锁相环产生具有高线性度三角调频信号的方法

史凯运，雷振亚，侯建强

(西安电子科技大学电子工程学院，陕西西安 710071)

随着私家车数量的增加，带来了大量的交通问题，人们对汽车的安全性能越来越关注。车载雷达的问世有效地缓解了交通安全问题，近年来车载雷达系统的主流技术是毫米波段的调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)雷达。此类雷达电路实现信号处理算法较简单、分辨率比较高、能测量很近的距离以及不存在盲区等突出的优点，目前其是毫米波汽车防撞雷达中应用最广泛的一种调制方法［1－2］。需要说明的是，FMCW体制对调制信号的线性度要求较高，一般高精度测量要求线性度要优于0.5%，若不加外部线性度校正电路，难以达到较高的测量精度，但外加线性度校正电路相对较复杂［3－5］。本文介绍了一种基于锁相环系统，通过快速改变系统内分频器分频比，产生用于FMCW雷达调制信号的方法，此方法具有结构简单、易于调试等特点。文中首先使用ADS2011对锁相环系统进行产生调制信号仿真，基于仿真结果，分析了分频器跳变周期、鉴相频率和环路带宽对调频信号线性度的影响。最后参照电路原理图设计加工电路实物，通过对电路的实测验证了此方案的可行性。

1 锁相环产生调频信号原理

目前产生FMCW雷达调制信号的方法主要有模拟法和数字法两种。模拟法是传统的方法，虽然比较简单，但存在稳定度差，振荡频率随温度变化会有漂移，相位噪声性能亦不佳等缺点。数字法通过DSS能综合出各种信号波形，通过数控电路能对DSS输出波形的频率、幅度、相位实行精确的控制;但由于DSS的全数字结构，导致其杂散电平较高，限制了它的应用［6］。

本文提出了一种基于锁相环产生调制三角斜坡调频信号的方案。锁相环(PLL)电路主要由4个模块组成:鉴相器、环路滤波器、压控振荡器(VCO)和分频器，大多数情况下分频器可编程［7－8］。本方案的基本思路是通过以一定的跳变周期改变分频比N的值来控制输出信号的频率，并通过调节锁相环系统鉴相频率及环路带宽优化输出调频信号的线性度。本方案电路结构成熟，可靠性高且方便调节。

图1 锁相环系统ADS仿真模型

2 系统仿真及实测结果

在ADS2011中建立仿真模型如图1所示。在此模型中，可通过改变分频比N控制输出频率。用大于或接近于锁相环锁定时间tlock的跳变周期Δt，周期性地改变N的值，便可得到一条阶梯状的扫频曲线，如图2所示。

图2 阶梯状扫频曲线

当逐渐减小Δt，且增加跳变步进数;扫频曲线就会变得平滑，最终接近于直线，这时就能得到一个线性度较好扫频信号。在不同跳变周期Δt的条件下对锁相环系统模型进行仿真，得到结果如图3所示。

图3 不同跳变周期对应的调频信号

从图中可看出，随着跳变周期Δt的减小，调频信号的线性度逐渐改善。需要注意的是，Δt最小只能减小到锁相环的锁定时间tlock，否则会在锁相环还没锁定频率的情况下发生跳变，调频信号的线性度会恶化。经过仿真优化，锁相环系统的鉴相频率设置为32 MHz，环路带宽约为3 MHz。

设计的锁相环系统原理图如图4所示。除了锁相环芯片之外，还包括低通滤波器、晶振、4阶无源环路滤波器和电压控制振荡器等外围电路。

图4 锁相环电路原理图

加工的电路板实物如图5所示;左边为包含锁相环芯片及环路滤波器的电路，右边为VCO电路，板材大小均为5 cm×5 cm。

图5 电路板实物图

将两个电路模块按照原理图中的电气连接关系，用50Ω同轴电缆连接。通过软件设置锁相环系统的鉴相频率为32 MHz，环路滤波器带宽3 MHz。跳变周期依次设置为为1μs和10μs，用示波器观测控制VCO频率变化的电压信号，从测试结果中可看出，跳变周期对调频信号线性度影响较大，与仿真结果相符。

图6 跳变周期Δt=1μs时的测试结果

图7 跳变周期Δt=10μs时的测试结果

图8显示了跳变周期设置在1μs时的射频输出信号频谱，可看出锁相环系统在所设定的频带范围内实现了扫频功能。

图8 输出射频信号频谱

3 结束语

本文介绍了一种通过快速改变锁相环分频比的方式产生三角调频信号的方法;并通过软件仿真及实物测试验证了此方法的可行性。仿真中以不同的跳变周期快速改变锁相环分频器的分频比得到了不同线性度的扫频信号。分析得出结论，锁相环分频器的分频比改变的越快，扫频信号线性度越好，但跳变时间要大于等于锁定时间。同时锁相环鉴相频率及环路滤波器带宽均对调频信号线性度产生影响，必须将其设定为一个合适的值。最后，通过对加工实物的测试，验证了这种方法能够产生线性度较好的调频信号。

［1］Merrill Skolnik.雷达手册［M］.3 版.王军，译.北京:电子工业出版社，2013.

［2］Piper S O.Homodyne FMCW radar range resolution effects with sinusoidalnonlinearities in the frequency sweep［C］.Proceeding of IEEE International Radar Conference，1995:563－567.

［3］宋景唯.线性度对线性调频雷达距离分辨力的影响［J］.电子科技大学学报，1992(2):121－126.

［4］胡翔，王东进.一种提高LFMCW雷达调频线性度的新思路［J］.中国科技大学学报，2001(l):63－67.

［5］Musch T，Rolfes I，Schiek B.A highly linear frequency ramp generator based on a fractional divider phase－locked－loop［C］.Ruhr－ University，Bochum，Germany:IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，Inst.Fur Hoch Frequenz Technology，1999.

［6］费元春，苏广川.宽带雷达信号产生技术［M］.北京:国防工业出版社，2002.

［7］张厥盛.锁相技术［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2009.

［8］Roland E Best.Phase － locked loops:design，simulation，and applications［M］.New York:McGraw －Hill，2007.