電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 徐雨濛 陳 哲

幾種鎖相環(huán)芯片在移動通信及其他環(huán)境中的應(yīng)用

電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 徐雨濛 陳 哲

鎖相環(huán)是一種可以產(chǎn)生輸出信號相位與輸入標(biāo)準(zhǔn)信號相位相關(guān)的控制系統(tǒng)。本文簡介了鎖相環(huán)的發(fā)展簡史以及其在現(xiàn)代移動通信中的重要地位，并介紹了Freescale公司的MC33493芯片在輪胎壓力檢測中的實(shí)際應(yīng)用。

鎖相技術(shù)；頻率合成

一、鎖相環(huán)的發(fā)展簡史

鎖相環(huán)是一種可以產(chǎn)生輸出信號相位與輸入標(biāo)準(zhǔn)信號相位相關(guān)的控制系統(tǒng)。它的電路結(jié)構(gòu)包括一個壓控振蕩器，鑒頻器和環(huán)路濾波器。鎖相環(huán)電路通過比較輸入標(biāo)準(zhǔn)信號和從輸出振蕩器得到的信號來調(diào)節(jié)振蕩頻率使其相位匹配。從鑒頻器中得到的信號電壓信息用來在反饋環(huán)路中控制振蕩器。因頻率是相位的導(dǎo)數(shù)，那么保持輸入輸出相位入鎖意味著輸入輸出的頻率同時入鎖。因此，鎖相環(huán)可以跟蹤一個輸入頻率或者產(chǎn)生一個和輸入頻率成倍數(shù)關(guān)系的輸出頻率。前一個性質(zhì)多用來解調(diào)，后一個性質(zhì)多用來間接頻率合成。

電子振蕩器的自動同步是在1923年第一次被提出的。最早關(guān)于我們現(xiàn)在所說的鎖相環(huán)的研究要則追溯到1932年，當(dāng)時英國的科研人員研究出了可以替代Edwin Armstrong超外差接收機(jī)的零差接收機(jī)（直接轉(zhuǎn)換接收機(jī)）。這個系統(tǒng)的目的是研制一種所需更少調(diào)諧電路，可以替代超外差接收機(jī)的接收機(jī)。因?yàn)楸镜卣袷幤魅菀桩a(chǎn)生快速的頻率漂移，振蕩器使用了一種自動校正的信號，保證了期望的相同相位和頻率。這種技術(shù)由法國科學(xué)家Henri de Bellescize于1932年在法國雜志L'Onde électrique上發(fā)表。當(dāng)Signetics公司于1969年研發(fā)出了像NE565這種可以集成一個完整地鎖相環(huán)系統(tǒng)于一個芯片上的單片集成電路的時候，鎖相技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用爆發(fā)了。

目前鎖相環(huán)廣泛應(yīng)用在廣播收音機(jī)，遠(yuǎn)程通信，計算機(jī)和其他電子設(shè)備中。它可以把信號從噪聲信道中恢復(fù)出來，產(chǎn)生一個與輸入信號成倍數(shù)關(guān)系的穩(wěn)定輸出頻率（頻率合成），或者在像在微處理器的這種數(shù)字邏輯器件中分配時鐘的脈沖信號。因?yàn)橐粋€單一的集成電路可以提供一個完整地鎖相模塊，所以鎖相技術(shù)在輸出頻率變化范圍從幾赫茲到幾G赫茲的現(xiàn)代電子設(shè)備應(yīng)用極其普遍。

二、頻率合成器在在移動通信中的應(yīng)用

由于鎖相環(huán)路具有頻率鎖定特性，載波跟蹤特性，調(diào)制特性，低門限特性，再加上集成鎖相環(huán)的出現(xiàn)，使鎖相環(huán)路在電子技術(shù)等各個領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。在移動通信中，主要用于短波、超短波發(fā)、收信機(jī)中的主振與本振源，以及上述各種通信系統(tǒng)中的調(diào)制與解調(diào)，電調(diào)與天調(diào)、自動頻率微調(diào)等系統(tǒng)中。鎖相環(huán)電路時手機(jī)電路中非常重要的基本單元，我們現(xiàn)在用的手機(jī)越來越小，越來越薄，從某種意義上來講就是高度集成化的鎖相環(huán)的作用。鎖相環(huán)電路性能優(yōu)越，在手機(jī)的調(diào)制，解調(diào)和頻率合成中有著重要的應(yīng)用。如果接收到的信號頻率不穩(wěn)定，那么我們就無法通過手機(jī)來和他人通信，所以頻率源的穩(wěn)定度對所有通信設(shè)備是極其重要的，能夠產(chǎn)生極高頻率精度的鎖相環(huán)應(yīng)運(yùn)而生。

現(xiàn)代手機(jī)中要求的工作頻點(diǎn)數(shù)目多，頻點(diǎn)可變，頻率高穩(wěn)定度，而鎖相技術(shù)最大限度的滿足了這些要求并具有以下特點(diǎn)：

1）目標(biāo)頻率合成準(zhǔn)確且精度高：鎖相環(huán)再加上一些輔助電路就能很容易的對一個標(biāo)準(zhǔn)信號頻率進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算，從而獲得目標(biāo)頻率，合成后的信號頻率與標(biāo)準(zhǔn)信號頻率有相同的長期頻率穩(wěn)定度。

2）選頻特性良好：利用其窄帶跟蹤濾波特性，可充分濾去噪聲選出所需頻率。此外，高性能的壓控振蕩器（VCO）具有較好的短期頻率穩(wěn)定度，因此鎖相式頻率合成器輸出的信號具有較高的頻率穩(wěn)定度和較好的頻譜純度。

3）采用環(huán)路同步跟蹤特性，能方便的變換頻率：通過手機(jī)中的邏輯或音頻電路部分提供的控制信號可以實(shí)現(xiàn)信道掃描和自動選頻，提高手機(jī)在組網(wǎng)中的功能。

三、模擬通信系統(tǒng)中的軟件鎖相技術(shù)

隨著數(shù)字集成電路電路技術(shù)的發(fā)展，尤其是大規(guī)模集成電路及微處理器的廣泛應(yīng)用，使得通信領(lǐng)域一些復(fù)雜的、靈敏的信號處理方法能在數(shù)字域付諸實(shí)施。鎖相環(huán)是相干數(shù)字通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，為了與數(shù)字系統(tǒng)兼容，吸收數(shù)字電路固有的可靠性高、體積小、價格低等優(yōu)勢，人們在發(fā)展模擬鎖相環(huán)的同時，亦致力于發(fā)展數(shù)字鎖相環(huán)。

軟件鎖相技術(shù)是一個較新的研究課題，過去由于受到微機(jī)運(yùn)行速度的限制，使用軟件鎖相技術(shù)所能工作到的上限頻率較低（一般在1KHZ以內(nèi)），因此沒有較大實(shí)際使用的意義，也沒有得到突破性的發(fā)展。但是，軟件鎖相環(huán)具有處理靈活的有點(diǎn)，它擺脫了復(fù)雜的硬件電路設(shè)計；解決了若干模擬環(huán)境遇到的難題，如直流零點(diǎn)漂移、部件飽和、必須初始校準(zhǔn)等。目前，由于單片微機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，工作速度越來越高，也為軟件鎖相技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了必要的條件。

軟件鎖相環(huán)路的輸入信號必須是一個經(jīng)過整形的TTL電平信號，鑒相軟件可以識別出軟件計數(shù)器輸出的取樣信號相位與輸入信號相位之間的相位差；環(huán)路濾波軟件控制著環(huán)路相位校正的速度與精度；PCC為可編程控制計數(shù)器，也可將其稱為本地受控定時器，其計數(shù)周期受環(huán)路濾波器軟件的控制。

軟件鎖相實(shí)現(xiàn)方法已得到實(shí)際應(yīng)用，通過改變鎖相軟件中的參數(shù)，可在一個軟件中實(shí)現(xiàn)TACS值和AMPS制蜂窩狀移動通信系統(tǒng)信令碼型的變換，在AMPS值信令碼型轉(zhuǎn)換程序中，軟件鎖相環(huán)的工作頻率達(dá)到了20kHZ。實(shí)際應(yīng)用幾年來，其穩(wěn)定性和可靠性是模擬鎖相環(huán)無法比擬的。

實(shí)現(xiàn)軟件鎖相技術(shù)的重要意義在于，簡化了硬件電路的設(shè)計，降低了設(shè)備功耗，簡化了設(shè)備的調(diào)試工作，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，以模擬蜂窩狀移動通信系統(tǒng)中的手機(jī)設(shè)計為例，對其通信的信令進(jìn)行全軟件解碼，可以降低生產(chǎn)成本，延長手機(jī)的使用時間，其實(shí)用意義是顯而易見的。

四、幾種不同廠家的PLL芯片的實(shí)際應(yīng)用

1.Freescale Semiconductor：MC33493

MC33493芯片是飛思卡爾公司的一個鎖相環(huán)調(diào)諧低功耗的超高頻發(fā)射器。它的微控制器通過一些數(shù)字輸入引腳來控制不同的操作模式。供電電壓從1.9V到3.6V，使得一塊鋰電池即可對其供電。

電氣參數(shù)：

·選擇性頻帶：315—434MHZ和868—928MHZ

·OOK和FSK兩種調(diào)制方式

·輸出功率范圍可調(diào)節(jié)

·壓控振蕩器完全集成化

·極低的待機(jī)電流：0.1nA@TA=25°C

·為微控制器提供數(shù)據(jù)時鐘輸出

·超寬溫度耐受范圍：-40到125°C

·符合歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會的典型應(yīng)用。

實(shí)際應(yīng)用：

MC33493芯片因其抗高溫能力顯著使其可以應(yīng)用在輪胎壓力檢測系統(tǒng)(TPMS)中，該系統(tǒng)主要用于汽車行駛時對輪胎氣壓進(jìn)行實(shí)時自動檢測，對輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報警。MC33493在此系統(tǒng)中為高溫集成無線發(fā)送模塊，抗干擾能力強(qiáng)，頻率穩(wěn)定度高(PLL)，可以將傳感器收集到的輪胎溫度和壓力信息準(zhǔn)確的傳給安裝在汽車底盤的接受天線。

2.Hittite Microwave Corporation：HMC831LP6CE

HMC831LP6CE是Hittite公司的一款全功能集成低噪聲壓控振蕩器的分?jǐn)?shù)N鎖相環(huán)芯片，它具有低壓壓控振蕩器調(diào)諧的自校準(zhǔn)子系統(tǒng)，極低噪聲的數(shù)字鑒頻器，精密電荷泵和低噪聲分頻器。鑒頻器應(yīng)用了周跳保護(hù)技術(shù)使得頻率階躍時間更短。超低相位噪聲和低失真同時保證了快速頻率階躍時更寬的環(huán)路帶寬。

電氣參數(shù)：

·射頻帶寬：1815到2010MHZ

·超低相位噪聲：-110dBc/HZ(帶內(nèi))

·品質(zhì)因數(shù)：-227dBc

·均方根抖動：<180fs

·內(nèi)置數(shù)字自檢；

·40線6x6mm SMT封裝：36mm2。

實(shí)際應(yīng)用：

HMC831LP6CE芯片廣泛應(yīng)用在移動通信的蜂窩或4G LTE基礎(chǔ)設(shè)施中，其他領(lǐng)域應(yīng)用也很廣泛，如中繼器和超小型化移動基站，通訊測試儀，有線電視設(shè)備，相控陣?yán)走_(dá)，數(shù)字示波器和高數(shù)據(jù)率射頻部件等。

3.Texas Instruments：LMX2502

LMX2502為韓國個人通信服務(wù)和韓國CDMA蜂窩手持設(shè)備特別優(yōu)化的高集成，高性能，低功耗的頻率合成器。它使用了合適的數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)，LMX2502可以為無線通訊設(shè)備產(chǎn)生非常穩(wěn)定，低噪聲的本地震蕩信號。它也同時集成了整數(shù)N中頻鎖相環(huán)。為了更靈活的環(huán)路濾波設(shè)計，中頻鎖相環(huán)包括了一個4級可編程電荷泵。同時連接了一個外部VCO和環(huán)路濾波器。LMX2502和LMX2512構(gòu)成了一個完整的閉環(huán)中頻頻率合成器系統(tǒng)。

電氣參數(shù)：

·體積?。?.0mm X 5.0mm X 0.75mm 28腳LLP封裝

·射頻合成器系統(tǒng)：集成射頻VCO，環(huán)路濾波器，10kHZ頻分

·中頻合成器系統(tǒng)：整數(shù)N中頻鎖相環(huán)，可編程電荷泵

·支持不同標(biāo)準(zhǔn)頻率：19.20/19.68MHZ

·快速入鎖時間：500μs；

·低電流消耗：17mA@2.8V；

·工作電壓2.7V至3.3V·硬件和軟件功率降低控制；

實(shí)際應(yīng)用：韓國PCS CDMA通信系統(tǒng)和韓國蜂窩CDMA通信系統(tǒng)。

注：LMX2502實(shí)際上是美國國家半導(dǎo)體公司(National Semiconductor)的產(chǎn)品，因?yàn)镹S在去年被德州儀器(TI)收購，故此芯片現(xiàn)為德州儀器所有。

[1]張厥盛,鄭繼禹,萬心平.鎖相技術(shù)[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2006.

[2]潘志浩,陳惠民.軟件鎖相技術(shù)在模擬蜂窩移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].上海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1997(05).

[3]李立高.鎖相技術(shù)在雙頻手機(jī)電路中的應(yīng)用分析[J].長沙通信職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2003(02).

徐雨濛（1990—），男，北京人，現(xiàn)就讀于電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子信息工程專業(yè)。

陳哲（1991—），男，北京人，現(xiàn)就讀于電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子信息工程專業(yè)。