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(重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院， 重慶 400065)

0 引言

汽車防撞雷達(dá)可大幅降低交通事故的發(fā)生率，具有廣闊的應(yīng)用前景，因而備受世界各國的關(guān)注。而防撞雷達(dá)系統(tǒng)中頻率源的參數(shù)直接影響到雷達(dá)的可靠性和測距測速的性能，所以頻率源也成為整個汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計中的重要部分。目前，實現(xiàn)頻率源常用的技術(shù)主要有兩類，一類是基于直接數(shù)字頻率綜合(Direct Digital Synthesizer，DDS)技術(shù)以及DDS組合方式的技術(shù)；另一類是鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop，PLL)合成頻率技術(shù)。前者雖然頻率轉(zhuǎn)換較快且頻率分辨率高，但由于受到數(shù)字集成電路速度和奈奎斯特原理的限制，其輸出信號上限頻率不高，且DDS組合方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜[1-3]，輸出信號頻譜的雜散難以抑制。后者由于鎖相環(huán)路對輸入信號含有的噪聲和環(huán)路內(nèi)部的噪聲具有過濾作用，因此輸出信號的相位噪聲低，這使得它在低噪聲合成頻率中得到廣泛應(yīng)用。此外，PLL合成頻率源電路相對簡單，具有輸出頻率范圍寬、寄生頻率抑制性能良好、頻譜純度高和輸出頻率易程控等優(yōu)點[4-6]。本文的頻率源采用PLL合成頻率技術(shù)。

1 PLL合成頻率源原理

PLL電路是一個相位負(fù)反饋環(huán)路，由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器(VCO)組成，它將輸入信號與VCO輸出信號的相位進(jìn)行比較，控制兩個信號使其保持同相位。若在PLL輸入信號中加上由晶振等產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號，在VCO輸出與鑒相器輸入之間接入分頻器，通過切換分頻器的頻率，便得到VCO的輸出與輸入頻率同樣精度的分頻信號[7]。這就是PLL合成頻率源的工作原理，如圖1所示。

長?？h、岱山縣和普陀區(qū)的海島綜合實力最高，而定海區(qū)、長島縣和崇明縣的海島實力較低，應(yīng)該找到短板，大力發(fā)展?jié)O業(yè)產(chǎn)業(yè)，努力提高海島縣的居民收入水平，才能促進(jìn)我國海島縣經(jīng)濟(jì)實力健康協(xié)調(diào)發(fā)展。

對于航拍的全景圖片，因為天空是缺失的，所以處理起來需要增加補(bǔ)天的一步：準(zhǔn)備天空圖片素材；利用Photoshop軟件新建畫布，將天空圖片與全景圖片放到新建的畫布中；首先對天空素材尺寸進(jìn)行調(diào)整，然后對齊四邊；在天空與全景圖交界處明顯不融合，可采用矩形選框工具，羽化程度200像素，多次選擇覆蓋就會變得融合；將兩個圖層合并，若有拼接痕跡，可采用圖章工具進(jìn)行修改。

在PLL合成頻率源的設(shè)計中，為得到高精度的輸出信號，一般由高精度的有源溫補(bǔ)晶振提供高穩(wěn)定性的輸入信號。若在VCO與數(shù)字N分頻器之間接入前置倍頻器，PLL合成頻率源的輸出頻率便可達(dá)到GHz數(shù)量級。

前瞻性納入2015年6月—2017年2月漢中市中心醫(yī)院收治的穩(wěn)定期哮喘患者100例，均符合支氣管哮喘防治指南（2016版）的診治標(biāo)準(zhǔn)［6］，并排除患有心臟病、肝病、腎病和代謝性疾病的患者。按隨機(jī)數(shù)字表法平均分為觀察組和對照組。本研究由漢中市中心醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)實施，所有入組的患者均簽署了知情同意書。

母親八十多歲了，二十多年前，父親過世，我就把母親接到城里和我住在一塊兒。那時母親生活還能自理，她本不想來，但考慮到來了可以幫我照看孩子，又可以做些家務(wù)，能減輕我不少負(fù)擔(dān)，還可減少我回家看望她的麻煩，便來了。

2 PLL合成頻率源相位噪聲分析

為了使CTS的患者更加容易接受早期的ECTR治療，并有效減輕患者對手術(shù)的恐懼，我們將加速康復(fù)外科(enhanced recovery after surgery，ERAS) 理念應(yīng)用到ECTR的治療中[7-8]。ERAS是1997年由丹麥醫(yī)師Kehlet[9]提出的一系列圍手術(shù)期(術(shù)前、術(shù)中和術(shù)后)的優(yōu)化措施，研究證明其可以有效地減少手術(shù)應(yīng)激及并發(fā)癥，從而達(dá)到加速手術(shù)后康復(fù)的目的[10-11]。

根據(jù)經(jīng)典閉環(huán)系統(tǒng)控制理論，采用系統(tǒng)線性分析方法，以參考信號源引入的相位噪聲為例，結(jié)合圖2的相位噪聲模型計算分析各噪聲源的相位傳遞函數(shù)。假定此時系統(tǒng)中的相位噪聲僅有參考信號源的輸入引起，其他噪聲源均為零輸入，則由系統(tǒng)相位噪聲模型框圖，可得

(1)

整理可得

“家政服務(wù)業(yè)從業(yè)人員就業(yè)前景好，我們在市場調(diào)查的基礎(chǔ)上，總結(jié)為三個原因?！?泓福泰家政服務(wù)有限公司負(fù)責(zé)人方蓓燕向記者介紹道。

(2)

(3)

根據(jù)第2節(jié)分析，環(huán)路帶寬的選取對維持環(huán)路穩(wěn)定性和控制環(huán)路帶內(nèi)外噪聲起著重要作用。選取環(huán)路帶寬可借助ADIsimPLL4.10軟件，通過該軟件調(diào)整環(huán)路帶寬以完成環(huán)路濾波器的設(shè)計，并使其滿足汽車防撞雷達(dá)頻率源相位噪聲的要求。圖3為借助ADIsimPLL4.10軟件設(shè)計出的有源環(huán)路濾波器電路圖。

(4)

由N分頻器引入的相位噪聲的傳遞函數(shù)為

(5)

雖然設(shè)計中采用有源環(huán)路濾波器產(chǎn)生的相位噪聲性能比無源環(huán)路濾波器的差，成本也高，但由于本設(shè)計使用的VCO芯片HMC533的調(diào)諧電壓超出了ADF4159的電荷泵電壓，就需用到有源環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu)。此外，上電時電荷泵可能會對不具有Rail-to-Rail輸入電壓范圍的運(yùn)算放大器造成影響。因此，圖3采用Rail-to-Rail的運(yùn)算放大器OP184[10]，OP184最大電源電壓可達(dá)到36 V，增益帶寬積(GBP)為4 MHz，并具有低噪聲特性，該特性使OP184成為有源濾波器的理想選擇。

對于優(yōu)化問題(2.2)，我們通過Dykstra算法求解。而問題(2.3)，我們基于Douglas-Rachford分裂算法和三算子分裂算法求解。

(6)

在PLL電路中，由環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)F(s)呈低通特性可知，開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)呈低通特性，閉環(huán)傳遞函數(shù)G(s)/[1+H·G(s)]也呈低通特性，所以由參考信號源、鑒相器和N分頻器引入的相位噪聲的傳遞函數(shù)均呈低通特性，而由VCO引入的相位噪聲的傳遞函數(shù)呈高通特性。也就是說，PLL合成頻率源環(huán)路的帶內(nèi)相位噪聲由參考信號源、鑒相器和N分頻器決定，而環(huán)路的帶外相位噪聲則是由VCO決定。由此可知，為使PLL合成頻率源的相位噪聲性能達(dá)到最優(yōu)，環(huán)路帶寬的恰當(dāng)選取便顯得至關(guān)重要。

3 汽車防撞雷達(dá)頻率源相位噪聲估算與仿真

根據(jù)24 GHz汽車防撞雷達(dá)的要求，本設(shè)計的PLL合成頻率源的輸出頻率為24～24.25 GHz，相位噪聲優(yōu)于-85 dBc/Hz@1 kHz。為使該頻率源滿足設(shè)計指標(biāo)，首先進(jìn)行器件的選型與評估。這里選擇相位噪底低的鑒相芯片ADF4159[8]和24 GHz VCO芯片HMC533[9]。在工程上，通常使用式(7)估算PLL環(huán)路的帶內(nèi)相位噪聲：

PNTOTAL=PNSYNTH+10lg(FPFD)+20lgN

(7)

由N=FVCO16/FPFD知，則式(7)又可寫為

PNTOTAL=PNSYNTH-10lg(FPFD)+20lgFVCO16

(8)

試驗中采用加注染色物質(zhì)來觀察流動軌跡，為避免在湍流時混合和擴(kuò)散激烈，染色的流體在流動過程中會與周圍流體混合，使染色線清晰度降低，難于觀察的現(xiàn)象出現(xiàn)。本試驗中選用穩(wěn)定性高的染色物質(zhì)，可以較好地觀察流動軌跡。

本設(shè)計中，鑒相頻率為100 MHz，VCO輸出的中心頻率為24.125 GHz，ADF4159在小數(shù)模式下的相位噪底為-217 dBc/Hz，根據(jù)式(8)，可估算出由VCO十六分頻反饋至PLL環(huán)路的帶內(nèi)相位噪聲：

PNTOTAL=-217-10lg(100×106)+

20lg(24.125/16×109)=

-113.43 dBc/Hz

頻率源在輸出頻率24.125 GHz處，此相位噪聲會惡化24 dB，最終相位噪聲為-89.43 dBc/Hz，可見估算的相位噪聲值高于設(shè)計要求值，表明本設(shè)計選用的芯片組合方案滿足汽車防撞雷達(dá)頻率源的指標(biāo)要求。

相位噪聲是PLL合成頻率源衡量其頻譜純度的重要參量。PLL合成頻率源的噪聲主要來源于4個部分，分別是參考信號源、鑒相器、VCO以及數(shù)字N分頻器，圖2為PLL合成頻率源的相位噪聲模型。其中，Kd為鑒相器的增益，Kv為壓控靈敏度，θnr,θnd,θnv,θnn,θno分別為參考信號源、鑒相器、VCO、數(shù)字N分頻器和PLL合成頻率源輸出信號的相位噪聲。

同理，由鑒相器引入的相位噪聲的傳遞函數(shù)為

式中，PNTOTAL為整個PLL的相位噪聲，PNSYNTH為鑒相芯片歸一化的相位噪底，F(xiàn)PFD為鑒相頻率，F(xiàn)VCO16為VCO十六分頻端口的輸出頻率，N為分頻系數(shù)。

由VCO引入的相位噪聲的傳遞函數(shù)為

由于環(huán)路帶寬與參考信號源、鑒相器和環(huán)路濾波器相位噪聲成正比關(guān)系，與VCO的相位噪聲、鎖定時間和分辨率成反比關(guān)系。兼顧以上，通過對不同階數(shù)的有源環(huán)路濾波器的仿真，得出濾波器階數(shù)越高，濾波效果越好，鎖定時間越快，且在OP184的輸出端添加一個電阻和電容，組成進(jìn)一步的低通濾波級，會使系統(tǒng)的相位噪聲進(jìn)一步降低，故環(huán)路濾波器選用圖3中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，設(shè)計中將偏置電平設(shè)置為電荷泵電源(VP)的一半，既滿足輸入電壓范圍要求，又留有充足余量，并獲得最佳的電荷泵雜散性能。本電路采用VP 等于5 V進(jìn)行測量，運(yùn)算放大器共模偏置電壓為2.5 V。為了將基準(zhǔn)噪聲饋通降至最小，在同相運(yùn)算放大器輸入引腳附近放置1 μF的去耦電容。經(jīng)過多次調(diào)整環(huán)路帶寬和相位裕度，當(dāng)最佳環(huán)路帶寬為425 kHz，相位裕量為45°時，開環(huán)增益為0，環(huán)路穩(wěn)定，此時系統(tǒng)的相位噪聲為-91 dBc/Hz@ 1 kHz，如圖4所示，滿足設(shè)計要求。

4 頻率源相位噪聲測試及分析

PCB板加工完成后，進(jìn)行實物測試，圖5為其實物圖。

測試時，先準(zhǔn)備好測試儀器并檢查焊接完成的PCB板，看其是否有虛焊、漏焊等問題。接著對頻率源上電。上電時，應(yīng)注意上電順序，先對PLL電路上電，再對控制電路模塊上電。器件上電后，核查電源輸出電壓電流是否正常，確認(rèn)正常后，配置編程序列。根據(jù)ADF4159數(shù)據(jù)冊，由以下公式?jīng)Q定頻率合成器的編程方式：

后來，他又與三任妻子分了手，原因自然是她們太固執(zhí)，不懂得雞蛋的惟一正確的吃法。有人對他說：“她們固執(zhí)你不固執(zhí)，那就好了?！彼f：“我不是固執(zhí)，我是相信科學(xué)，堅持原則。我要對自己對對方對后代負(fù)責(zé)。”

RFout=[N+(FRAC/225)]×fPFD

(9)

fPFD=REFIN×[(1+D)/(R×(1+T))]

(10)

式中，RFout為射頻輸出，fPFD為鑒相頻率，N為整數(shù)分頻系數(shù)，F(xiàn)RAC為小數(shù)分頻系數(shù)的分子，REFIN為基準(zhǔn)頻率輸入，D為REFIN倍頻器位，R為基準(zhǔn)分頻系數(shù)，T為基準(zhǔn)二分頻位。此頻率源的基準(zhǔn)頻率和鑒相頻率同為100 MHz，VCO輸出點頻頻率為24.125 GHz信號，VCO十六分頻輸出反饋至ADF4159。根據(jù)式(9)和式(10)，和配置芯片內(nèi)部的寄存器數(shù)值，通過單片機(jī)控制ADF4159內(nèi)部各寄存器，使電路達(dá)到鎖定。完成以上操作后，再將待測試的信號連接到安捷倫N9010A頻譜分析儀，進(jìn)行相位噪聲測試。

林志望了紫云一眼，小臉緋紅，使勁地點頭。水老師拍拍他的肩，輕聲說道：“那你要對她好一點！不要打擾她，把愛放在心里。我送你一首詩，‘把相思的淚水，凝成脈脈含情的葉片，在風(fēng)雨中守候……’”

經(jīng)過多次調(diào)試和優(yōu)化，測試結(jié)果顯示，頻率源輸出中心頻率為24.125 GHz時，其相位噪聲可達(dá)-87.1 dBc/Hz@1 kHz，如圖6所示。

由于受到鑒相器閃爍噪聲的影響，在偏移載波1kHz處相位噪聲的測試結(jié)果與估算結(jié)果、仿真結(jié)果略有偏差，但高于設(shè)計要求-85 dBc/Hz@1 kHz，如表1所示。由此可見，基于相位噪聲分析設(shè)計汽車防撞雷達(dá)頻率源的方法是可行、有效的。

表1 本文的汽車防撞雷達(dá)頻率源相位噪聲

本文與其他同頻段文獻(xiàn)的相位噪聲對比，如表2所示。本文設(shè)計的頻率源的相位噪聲實測值可達(dá)-87.1 dBc/Hz@1 kHz，比文獻(xiàn)[11]中的車載防撞雷達(dá)頻率源的相位噪聲改善了24 dB，比文獻(xiàn)[12]中的24 GHz調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)頻率源的相位噪聲改善了21 dB。

表2 本文與其他同頻段文獻(xiàn)的相位噪聲對比

5 結(jié)束語

本文結(jié)合PLL合成頻率源的相位噪聲模型，計算分析了各噪聲源的相位傳遞函數(shù)特性，并對汽車防撞雷達(dá)頻率源的相位噪聲進(jìn)行估算與仿真，測試結(jié)果為-87.1 dBc/Hz@1 kHz，滿足要求。與其他文獻(xiàn)相比，本文基于相位噪聲分析設(shè)計的頻率源具備低相位噪聲的顯著優(yōu)勢，這也為汽車防撞雷達(dá)頻率源的研制提供了一種可借鑒的設(shè)計思路。