史凱運(yùn)，雷振亞，侯建強(qiáng)

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

隨著私家車數(shù)量的增加，帶來了大量的交通問題，人們對(duì)汽車的安全性能越來越關(guān)注。車載雷達(dá)的問世有效地緩解了交通安全問題，近年來車載雷達(dá)系統(tǒng)的主流技術(shù)是毫米波段的調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW)雷達(dá)。此類雷達(dá)電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理算法較簡(jiǎn)單、分辨率比較高、能測(cè)量很近的距離以及不存在盲區(qū)等突出的優(yōu)點(diǎn)，目前其是毫米波汽車防撞雷達(dá)中應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)制方法［1－2］。需要說明的是，F(xiàn)MCW體制對(duì)調(diào)制信號(hào)的線性度要求較高，一般高精度測(cè)量要求線性度要優(yōu)于0.5%，若不加外部線性度校正電路，難以達(dá)到較高的測(cè)量精度，但外加線性度校正電路相對(duì)較復(fù)雜［3－5］。本文介紹了一種基于鎖相環(huán)系統(tǒng)，通過快速改變系統(tǒng)內(nèi)分頻器分頻比，產(chǎn)生用于FMCW雷達(dá)調(diào)制信號(hào)的方法，此方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于調(diào)試等特點(diǎn)。文中首先使用ADS2011對(duì)鎖相環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)仿真，基于仿真結(jié)果，分析了分頻器跳變周期、鑒相頻率和環(huán)路帶寬對(duì)調(diào)頻信號(hào)線性度的影響。最后參照電路原理圖設(shè)計(jì)加工電路實(shí)物，通過對(duì)電路的實(shí)測(cè)驗(yàn)證了此方案的可行性。

1 鎖相環(huán)產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)原理

目前產(chǎn)生FMCW雷達(dá)調(diào)制信號(hào)的方法主要有模擬法和數(shù)字法兩種。模擬法是傳統(tǒng)的方法，雖然比較簡(jiǎn)單，但存在穩(wěn)定度差，振蕩頻率隨溫度變化會(huì)有漂移，相位噪聲性能亦不佳等缺點(diǎn)。數(shù)字法通過DSS能綜合出各種信號(hào)波形，通過數(shù)控電路能對(duì)DSS輸出波形的頻率、幅度、相位實(shí)行精確的控制;但由于DSS的全數(shù)字結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其雜散電平較高，限制了它的應(yīng)用［6］。

本文提出了一種基于鎖相環(huán)產(chǎn)生調(diào)制三角斜坡調(diào)頻信號(hào)的方案。鎖相環(huán)(PLL)電路主要由4個(gè)模塊組成:鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器(VCO)和分頻器，大多數(shù)情況下分頻器可編程［7－8］。本方案的基本思路是通過以一定的跳變周期改變分頻比N的值來控制輸出信號(hào)的頻率，并通過調(diào)節(jié)鎖相環(huán)系統(tǒng)鑒相頻率及環(huán)路帶寬優(yōu)化輸出調(diào)頻信號(hào)的線性度。本方案電路結(jié)構(gòu)成熟，可靠性高且方便調(diào)節(jié)。

圖1 鎖相環(huán)系統(tǒng)ADS仿真模型

2 系統(tǒng)仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果

在ADS2011中建立仿真模型如圖1所示。在此模型中，可通過改變分頻比N控制輸出頻率。用大于或接近于鎖相環(huán)鎖定時(shí)間tlock的跳變周期Δt，周期性地改變N的值，便可得到一條階梯狀的掃頻曲線，如圖2所示。

圖2 階梯狀掃頻曲線

當(dāng)逐漸減小Δt，且增加跳變步進(jìn)數(shù);掃頻曲線就會(huì)變得平滑，最終接近于直線，這時(shí)就能得到一個(gè)線性度較好掃頻信號(hào)。在不同跳變周期Δt的條件下對(duì)鎖相環(huán)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，得到結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同跳變周期對(duì)應(yīng)的調(diào)頻信號(hào)

從圖中可看出，隨著跳變周期Δt的減小，調(diào)頻信號(hào)的線性度逐漸改善。需要注意的是，Δt最小只能減小到鎖相環(huán)的鎖定時(shí)間tlock，否則會(huì)在鎖相環(huán)還沒鎖定頻率的情況下發(fā)生跳變，調(diào)頻信號(hào)的線性度會(huì)惡化。經(jīng)過仿真優(yōu)化，鎖相環(huán)系統(tǒng)的鑒相頻率設(shè)置為32 MHz，環(huán)路帶寬約為3 MHz。

設(shè)計(jì)的鎖相環(huán)系統(tǒng)原理圖如圖4所示。除了鎖相環(huán)芯片之外，還包括低通濾波器、晶振、4階無源環(huán)路濾波器和電壓控制振蕩器等外圍電路。

圖4 鎖相環(huán)電路原理圖

加工的電路板實(shí)物如圖5所示;左邊為包含鎖相環(huán)芯片及環(huán)路濾波器的電路，右邊為VCO電路，板材大小均為5 cm×5 cm。

圖5 電路板實(shí)物圖

將兩個(gè)電路模塊按照原理圖中的電氣連接關(guān)系，用50Ω同軸電纜連接。通過軟件設(shè)置鎖相環(huán)系統(tǒng)的鑒相頻率為32 MHz，環(huán)路濾波器帶寬3 MHz。跳變周期依次設(shè)置為為1μs和10μs，用示波器觀測(cè)控制VCO頻率變化的電壓信號(hào)，從測(cè)試結(jié)果中可看出，跳變周期對(duì)調(diào)頻信號(hào)線性度影響較大，與仿真結(jié)果相符。

圖6 跳變周期Δt=1μs時(shí)的測(cè)試結(jié)果

圖7 跳變周期Δt=10μs時(shí)的測(cè)試結(jié)果

圖8顯示了跳變周期設(shè)置在1μs時(shí)的射頻輸出信號(hào)頻譜，可看出鎖相環(huán)系統(tǒng)在所設(shè)定的頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了掃頻功能。

圖8 輸出射頻信號(hào)頻譜

3 結(jié)束語

本文介紹了一種通過快速改變鎖相環(huán)分頻比的方式產(chǎn)生三角調(diào)頻信號(hào)的方法;并通過軟件仿真及實(shí)物測(cè)試驗(yàn)證了此方法的可行性。仿真中以不同的跳變周期快速改變鎖相環(huán)分頻器的分頻比得到了不同線性度的掃頻信號(hào)。分析得出結(jié)論，鎖相環(huán)分頻器的分頻比改變的越快，掃頻信號(hào)線性度越好，但跳變時(shí)間要大于等于鎖定時(shí)間。同時(shí)鎖相環(huán)鑒相頻率及環(huán)路濾波器帶寬均對(duì)調(diào)頻信號(hào)線性度產(chǎn)生影響，必須將其設(shè)定為一個(gè)合適的值。最后，通過對(duì)加工實(shí)物的測(cè)試，驗(yàn)證了這種方法能夠產(chǎn)生線性度較好的調(diào)頻信號(hào)。

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