一种锯齿调频连续波信号发生装置的制作方法

1.本发明涉及一种锯齿调频连续波信号发生装置，属于信号发生器及雷达信号波形产生技术领域。


背景技术：

2.调频连续波信号应用在雷达中，具有高距离分辨率、低发射功率、不存在探测盲区、抗背景杂波及抗干扰能力的特点，特别适用于近距离测距，在近炸引信、无人机等军事领域和倒车雷达、生物雷达等民用方面都得到了广泛的应用。依托于具有调制和波形产生能力的小数n分频频率合成器，构建锯齿调频连续波信号发生装置，并给出产生锯齿调频连续波信号的参数设置是本技术致力于解决的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于针对现有锯齿调频连续波信号产生装置存在产生不灵活以及精度较低的技术现状，提出了一种锯齿调频连续波信号发生装置。
4.为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案。
5.所述锯齿调频连续波信号发生装置，包括电源模块、参考本振、频率合成器、压控振荡器、倍频器以及功率放大器。
6.参考本振与频率合成器相连，频率合成器分别与压控振荡器和微控制器相连，压控振荡器与倍频器相连，倍频器与功率放大器相连，电源模块与参考本振、频率合成器、压控振荡器、倍频器以及功率放大器相连；
7.频率合成器为次赫兹频率分辨率的小数n分频频率合成器，包括寄存器、低噪声数字鉴频鉴相器、精密电荷泵、选择器、可编程参考分频器以及σ-δ型小数插值器；
8.寄存器分别与选择器以及σ-δ型小数插值器相连，σ-δ型小数插值器与低噪声数字鉴频鉴相器相连，可编程参考分频器与低噪声数字鉴频鉴相器相连；精密电荷泵分别与低噪声数字鉴频鉴相器及压控振荡器相连；选择器分别与寄存器以及可编程参考分频器相连；微控制器与频率合成器相连；
9.所述锯齿调频连续波信号发生装置中各部件的功能如下：
10.所述电源模块为参考本振、频率合成器、压控振荡器、倍频器以及功率放大器供电；所述参考本振为频率合成器提供参考时钟；压控振荡器为频率合成器中的低噪声数字鉴频鉴相提供锁相环时钟，精密电荷泵为压控振荡器提供电源，压控振荡器为倍频器提供控制电压，功率放大器放大倍频器的输出；微控制器控制寄存器，进一步控制可编程参考分频器、选择器、σ-δ型小数插值器及倍频器。
11.所述锯齿调频连续波信号发生装置的工作过程：
12.步骤1、参考本振在加电后产生一个稳定的本振时钟信号，送入频率合成器中的可编程参考分频器；
13.其中，可编程参考分频器受寄存器的频率控制字控制且σ-δ型小数插值器受微
控制器控制，产生小数分频变化；
14.步骤2、微控制器通过写入寄存器改变寄存器控制字值，控制分频大小，从而控制分频器输出信号的频率和相位；
15.步骤3、低噪声数字鉴频鉴相器、精密电荷泵、压控振荡器共同构成完整的锁相环回路，经过参考本振与压控振荡器输出共同送入低噪声数字鉴频鉴相器，两者进行频率相位比较，输出误差信号，控制精密电荷泵改变电荷泵输出，从而控制压控振荡器频率相位稳定；
16.步骤4、压控振荡器经过稳频和稳相的输出信号经倍频器、功率放大器后，得到所需要的频率和功率输出，最终得到所需的信号。
17.有益效果
18.本发明提出了一种锯齿调频连续波信号发生装置，与现有信号发生装置相比，具有如下有益效果：
19.1.所述装置通过可编程σ-δ型小数插值器，实现了可编程的小数n分频，从而提高了信号产生的频率控制精度；
20.2.所述装置通过控制低噪声数字鉴频鉴相器的频率和相位，除了产生锯齿调频、三角调频等线性调频信号外，还可用于实现频移键控(fsk)和相移键控(psk)调制；
21.3.所述装置通过控制精密电荷泵和σ-δ型小数插值器，能有效缩短锁定时间，而无需修改环路滤波器。
附图说明
22.图1为本发明一种锯齿调频连续波信号发生装置的组成框图；
23.图2为本发明一种锯齿调频连续波信号发生装置的工作过程。
具体实施方式
24.下面结合附图及实施例，对本发明一种锯齿调频连续波信号发生装置进行详细阐述。
25.实施例1
26.本发明所述装置，具体实施时，如图1所示，包括电源模块、参考本振、频率合成器、压控振荡器、倍频器以及功率放大器；
27.其中，参考本振与频率合成器相连，频率合成器分别与压控振荡器和微控制器相连，压控振荡器与倍频器相连，倍频器与功率放大器相连，电源模块与参考本振、频率合成器、压控振荡器、倍频器以及功率放大器相连；
28.频率合成器为次赫兹频率分辨率的小数n分频频率合成器，包括寄存器、低噪声数字鉴频鉴相器、精密电荷泵、选择器、可编程参考分频器以及σ-δ型小数插值器；
29.寄存器具体实施时，包括int寄存器和frac寄存器；寄存器分别与选择器以及σ-δ型小数插值器相连，σ-δ型小数插值器与低噪声数字鉴频鉴相器相连，可编程参考分频器与低噪声数字鉴频鉴相器相连；精密电荷泵分别与低噪声数字鉴频鉴相器及压控振荡器相连；选择器分别与寄存器以及可编程参考分频器相连；微控制器与频率合成器相连；
30.所述锯齿调频连续波信号发生装置中各部件的功能如下：
31.所述电源模块为参考本振、频率合成器、压控振荡器、倍频器以及功率放大器供电；所述参考本振为频率合成器提供参考时钟；压控振荡器为频率合成器中的低噪声数字鉴频鉴相提供锁相环时钟，精密电荷泵为压控振荡器提供电源，压控振荡器为倍频器提供控制电压，功率放大器放大倍频器的输出；微控制器控制寄存器，进一步控制可编程参考分频器、选择器、σ-δ型小数插值器及倍频器。
32.所述锯齿调频连续波信号发生装置的工作过程：
33.步骤1、参考本振在加电后产生一个稳定的本振时钟信号，送入频率合成器中的可编程参考分频器；
34.其中，可编程参考分频器受寄存器的频率控制字控制且σ-δ型小数插值器受微控制器控制，产生小数分频变化；
35.步骤2、微控制器通过写入寄存器改变寄存器控制字值，控制分频大小，从而控制分频器输出信号的频率和相位；
36.步骤3、低噪声数字鉴频鉴相器、精密电荷泵、压控振荡器共同构成完整的锁相环回路，经过参考本振与压控振荡器输出共同送入低噪声数字鉴频鉴相器，两者进行频率相位比较，输出误差信号，控制精密电荷泵改变电荷泵输出，从而控制压控振荡器频率相位稳定；
37.步骤4、压控振荡器经过稳频和稳相的输出信号经倍频器、功率放大器后，得到所需要的频率和功率输出，最终得到所需的信号。
38.频率合成器具体实施时，电源供电范围为2.7v至3.3v之间，且频率合成器在不使用时可以关断；所述频率合成器输出0.5ghz-6.1ghz的信号，具有调制和波形产生能力，能提供次赫兹频率分辨率的小数n分频频率合成信号，包括低噪声数字鉴频鉴相器(pfd)、精密电荷泵和可编程参考分频器以及σ-δ型小数插值器；
39.其中，所述σ-δ型小数插值器能实现可编程模数小数n分频，且总n分频器(n＝int (frac/225)，通过int/frac寄存器实现，具体实施时：int和frac寄存器均为25位；
40.此外，频率合成器还能用于实现频移键控(fsk)和相移键控(psk)调制；可用的频率扫描模式也有很多，可在频域内产生各种波形，例如锯齿波和三角波；此外，频率合成器中还包括周跳减少电路，可进一步缩短锁定时间，而无需修改环路滤波器。
41.int和frac寄存器均通过简单三线式接口进行控制，电路连接关系上，参考本振与频率合成器的参考电压输入相连，为频率合成器提供参考输入信号；微控制器位通用dsp、arm及fpga中的一种或多种，与频率合成器的spi总线相连，系统加电后为频率合成器加载程序，此外，频率合成器的复用输出信号端能产生斜坡完成信号，表示一个锯齿调频连续波周期信号生成完毕，微控制器与该脚相连，根据该复用输出信号端的输出标志进行信号采集与处理；频率合成器启动后，其电荷泵输出斜坡电压，该斜坡电压为调谐电压驱动vco产生锯齿波调频信号，由于vco输出频率与输入调谐电压不完全线性对应，因此，将vco的一部分射频输出反馈给频率合成器，使vco输出线性的调频连续波信号；vco输出经倍频、功率放大后即可通过天线辐射出去。
42.为了生成锯齿调频连续波信号，需通过微控制器往频率合成器的频率控制字寄存器中写入配置参数；具体实施时所述的频率控制字寄存器数量为8个，每个寄存器有32位，该频率字控制寄存器结合具体应用需求设置，例如：假设雷达需要生成的锯齿调频连续波
信号频率范围为f1hz～f2hz，频带宽度为bhz，每个锯齿波周期时间长度为t
p
秒，倍频器倍频数为nb，参考本振为f
ref
；则一个周期内，压控振荡器输出频率f1/nb～f2/nbhz；
43.8个控制寄存器，具体为：寄存器r0、r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7；且所有寄存器的第2到0位，为控制位，对应寄存器序号的二进制表达。
44.所述寄存器r0的最高位第31位为斜坡使能位，1为使能斜坡，0为禁止斜坡；所述寄存器r0的第30到27位是muxout控制位；所述寄存器r0的第26到15位为整数分频数int寄存器；所述寄存器r0的第14到3位为msb作为高12位、寄存器r1的第27到15位为低13位lsb共25位构成小数分频数frac寄存器；
45.寄存器r2的第28位为csr使能位，第27到24位为电荷泵电流设置位；第21位为二分频器设置位；第20位为参考倍频器设置位；第19到15位为r计数器；第14到3位为12位clk1分频器，该分频器数值由信号带宽、锯齿波信号斜坡内步进数n
t
(由寄存器r6的第22到3位设置得到)；
46.寄存器r3的第13到12位为斜坡模式设置位，第6位为鉴相器极性位，此处设置为1，表示vco特性为正，否则若设置为0，表示vco特性为负；第2到0位为控制位。
47.寄存器r4的第25到21位为使斜坡完成信号输出的控制信号；第20到第19位为分频模式，第18到第7位为时钟分频器，若设置为1，则分频倍数为1；
48.寄存器r5的第23位为偏差选择，第19到第22位为4位偏差偏移字；
49.寄存器r6的第23位为步进字选择，第3到第22位为20位步进字，为锯齿波信号斜坡内步进数n
t
；
50.寄存器r7的第23位为锯齿波延迟快速锁定功能设置，为0禁止，为1允许；第0到第2位为控制位；
51.所述鉴相器的输入信号频率为f
pfd
，int及frac寄存器的数值可由下式(1)到(4)求得：
[0052][0053][0054][0055]
lsb＝frac-msb
·213
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0056]
其中，(1)和(3)式中，表示向下取整、round(.)表示四舍五入取整。
[0057]
每个寄存器的后三位db[2:0]为控制位，对应寄存器编号，寄存器r0的db[2:0]＝000、寄存器r1的db[2:0]＝001。
[0058]
具体实施时，r0寄存器的设置，如下表1所示：
[0059]
表1寄存器r0具体实施的设置
[0060]
寄存器位数db[31:27]db[26:15]db[14:3]db[2:0]二进制参数11111intmsb000
[0061]
具体实施时：设置分频器寄存器r1和r2的参数，如表2所示，将csr使能位db28、电荷泵电流设置db[27:24]、二分频器db21、参考倍频器db20、5位r计数器db[19:15]均置0，此时鉴相器输入f
pfd
与参考本振f
ref
大小一致.
[0062]
表2寄存器r1具体实施的设置
[0063]
寄存器位数db[31:28]db[27:15]db[14:3]db[2:0]二进制参数0000lsb全为0001
[0064]
寄存器r2的12位clk1分频器db[14:3]数值由信号带宽、锯齿波信号斜坡内步进数n
t
(由寄存器r6的db[22:3]设置)、鉴相器输入f
pfd
得到：
[0065][0066]
寄存器r2的设置为表3，第13到12位为斜坡模式设置位，设置为00时，为连续的锯齿波模式；第6位为鉴相器极性位，此处设置为1，表示vco特性为正，否则若设置为0，表示vco特性为负；第2到0位为控制位，设置为二进制011；其它所有位闲置，可置为0。
[0067]
表3寄存器r2具体实施的设置
[0068]
寄存器位数db[31:23]db22db[21:15]db[14:3]db[2:0]二进制参数均为010000001clk1010
[0069]
设置功能寄存器r3参数，具体实施时如表4所示：斜坡模式设置位db[13:12]，决定了波形产生的类型，这里设置为二进制00，为连续的锯齿波模式；鉴相器极性位db6根据vco实际极性进行设置，这里设置为1，表示vco特性为正；控制位db[2:0]为二进制011；其它所有位均置0。
[0070]
表4寄存器r3具体实施的设置
[0071][0072]
设置测试寄存器r4参数，具体实施时：为使斜坡完成信号输出至muxout引脚，设置db[25:21]＝00011；clk div模式设置为分频模式，设置db[20:19]＝11；12位时钟分频器db[18:7]设置为1，即分频倍数为1；控制位db[2:0]为二进制100；其它所有位均置0。
[0073]
表5寄存器r4具体实施的设置
[0074]
寄存器位数db[31:26]db[25:21]db[20:19]db[18:7]db[6:3]db[2:0]二进制参数均为000011110000000000010000100
[0075]
设置偏差寄存器(r5)参数，具体为：：偏差选择位db23设置为0，选择第一偏差字；4位偏差偏移字db22～19，影响偏差分辨率，可由式(6)求得：
[0076][0077]
16位偏差字db18～3，与每次调频的频率偏差、鉴相输入频率、偏差偏移字有关，可
由下式(7)求得：
[0078][0079]
表6寄存器r5具体实施的设置
[0080]
寄存器位数db[31:24]db23db[22:19]db[18:3]db[2:0]二进制参数均为00dev_offsetdev101
[0081]
步进寄存器r6的设置，具体为：步进字选择位db23设置为0，选择第一步进字；20位步进字db[22:3]，是锯齿波信号斜坡内步进数n
t
。
[0082]
表7寄存器r6具体实施的设置
[0083]
寄存器位数db[31:24]db23db[22:3]db[2:0]二进制参数均为00n
t
110
[0084]
延迟寄存器r7的设置，具体为：延迟寄存器用于设置锯齿波延迟快速锁定功能，可通过将db18设置为0禁用该功能；控制位db2～0为二进制111；其它所有位均置0。
[0085]
流程如图2所示，具体如下：
[0086]
(a)确定锯齿调频连续波信号生成实际需求，给定信号频率范围、带宽、倍频器倍数、锯齿波周期、锯齿波信号斜坡内步进数以及参看本振；
[0087]
(b)根据公式(1)～(4)确定int、msb、lsb数值，进而确定寄存器r0、r1的参数设置；
[0088]
(c)根据公式(5)确定clk1数值，进而确定寄存器r2的参数设置；
[0089]
(d)根据vco极性，确定寄存器r3的参数设置；
[0090]
(e)直接设置寄存器r4的参数；
[0091]
(f)根据公式(6)和(7)确定dev_offset、dev数值，进而确定寄存器r5的参数设置；
[0092]
(g)根据步进数n
t
数值，设置寄存器r6中的参数；
[0093]
(h)直接设置寄存器r7的参数；
[0094]
(i)以r7～r0的顺序通过微控制器写入频率合成器中，激活系统工作，生成锯齿调频连续波信号。
[0095]
实施例2
[0096]
假设需要生成的锯齿调频连续波信号频率范围为10ghz～11ghz，频带宽度为b＝1ghz，倍频器倍频数为nb＝10，则一个周期内，压控振荡器输出频率1ghz～1.1ghz。每个锯齿波周期时间长度为t
p
＝2ms，锯齿波信号斜坡内步进数n
t
＝200，参考本振为f
ref
＝10mhz，则f
pfd
＝10mhz。根据公式(1)～(4)可得int＝100、frac＝0、msb＝0、lsb＝0，由此可确定寄存器r0、r1中未知的参数。
[0097]
根据公式(5)可得clk1＝100，由此可确定寄存器r2中未知的参数。
[0098]
假设使用的vco为正极性，由此可确定寄存器r3中未知的参数。
[0099]
根据公式(6)和(7)可得dev_offset＝7(由6.7四舍五入取整)、dev＝13107，由此可确定寄存器r5中未知的参数。
[0100]
步进数n
t
已知，由此可确定寄存器r6中的参数。综合以上分析，能得到频率合成器需要配置的8个寄存器参数，如表1和表2所示。
[0101]
表1寄存器设置参数表
[0102][0103][0104]
表2寄存器设置参数表
[0105][0106]
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。