基于鎖相環(huán)路實(shí)現(xiàn)CPFSK中頻調(diào)制器的設(shè)計(jì)方案

頻移鍵控（FSK）是利用數(shù)字基帶信號(hào)控制載波的頻率來(lái)傳送信息的一種方式。“1”碼用頻率f1傳輸，“0”碼用頻率f2傳輸。FSK信號(hào)又可分為2種，一種叫離散相位FSK信號(hào)，記作DPFSK，這種信號(hào)的波形在基帶信號(hào)“0”，“1”交替時(shí)，載波相位不連續(xù)；另一種叫相位連續(xù)FSK信號(hào)，記作CPFSK，他在碼元“0”，“1”交替時(shí)相位連續(xù)。CPFSK信號(hào)由于其相位的連續(xù)性，不僅具有實(shí)現(xiàn)容易、適用頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)、解調(diào)無(wú)需相干載波等優(yōu)點(diǎn)，而且避免了DPFSK信號(hào)由于在頻率轉(zhuǎn)換點(diǎn)上的相位不連續(xù)，而使功率譜產(chǎn)生很大的旁瓣分量，帶限后會(huì)引起包絡(luò)起伏的缺點(diǎn)，因此在數(shù)字通信領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。
在實(shí)際應(yīng)用中CPFSK信號(hào)的實(shí)現(xiàn)有許多種途徑，例如采用頻率切換技術(shù)、動(dòng)態(tài)改變諧振電路LC組件參數(shù)或者直接采用調(diào)制芯片如DDS等。如何在滿足系統(tǒng)功能的前提下，以較少的硬件成本完成CPFSK信號(hào)調(diào)制，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。本文介紹在我國(guó)磁懸浮列車車地通信系統(tǒng)中應(yīng)用的一種CPFSK中頻調(diào)制器，其核心是基于鎖相環(huán)路的CPFSK信號(hào)調(diào)制技術(shù)。系統(tǒng)要求中頻頻率為280 MHz，在信道帶寬25 MHz以內(nèi)，對(duì)前級(jí)編譯碼板提供的碼率為10.24 Mb∕s的數(shù)據(jù)和周期為1 ms，脈寬10～12μs的報(bào)頭脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)調(diào)制后送至后級(jí)的38 GHz毫米波前端。
2 設(shè)計(jì)思路及系統(tǒng)仿真
CPFSK的基本數(shù)學(xué)原理就是用數(shù)字基帶信號(hào)去控制頻率的切換，完成對(duì)載頻信號(hào)的調(diào)制，并保持相位的連續(xù)性，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息的傳輸。在一個(gè)碼元時(shí)間Ts內(nèi)，CPFSK信號(hào)可表示為：
當(dāng)θ（t）為時(shí)間的連續(xù)函數(shù)時(shí)，已調(diào)波在所有時(shí)間上是連續(xù)的。若傳0碼時(shí)載頻為ω1，傳1碼時(shí)載頻為ω2，他們相對(duì)于未調(diào)載頻ω0的頻偏為△ω，上式又可寫為：
式中的θ（0）為初相角，取決于過(guò)去碼元的調(diào)制的結(jié)果，他的選擇要防止相位的任何不連續(xù)性。對(duì)于CPFSK信號(hào)有，βf稱為調(diào)制指數(shù)。
傳統(tǒng)CPFSK信號(hào)的實(shí)現(xiàn)途徑包括以下3種方式：
頻率轉(zhuǎn)換 采用數(shù)字基帶信號(hào)控制兩個(gè)獨(dú)立的振蕩器，通過(guò)加法器疊加實(shí)現(xiàn)CPFSK調(diào)制。該方式采用了部分?jǐn)?shù)字電路，精度較高，但由于兩個(gè)邊頻采用獨(dú)立的高頻振蕩器生成，在頻域引入了大量的諧波成分，無(wú)法滿足相位連續(xù)的調(diào)制。
直接調(diào)頻 采用數(shù)字基帶信號(hào)直接控制LC振蕩回路的參數(shù)改變，實(shí)現(xiàn)CPFSK調(diào)制。該方式實(shí)現(xiàn)容易，相位連續(xù)，但采用了大量的仿真電路組件，頻率精度和穩(wěn)定性無(wú)法保證。
調(diào)制解調(diào)芯片 采用成熟的調(diào)制解調(diào)芯片實(shí)現(xiàn)。該方式采用了當(dāng)前通信電子技術(shù)發(fā)展的最新成果，直接利用現(xiàn)成硬件加以實(shí)現(xiàn)CPFSK調(diào)制、精度高、頻率穩(wěn)定性好，但由于調(diào)制解調(diào)芯片普遍遵循了相應(yīng)的CCITT通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，只能實(shí)現(xiàn)特定載頻、特定調(diào)制頻率上的CPFSK調(diào)制，并且硬件成本較高，無(wú)法滿足專用領(lǐng)域的應(yīng)用。
綜上所述，該CPFSK調(diào)制器采用基于鎖相環(huán)路（PLL）方式的CPFSK調(diào)制，其原理與仿真調(diào)制相同，一方面可以保證相位的連續(xù)性，另一方面利用PLL的穩(wěn)頻特性可以保證較高的頻率的穩(wěn)定度，并且實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)便。
調(diào)制器原理框圖如圖1所示。
基于鎖相環(huán)路實(shí)現(xiàn)CPFSK中頻調(diào)制器的設(shè)計(jì)方案
基于鎖相環(huán)路實(shí)現(xiàn)CPFSK中頻調(diào)制器的設(shè)計(jì)方案
其中數(shù)據(jù)信號(hào)為10.24 MHz曼徹斯特編碼信號(hào)，為了限制中頻帶寬并減小數(shù)據(jù)信號(hào)的碼間串?dāng)_，在數(shù)據(jù)濾波部分采用升余弦濾波器，其頻率特性為：
升余弦特性所形成的基帶波形h（t），除了在本碼元抽樣時(shí)刻上不為零外，在其它碼元的抽樣點(diǎn)上均為零值，滿足無(wú)碼間干擾的時(shí)域條件。不僅如此，他在兩個(gè)抽樣點(diǎn)之間還有一個(gè)零點(diǎn)，并且他的“尾巴”收斂快，因此這樣的波形對(duì)于減小碼間干擾及定時(shí)提取都十分有利。
用報(bào)頭信號(hào)作為開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)10.24 MHz的副載波（來(lái)自于前級(jí)的數(shù)據(jù)基帶板的參考輸出，以便與數(shù)據(jù)有同步關(guān)系）進(jìn)行幅度鍵控（ASK），將鍵控輸出與數(shù)據(jù)信號(hào)合成后送到VCO調(diào)諧端。選用10.24 MHz這個(gè)頻率做副載波，從頻譜上看10.24 MHz恰好為數(shù)據(jù)信號(hào)頻譜的一個(gè)零點(diǎn)，這樣可以有效避免報(bào)頭和數(shù)據(jù)信號(hào)的互相干擾，利于解調(diào)。此外10.24 MHz還作為單片機(jī)的外接參考。
合成的調(diào)制信號(hào)加到VCO的調(diào)諧端，對(duì)于鎖在一個(gè)點(diǎn)頻上的鎖相環(huán)而言，調(diào)制信號(hào)可認(rèn)為是一種干擾，因此PLL的環(huán)路濾波器必須抑制掉調(diào)制信號(hào)對(duì)載頻的干擾。從鎖相環(huán)誤差傳遞函數(shù)的角度來(lái)分析，由于鎖相環(huán)的誤差傳遞函數(shù)He（jω）具有高通特性，因此必須設(shè)計(jì)合適的環(huán)路濾波器，讓調(diào)制信號(hào)的最低頻率ωm處于鎖相環(huán)誤差傳遞函數(shù)的通帶以內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。這種方案在調(diào)制頻率ωm很低，進(jìn)人He（jω）的阻帶之后，調(diào)制頻偏是很小的，這是這類方案的一個(gè)顯著的缺點(diǎn)。但由于送入該調(diào)制器的數(shù)據(jù)信號(hào)為10.24 Mb∕s的曼徹斯特編碼信號(hào)，調(diào)制頻率下限不可能很低，從而避免了上述缺點(diǎn)的影響。
圖2是用SystemView對(duì)整個(gè)調(diào)制器進(jìn)行系統(tǒng)仿真的框圖和得到的已調(diào)信號(hào)的頻譜。

3 實(shí)際電路
調(diào)制信號(hào)輸入部分如圖3所示，報(bào)頭信號(hào)輸入經(jīng)比較器AD8611整形后作為開(kāi)關(guān)ADG736的控制信號(hào)，電位器W1用于調(diào)節(jié)比較器的參考電壓，以適應(yīng)不同幅度的報(bào)頭輸入。編譯碼送來(lái)的10.24 MHz數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波并由電位器W2控制幅度后送入ADG736。ASK輸出和經(jīng)升余弦濾波后的數(shù)據(jù)信號(hào)一起送到放大器AD8072放大后送至VCO的調(diào)諧端，電位器W3用于控制合成信號(hào)的幅度，從而控制調(diào)制器的調(diào)制度，使已調(diào)信號(hào)帶寬控制在系統(tǒng)要求的25 MHz以內(nèi)。
鎖相環(huán)部分如圖4所示，經(jīng)過(guò)前面的分析，鎖相環(huán)的環(huán)路濾波器帶寬應(yīng)低于調(diào)制信號(hào)的最低頻率。

由于磁懸浮列車行進(jìn)過(guò)程中的振動(dòng)可能會(huì)引起輸出頻率的抖動(dòng)，因此環(huán)路帶寬又必須足夠?qū)捠规i定時(shí)間足夠快。綜合上述考慮，環(huán)路帶寬設(shè)計(jì)成50 kHz左右，鑒相頻率由單片機(jī)過(guò)程控制可選500 kHz，625 kHz，1 250 kHz，2 500 kHz四種，以便通過(guò)調(diào)試過(guò)程得出一個(gè)最優(yōu)值。鑒相器芯片選取帶Charge Pump的LMX2316，其為32∕33雙模預(yù)分頻，外接晶振5～100 MHz，最大鑒相頻率10 MHz，射頻輸入工作頻率0.1～2.8 GHz。由于ChargePump電流較小因此環(huán)路濾波器采用有源濾波器標(biāo)準(zhǔn)反饋結(jié)構(gòu)（standard feedback approach）以獲取較低的雜散。使用NSC的“WEBBECH”工具，可以方便快捷地完成鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)和仿真。此外12.5 MHz的晶振輸出經(jīng)放大器SNA586放大后送至多任務(wù)器，為后級(jí)的毫米波前端提供參考信號(hào)。系統(tǒng)提供的發(fā)射控制信號(hào)用于實(shí)現(xiàn)各發(fā)射站間的信號(hào)切換，以避免越站干擾。
最終完成的實(shí)際電路如圖5所示。調(diào)制器中頻為280 MHz，已調(diào)信號(hào)帶寬25 MHz（可調(diào)），最大數(shù)據(jù)速率可達(dá)15 Mb∕s（死循環(huán)誤碼率10-9）。目前該中頻調(diào)制器已在磁浮試驗(yàn)線車地通信系統(tǒng)的地面基站和車載移動(dòng)站中投入使用，性能良好。