频率合成技术方案设计

目前在 FMCW 频率源的设计中,最常用的方案分为两类,一种是通过三角波电压信号调制压控振荡器(VCO)产生,另一种是利用频率合成技术,应用最多的就是直接数字频率合成技术(DDS)和锁相环技术(PLL)相结合设计方案。 

三角波电压信号调制 VCO

产生调频连续波传统的方案就是三角波调谐 VCO 法,通过三角波电压调制信号调谐压控振荡器(VCO),理想状态下,VCO 的输出频率随着输入电压线性变化,进而产生调频信号。但由于 VCO 中核心元件变容二极管的固有特性,输出频率与调谐电压并不是理想的线性关系,如图 4-1 为典型的 VCO 电压-频率调谐曲线。 

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这种非线性关系对 FMCW 雷达测距的距离分辨率、测距范围和测距精度都会有很大的影响,所以要对其进行必要的非线性校正。目前,常见的校正方法有这三种:电抗补偿校正法、开环校正法、闭环线性校正法。 

(1)电抗补偿校正法:该方法利用电抗补偿回路来调整 VCO 谐振回路拓扑结构,从而改变其频率与电调元件之间的函数关系,进而调整电调曲线,实现对VCO 的线性校正。该方法方案简单,不会增加 VCO 的输出噪声、限制电调速度。但是该方法并没有成熟精确的理论和固定的实现方法,所以调试工作难度较大。 

(2)开环线性校正法:开环校正法的原理是通过实现 VCO 线性校正器满足校正条件的非线性转移特性函数,从而使得经线性校正后 VCO 的电调特性函数为线性函数。若 VCO 的电调特性函数为 OF V ,非线性转移的特性函数为0 LVV 。而开环线性校正法就是根据 VCO 本身的电调特性函数来确定合适的线 性 校 正 函 数 , 设 计 出 线 性 校 正 器 。 最 终 使 VCO 的 电 调 特 性 函 数O LF V V  呈线性。常见的方式有模拟断点式校正、模拟乘法器式校正和数字式线性校正。 

开环线性校正方案的实现比较简单,成本也较低,适合于对 VCO 线性度的要求不是很高的场合,或者是作为闭环校正方案中对 VCO 电调特性的预校正。又因为 VCO 本身的电调特性并不能用准确的解析式表达,所以开环线性校正存在较大的误差,通用性较差。 

(3)闭环线性校正法:该技术应用负反馈锁相技术来实现对 VCO 调制特性的实时校正,它是使得调频信号具有高线性度的一种有效方法。与上面两种方法相比,它最大的优点是可以根据 VCO 实际输出信号与理想线性频率偏离的多少,通过负反馈进行实时修正,使得输出频率与控制电压呈线性。但无论是采用数字还是模拟方法来实现,电路都较复杂,成本较高。其基本原理如图 4-2 所示。 

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如图 4-2 所示,VCO 输出的频率为 f 的信号经过反馈电路进入减法器的一个输入端构成一个闭环系统。这里减法器说明了环路是负反馈。当电路工作时,在VCO 电调斜率较大时, f 随着CV 的增大而增大的幅度也相对较大,这便会使反馈电压fV 的升幅加大,再经过减法器的作用,CV 的升高幅度又会得到抑制,从而抑制 f 的增长幅度,从而降低 VCO 的电调斜率。在 VCO 电调斜率较小时,反馈回路正好起到相反的作用,增大 VCO 的电调斜率。根据不同的反馈电路方案,闭环线性校正法又可以分为鉴相比较法、延迟锁相环法、延迟鉴相法。

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对于雷达物位计复杂的工作环境,应选择闭环法来对线性度进行校正,如图4-3 为闭环校正实际原理框图,但闭环校正电路复杂,成本高,而且校正后的线性度也并不是很理想,所以这里不准备使用此方案。

DDS+PLL 频率合成技术

直接数字频率合成技术(DDS)和锁相环技术(PLL)是目前应用最多的频率合成方法,它们各有各自的优缺点,我们将两者组合起来,取长补短,可获得更高性能的频率合成器,使设计的频率合成器在频率分辨率、调频时间、相位噪声、杂散等指标中都有很好的性能。DDS 和 PLL 的组合频率合成方案有多种,它们在输出频谱的纯度、频率转换时间和电路的复杂程度等方面有着一定程度的不同。上一章已经对几种 DDS 和 PLL 组合方案进行了介绍,下面以外混频方式为例分析此方案。 

如图 4-3 所示为方案框图。 

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DDS 芯片在 1GHz 时钟参考源的驱动下产生 50MHz~300MHz 的线性调频波,PLL 芯片结合压控振荡器构成的 PLL 环路产生 6GHz 的固定点频,然后与 DDS 芯片产生的调频波进行混频,产生 6.05GHz~6.3GHz 高频连续波,在经过四倍频得到最终 24.2GHz~25.2GHz 调频连续波信号。 

在此方案中使用的均为应用广泛性能较好的 PLL 和 DDS 芯片,受 DDS 芯片的限制,为了达到要求的频率以及带宽,仍需对其进行上变频与倍频处理,如图4-3 所示电路复杂,所用元件较多,而且还未包括滤波放大器件。


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