頻率合成器使用單頻連續(xù)波，只能測量運動車輛的速度，不能測距?，F(xiàn)階段警務(wù)人員執(zhí)法需要使用雷達不僅車速測量準(zhǔn)確，而且定位也精確。若采用頻移鍵控方式，頻率合成器發(fā)射信號兩個頻率，按照周期方波的規(guī)律所變化，在接收端通過測量兩個回波的相位差來測量距離，但是當(dāng)多個車輛運動或者車輛靜止時，就很難測量。

另一方面，通過使用單片機產(chǎn)生三角波電壓信號，調(diào)制壓控振蕩器產(chǎn)生調(diào)制連續(xù)波進行測速和測距，調(diào)制的電路雖然設(shè)計簡單，但是壓控振蕩器的核心元件變?nèi)荻O管的固有特性，輸出頻率與調(diào)諧電壓不是線性關(guān)系，這樣對測距范圍和測距精度都有很大的影響[1]。雷達的頻率合成的輸出結(jié)果會直接影響到測量速度和距離的精度。然而，傳統(tǒng)的頻率合成器價格較高，電路復(fù)雜，在某些空間狹小的應(yīng)用場合很難滿足用戶的設(shè)計要求。本文給出了一種基于鎖相技術(shù)產(chǎn)生調(diào)頻信號，應(yīng)用調(diào)頻連續(xù)波信號，來進行速度和距離的測量。詳細介紹頻率合成器硬件電路設(shè)計和器件的選型，通過電路軟件仿真滿足系統(tǒng)要求。

1 雷達頻率合成器設(shè)計方案

根據(jù)雷達系統(tǒng)實現(xiàn)的任務(wù)目標(biāo)，對該頻率合成器的論證分析，提出了主要技術(shù)指標(biāo)：工作頻率24GHz～24.2GHz，相位噪聲：≤-70dBc/Hz@1kHz，輸出雜散優(yōu)于-60dBc。鎖相頻率系統(tǒng)的設(shè)計方案如圖1所示，鎖相器采用ADF4159芯片，電路為非線性相位自動控制系統(tǒng)。

頻率合成器采用小數(shù)分頻鎖相型ADF4159，小數(shù)分頻能更能夠產(chǎn)生精確的頻率信號，對測量的距離有很好的精度。鎖相器把晶振輸入信號的相位與壓控振蕩器輸出信號的相位進行比較產(chǎn)生的相位誤差，通過鎖相芯片產(chǎn)生負反饋電壓，該電壓經(jīng)過環(huán)路濾波器進行濾除高頻分量后加到壓控振蕩器來控制輸出頻率，從而改變了振蕩器的頻率。振蕩器輸出的頻率經(jīng)過內(nèi)部分頻后又反饋到鎖相器，由此組成一個相位反饋系統(tǒng)；從而減小輸入信號與振蕩器的相位誤差。鎖相器用DSP控制來產(chǎn)生調(diào)制連續(xù)波功能，環(huán)路濾波器采用了有源濾波器，它濾除誤差信號的高頻分量，同時也能抑制噪聲的干擾，改善相位噪聲。

2 器件的選擇和實現(xiàn)

為了達到系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，需要對芯片器件進行選擇。頻率合成器主要由ADI公司鎖相芯片ADF4159鎖相器組成。該芯片射頻帶寬13GHz并具有調(diào)制和波形產(chǎn)生功能的小數(shù)分頻頻率綜合器，集成了低噪聲數(shù)字鑒頻鑒相、精密的電荷泵、可編程參考分頻器，具有快速產(chǎn)生連續(xù)三角諧波的功能?？焖賿呙桀l率輸出產(chǎn)生具有測距測速的頻率合成器。芯片的最大特點是它的工作頻率高，使得高頻系統(tǒng)的倍頻裝置得以精簡，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了功耗和設(shè)備成本。內(nèi)部寄存器為雙重緩沖讀寫設(shè)計，使頻率控制更加穩(wěn)定，通過設(shè)置寄存器可以實現(xiàn)點頻、線性掃頻、FSK調(diào)制、PSK調(diào)制，在精確工作模式下，它內(nèi)部的小數(shù)頻率調(diào)制器可以實現(xiàn)零頻差[2]。

壓控振蕩器要保證鎖相環(huán)輸出頻率的要求，對產(chǎn)生掃頻的頻率穩(wěn)定度高，諧波和次諧波抑制特性好，相位噪聲低。器件的選取主要考慮壓控振蕩器相位噪聲、穩(wěn)定度等關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，使用器件時我們主要考慮掃頻范圍、低相位噪聲、信號的頻譜純度等，由于雷達測量距離近，發(fā)射功率不需要太高，所以從小型化和設(shè)計難易程度上考慮，根據(jù)指標(biāo)要求選用ADI公司的HMC739LP4振蕩器。工作頻率：23.8GHz～26.8GHz，-93dBc@100kHz相位噪聲，輸出功率為8dBm。

3 電路設(shè)計

環(huán)路濾波器用于濾除鑒相器中的高頻成分，平滑濾波并最終使環(huán)路到達穩(wěn)定的作用，它是鎖相環(huán)電路的關(guān)鍵部分。環(huán)路濾波器主要控制環(huán)路帶內(nèi)外噪聲、抑制鑒相器輸出電壓中的載頻分量和高頻成分的噪聲，維持環(huán)路穩(wěn)定性的作用，降低了因VCO控制電壓不純而引起的寄生輸出，保證了環(huán)路的性能，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。合理地對環(huán)路濾波器進行設(shè)置可以使環(huán)路快速進入鎖定狀態(tài)，并有效對雜散進行抑制以降低相位噪聲。在實際應(yīng)用中，通過環(huán)路濾波器的設(shè)計理論及傳遞函數(shù)，將相位裕度控制在30°～70°之間。設(shè)計帶寬越大越好，可以有效的抑制壓控振蕩器的噪聲，但是選擇環(huán)路帶寬較大，鎖定時間越短，但參考雜散和相位噪聲越大，由于環(huán)路帶內(nèi)的相位噪聲主要由參考頻率決定，環(huán)路外的由壓控振蕩器決定，故帶寬要根據(jù)使用情況來選擇，通常環(huán)路帶寬最大不能超過鑒相頻率的1/10。電荷泵電流在寬帶寬模式，必須確保穩(wěn)定性，減少頻率變化中的頻率過沖。

選用的VCO調(diào)諧電壓范圍是1～13V，VCO的調(diào)諧電壓由鑒相器提供，而ADF4159鑒相器的最大輸出為3.3V，不能滿足VCO調(diào)諧電壓的需求，因此必須采用有源環(huán)路濾波器才能將鑒相器的輸出電壓進行放大，以使能夠覆蓋VCO的電壓調(diào)諧范圍。電路設(shè)計有源環(huán)路濾波器采用反相接入為了抑制運算放大器引入的噪聲，即不需要修改環(huán)路濾波器的情況下有更快的捕捉時間，

圖2采用反饋行四階有源濾波器電路，在電路中為了降低運算放大器對環(huán)路輸出相位噪聲的影響，采用低噪聲、高速運算放大器OP184。運算放大器的正向輸入電壓設(shè)置在鎖相器供電電壓的一半，這樣有利于降低相位噪聲。把24GHzVCO內(nèi)部進行二分頻，輸出反饋到鑒相器，通過配置Σ-Δ調(diào)制器模式，產(chǎn)生調(diào)頻信號，該方法無需校準(zhǔn)便可提供掃頻的頻率。

4 仿真結(jié)果分析

利用ADI公司提供的PLL仿真工具ADIsimPLL4.0版軟件進行仿真，選擇適當(dāng)?shù)膸捒梢越档拖辔辉肼?，加快環(huán)路的鎖定時間。其參數(shù)設(shè)置為：鑒相頻率為50MHz，環(huán)路帶寬選擇100kHz，相位裕量選擇45°，電荷泵的增益為5mA，壓控振蕩器靈敏度選擇60MHz/V，24GHzVCO內(nèi)部進行二分頻，產(chǎn)生輸出頻率的中心頻率為12.1GHz。為了更接近系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計可以計算出來環(huán)路參數(shù)的初值和軟件進行仿真，優(yōu)化的結(jié)果可得圖3。

從圖3可以得出，在12.1GHz（24.2GHz二分頻輸出）頻點，相位噪聲為≤-88dBc/Hz@1kHz，-92dBc/Hz@100kHz。輸出相位噪聲和雜散的抑制都能滿足系統(tǒng)的要求。

5 結(jié)語

本文解決傳統(tǒng)單頻連續(xù)波只能測量車輛速度，不能測量車輛的距離的問題，設(shè)計了一種測速測距的頻率合成器，利用小數(shù)分頻器ADF4159來產(chǎn)生調(diào)頻連續(xù)波，經(jīng)過電路仿真能滿足系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)，該頻率合成器具有鎖相時間快、功耗低、頻率穩(wěn)定等特點，通過后級的數(shù)據(jù)分析，進行頻域數(shù)字信號處理，來提取反射目標(biāo)的相關(guān)信息，來實現(xiàn)車輛速度、距離的精確的測量。本設(shè)計方法能夠在車輛跟蹤和警用測速等諸多領(lǐng)域中使用；目前已應(yīng)用于警用測速系統(tǒng)。

參考文獻

[1] 宋惠軒.24GHz車載雷達射頻前端設(shè)計[D].西安電子科技大學(xué)，2014.

[2] Direct Modulation/Fast Waveform Generating，13 GHz， Fractional-N Frequency Synthesizer ADF4159[Z].ADF4159 Data Sheet，2015.

[3] 王飛，馬勝前.S波段鎖相頻率合成器的設(shè)計[J].安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2009，8（4）：16-19.