劉長明，江飛

（同方電子科技有限公司，江西九江， 332000）

0 引言

跳頻通信由于其具有抗干擾、抗截獲的能力，在當(dāng)前軍事抗干擾通信系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。跳頻通信系統(tǒng)的一項(xiàng)重要參數(shù)是頻率的跳變速度，它在很大程度上決定了系統(tǒng)抗跟蹤式干擾的能力。因此，快速鎖定頻率合成器的設(shè)計就成為跳頻通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文采用自適應(yīng)精確預(yù)置技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個L波段快速鎖定頻率合成器的工程設(shè)計。

1 自適應(yīng)精確預(yù)置技術(shù)原理

頻率合成器鎖相環(huán)路在開始工作時，參考頻率fR與壓控振蕩頻率fV可能不相等，處于失鎖狀態(tài)。因而需要靠鎖相環(huán)鑒相輸出的相位誤差電壓控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，最后鎖定在狀態(tài)fR=fV，這一過程稱為鎖相環(huán)路的捕獲過程。環(huán)路捕獲過程包括頻率捕獲過程和相位捕獲過程。

相位捕獲與頻率捕獲只是用于區(qū)別環(huán)路運(yùn)動狀態(tài)的兩種不同過程，表征環(huán)路捕獲過程中的不同階段，實(shí)際上并不能進(jìn)行嚴(yán)格劃分。當(dāng)環(huán)路中的相差做較大范圍變動時，環(huán)路處于頻率捕獲階段；當(dāng)環(huán)路中的相差不再超過2π而進(jìn)入鎖定時的捕獲過程被稱為相位捕獲。

環(huán)路依靠自身的控制作用而捕獲的方式稱為自捕獲，借助于輔助電路實(shí)現(xiàn)捕獲的方式稱為輔助捕獲。自捕獲的缺點(diǎn)：捕獲速度慢、捕獲范圍小、可靠性差，通過改變環(huán)路參數(shù)的方法改善捕獲性能時會嚴(yán)重影響環(huán)路的跟蹤性能，實(shí)現(xiàn)時一般采用輔助捕獲方法改善環(huán)路的捕獲性能。

在實(shí)際的跳頻系統(tǒng)應(yīng)用中，既要提高環(huán)路自身的頻率捕獲性能，同時又保證鎖相環(huán)路的相噪性能，單靠鎖相環(huán)本身來說是很難實(shí)現(xiàn)的，必須采用一些頻率輔助捕獲技術(shù)。自適應(yīng)精確預(yù)置技術(shù)就是一種提高環(huán)路捕獲性能的方法，它是在粗調(diào)預(yù)置技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行完善的，其基本原理如下：

粗調(diào)預(yù)置技術(shù)的采用基本上避免了鎖相環(huán)路的失鎖和假鎖現(xiàn)象，粗調(diào)預(yù)置技術(shù)的合理采用，可以使得鎖相環(huán)路迅速進(jìn)入快捕帶，從而大大加大環(huán)路的鎖定速度，減小壓控振蕩器的增益，減小壓控振蕩器輸出相位的抖動噪聲。但是在長期工作的跳頻系統(tǒng)中，要求鎖相環(huán)路始終能夠滿足一定的鎖定速度要求，而粗調(diào)預(yù)置技術(shù)在某一頻點(diǎn)始終都用同樣的值去預(yù)置壓控振蕩器。由此可見，粗調(diào)預(yù)置技術(shù)缺乏靈活性，不能保證鎖相環(huán)路始終都能得到比較準(zhǔn)確地預(yù)置。

因此，對此粗調(diào)預(yù)置技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。在粗調(diào)預(yù)置技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了自適應(yīng)精確預(yù)置技術(shù)。在跳頻系統(tǒng)的實(shí)際工作中，由于環(huán)境溫度等因素的變化，VCO的壓控特性會有所變化，原定的預(yù)置值可能會與實(shí)際所需值出現(xiàn)誤差。為了及時修改頻率碼與預(yù)置電壓的對應(yīng)關(guān)系，可以用FLASH作為存儲器（如圖1所示）。當(dāng)環(huán)路在某一頻率鎖定時，系統(tǒng)把鑒相器輸出的電壓值采樣進(jìn)入數(shù)字信號處理器（DSP），用該電壓修正原來的預(yù)置值，修改后的值作為下一次跳入該頻率時的預(yù)置值。由于環(huán)境變化速度相對于跳頻周期慢得多，更新的預(yù)置值能準(zhǔn)確、實(shí)時地跟蹤任何環(huán)境條件的變化。這樣，通過不斷的精確預(yù)置，頻率跳變時，VCO的輸出頻率與要實(shí)現(xiàn)的頻率只有很小的相位偏差，鎖相環(huán)基本上工作在相位跟蹤狀態(tài)，大大減小了頻率轉(zhuǎn)換時間，從而很好地滿足快速跳頻的要求。

圖1 采用自適應(yīng)精確預(yù)置技術(shù)的頻率合成器原理框圖

2 自適應(yīng)精確預(yù)置技術(shù)的工程實(shí)現(xiàn)

■2.1 快速鎖定頻率合成器方案設(shè)計

以一個L波段快速鎖定頻率合成器為例，要求輸出頻率為1200~1600MHz，換頻時間不大于100μs。

頻率合成方案充分考慮數(shù)字直接頻率合成（DDS）技術(shù)和鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)互為補(bǔ)充的特點(diǎn)，采用DDS+PLL架構(gòu)。由DDS提供快速跳頻的小步進(jìn)間隔，鎖相環(huán)（PLL）工作在大步進(jìn)間隔，這樣可以提高鑒相頻率，增大環(huán)路帶寬，并抑制雜散分量。DDS相當(dāng)于一個小數(shù)分頻器。接收VCO輸出的頻率，通過改變頻率控制字K，使其輸出固定的頻率。此方案的設(shè)計中體現(xiàn)出以下顯著優(yōu)點(diǎn)：

利用了DDS頻率轉(zhuǎn)換速度快，頻率分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，并克服了其輸出頻率低和輸出信號頻率范圍小的缺點(diǎn)。

利用了鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)良好的跟蹤特性和噪聲特性。

本系統(tǒng)方案在相當(dāng)程度上解決了鎖相環(huán)中提高鑒相頻率和降低頻率間隔的矛盾。既實(shí)現(xiàn)了頻率的快速跳變和精細(xì)步進(jìn)，又實(shí)現(xiàn)了高的頻率輸出。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)成本也較低。

為了滿足電臺高速跳頻的要求，在方案中同步采用了自適應(yīng)精確預(yù)置技術(shù)，在環(huán)路輔助捕獲電路上設(shè)計了對VCO的壓控電壓進(jìn)行采樣的A/D以及預(yù)置壓控電壓所需的D/A，其原理框圖如圖2所示。

圖2 快鎖鎖定合成器原理框圖

采用自適應(yīng)精確預(yù)置技術(shù)的頻率合成器快速鎖定設(shè)計思路如下：

首先，開機(jī)先進(jìn)行全頻段掃描，把全頻段鎖相環(huán)鎖定后的VCO調(diào)諧電壓采樣并存儲起來，這樣在下次換頻時，可直接預(yù)置其相應(yīng)壓控電壓，可省去鎖相環(huán)頻率捕獲時間和A/D采樣時間而讓鎖相環(huán)直接工作，完全避免了鎖相環(huán)捕獲時間過長的問題。這樣，頻率合成器實(shí)際需要的頻率轉(zhuǎn)換時間就只有D/A建立時間，鎖相環(huán)捕獲時間和送數(shù)時間。一般來說，前2種時間都很短，都在微秒量級，送數(shù)的時間相對要長一些一般在幾十微秒。因此從原理上講，可以實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)的捷變頻。

其次，為了保證頻率合成器正式工作時每次頻率轉(zhuǎn)換，鎖相環(huán)均能一次鎖定。除了在開機(jī)及某些特定的時間利用鎖相環(huán)工作對預(yù)置電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行修正外，在每次鎖相環(huán)鎖定后仍同步對VCO調(diào)諧電壓采樣，并將此次采樣得到的數(shù)據(jù)刷新原來的預(yù)置電壓數(shù)據(jù)。這樣，在跳頻過程中VCO預(yù)置電壓得到了實(shí)時修正，從而使輔助頻率捕獲電路自動跟蹤了VCO特性的變化，對VCO的一致性及外界環(huán)境的要求降低。

■2.2 電路仿真

首先對鎖相環(huán)路進(jìn)行仿真以優(yōu)化頻率合成器的輸出相噪及雜散抑制，同時可以對環(huán)路自身鎖定時間有一個大概的了解，并可與加了輔助捕獲電路以后的環(huán)路鎖定時間進(jìn)行對比。筆者用AD公司的ADIsimPLL進(jìn)行了仿真，仿真參數(shù)設(shè)定鑒相頻率8MHz，環(huán)路帶寬20kHz，仿真結(jié)果見圖3。

圖3 環(huán)路特性仿真圖

由圖3可見如果不采用預(yù)置技術(shù)單靠環(huán)路自身鎖定，由于要保證低相噪，所以要求鑒相頻率不能太高，環(huán)路帶寬比較窄，從仿真結(jié)果來看單環(huán)鎖定時間在350μs以上，并且考慮到實(shí)際工作時各種器件及送數(shù)等相關(guān)方面的延時，實(shí)際鎖定時間只會比理論估算時間要長。

■2.3 軟件程序流程

軟件程序流程需要分為對壓控電壓的采集過程和采集處理后對壓控電壓進(jìn)行預(yù)置的正常工作過程。

2.3.1 采集數(shù)據(jù)流程

設(shè)置起始頻率1200MHz，頻率步徑為0.5MHz（即從1200MHz開始，每隔0.5MHz頻率采集一次），次數(shù)為801次。然后將開關(guān)切換到采集狀態(tài)，通過DSP進(jìn)行預(yù)定頻率點(diǎn)的頻率控制字計算，將計算結(jié)果通過串口按時序?qū)㈩l率控制字送入PLL電路的相應(yīng)芯片，等待PLL電路的鎖定指示，這樣就完成了一次頻率送數(shù)工作。當(dāng)DSP芯片收到鎖定指示后便開始采集壓控電壓，該電壓值通過A/D采集并輸送到DSP中，DSP將這個數(shù)值多次累計后求其平均值，并將其平均值和相對應(yīng)的頻率點(diǎn)放入緩存，待到全部頻率點(diǎn)的壓控電壓數(shù)值均已經(jīng)采集完畢，將所有數(shù)值做成一個頻率/壓控電壓的表格寫入FLASH芯片中保存下來，這樣則采集工作結(jié)束。圖4為采集階段的流程圖。

圖4 采集流程圖

2.3.2 正常工作流程

設(shè)置需要的頻率點(diǎn)，通過DSP對該頻率點(diǎn)的頻率控制字進(jìn)行計算，并將計算出的頻率控制字送入PLL電路的相對應(yīng)的芯片內(nèi)，送數(shù)的同時把開關(guān)切換到預(yù)置狀態(tài)，從FLASH中將該頻率對應(yīng)的壓控電壓數(shù)值讀出并寫入DA芯片，其輸出的模擬電壓就是環(huán)路的預(yù)置電壓，幫助PLL電路快速鎖定頻率。

需要注意的是，開關(guān)不能一直處于預(yù)置狀態(tài)，不然由DA送出的電壓一直存在就會干擾鎖存芯片的正常工作，所以開關(guān)預(yù)置狀態(tài)只能在送數(shù)時開啟，在送數(shù)結(jié)束后就應(yīng)該立刻將其斷開以保證鎖相環(huán)能正常鎖定頻率。

為了方便測量，可以在一個頻率正常鎖定后（取得鎖定指示后）延遲一小段時間又開始輸入另一個頻率點(diǎn)。繼續(xù)以上操作，再次鎖定后再切回原先的頻率，使得頻率合成器在兩個一定跨度的頻率點(diǎn)之間來回循環(huán)切換，以方便使用儀器來測量這兩個頻率切換所需要的時間。

3 測試結(jié)果及結(jié)論

■3.1 測試結(jié)果

經(jīng)過反復(fù)對電路進(jìn)行指標(biāo)優(yōu)化以后，對換頻時間測量后發(fā)現(xiàn)，在1200M和1600M兩頻率已可縮短至60μs以內(nèi)（頻率跨度400M，壓控電壓范圍2~13V，這個時間里面包括了預(yù)置時間4μs，送數(shù)時間30μs，環(huán)路相位捕獲時間20μs），測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 加自適應(yīng)精確預(yù)置技術(shù)的測試結(jié)果

對PLL去除自適應(yīng)精確預(yù)置技術(shù)相關(guān)電路，重新測試換頻時間，兩個頻點(diǎn)間切換時間在400μs以上，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 不加自適應(yīng)精確預(yù)置技術(shù)的測試結(jié)果

從上述測試結(jié)果來看，采用自適應(yīng)精確預(yù)置技術(shù)的頻率合成方案能達(dá)到非常好得快鎖效果。

■3.2 結(jié)論

本文介紹了自適應(yīng)精確預(yù)置技術(shù)的基本原理以及工程化實(shí)施方案，通過對實(shí)際樣品的測試試驗(yàn)，證明了采用該快速方案的可行性，為以后高速跳頻頻率合成器的設(shè)計提供了一種新的參考思路。