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0 引言 測控通信系統中經常會使用調相機制，即在發射載波相位中攜帶信息并傳送出去，同時在接收系統接收的載波相位中解調出信息，以達到測控通信的目的。 載波無論是無線電中的哪一個頻段，目前總是把高頻信號變頻到一個低頻信號進行解調。通常解調頻率都在幾兆赫茲至幾百兆赫茲的范圍內。筆者在進行某工程設計時，需要在70 MHz調相載頻上解調出2～100 kHz的BPSK、ASK或FSK信號，以用于比對原始碼，其調制度為0.2～1.5。設計時雖然也曾用鑒頻器加積分的解調方式實現了信號的解調，但由于調制指數小，調制頻率低，使得調制頻偏小，鑒頻靈敏度有限，而且由于視放增益很高，因而其噪聲很大，比對效果不好。因此，研究載波跟蹤環解調器就具有一定的實際意義。 1 載波跟蹤環解調器原理 圖1是一個基本鎖相環路的方框圖。該環路包含一個鑒相器，一個低通濾波器和一個壓控振蕩器。實際上，可以把鑒相器看成一個具有兩個輸入信號e1(t)和e2(t)的理想乘法器，其輸出量為Kme1e2，其中Km是一個常數。假設輸入信號是： 壓控振蕩器的輸出信號是： 則鑒相器的輸出(其二倍頻率項由于被環路濾波器抑制而可以忽略)則為： 由于環路鎖定后，θi-θo很小，固有： 這樣，鑒相器的輸出就可以近似為： 若環路輸入信號是一個調相信號，則有： 式中△φcosΩt是調相信號的相移量，θi是初始相位。 令 如果把環路帶寬ωL取得很窄，即ωL<<Ωmin。Ωmin是調制信號的最低角頻率。則調制分量被抑制。此時VCO的輸出信號為： 這樣，則有： 比較式(2)與式(1)，可以看出，調相后的環路鑒相器輸出Vd比未調制時多出了一項，而Kd△φcosΩt正是要解調出的調制信號。 實際上，上述分析結果都是在鑒相器兩信號相位差很小時得出的，所以，這種調相解調環適用于1弧度以下的調制，調制度大于1弧度后。其鑒相器輸出的解調信號將會產生一些失真。 載波跟蹤環解調器的主要特點是解調門限低，但制作復雜，可靠性稍低。 2 載波跟蹤環解調器的設計 圖2是載波跟蹤環解調器框圖。該環路鑒相器采用了MC12040高速ECL數字鑒相器，所以，兩輸入正弦信號須轉換為ECL電平。此環實際上是二階鎖相環。 2.1 主要參數的確定 由于最低調制頻率是2 kHz，所以，環路帶寬BL<2 kHz。一般取ωL≤400 Hz，不宜取得太窄，否則鎖定速度將變得很慢。 確定環路自然諧振頻率ωn時；可取阻尼系數則： 對于VCXO參數，由于本鎖相環所跟蹤的頻率非常穩定，其準確度穩定度都在10-8以下。所以，其開環頻差主要取決于VCXO的溫漂和老化。一般在采用泛音晶振溫補后，在0～40℃范圍內可達到1×10-6，年老化率一般為2×10-6(玻璃殼)。按10年不調整計算，VCXO的漂移為： f=70×106×10-6+70×106×5×10-6×10=4kHz，因此，VCXO的壓控范圍為±2kHz，控制電壓范圍為4～8 V，VCXO的斜率為1 000 Hz／V。 2.2 鑒相器的設計 本設計中的鑒相器選用MC12040 ECL高速數字器件，其最高工作頻率為80 MHz。器件邏輯如圖3所示。MC12040是專為相位比較器而設計的邏輯電路。它能夠比較兩組數字信號之間的相位"超前"和"滯后"的關系。輸出為兩波形上升沿之間的時間差的正負脈沖。因為每個周期只有一個上升沿，所以，該鑒相器有±2π弧度的范圍。圖4是其時序圖。 兩輸入信號(R，V)的相位差大小與輸出波形的占空比成一定比例。如將輸出波形進行積分，即可獲得控制VCXO的模擬量。一般可采用如圖5所示的積分電路。 由于鑒相器送出的是窄脈沖，為便于積分，本設計又增加了一節R1／2C1的無源積分器。此種結構的鑒相器增益為0.16 V／rad。 2.3 接口電路 由于MC12040鑒相器是ECL器件，其輸人與ECL電平兼容。而環路的兩輸入信號均為正弦信號，因此必須將它轉移成ECL電平。對于使用+5 V電源來說，低電平為+3.1 V，高電平為+4 V。設計時選用MC10104或門電路集成塊就可以完成此功能。其實際電路如圖6所示。 圖中R3、R4是ECL器件的負載電阻(即內部射隨器發射極的到地電阻。如果使用的是-5 V電源，此電阻應接到負電源上)，一般為510Ω。R1和R2是直流反饋電阻，作用是將輸入端的直流電平調整到ECL電平的中心值。+5 V工作時，其中心值在3.6 V左右。設計時可選擇R1=R2=R3=R4。 3 調整與測試 該系統的調整和檢查主要有靜電檢查、開環檢查和閉環檢查。靜電檢查主要檢查正弦／ECL轉換電路和鑒相器，開環檢查主要是對R端加信號、V端加信號和鑒相器輸出端(MC12040的3腳)不等寬度的方波信號進行檢查，閉環測試即環路鎖定情況下的測試，包括環路帶寬、捕捉帶、信號中斷／接通狀態下的捕獲概率和信號調制突發狀態下的捕獲時間等。 4 結束語 目前，這種70 MHz載波跟蹤解調環還比較少見，一般都在10.7 MHz或更低頻率上使用這種解調環。研究這種載波跟蹤解調環的目的使其能夠在70 MHz調制中頻上進行解調，同時降低解調噪聲，擴寬解調環的工作頻率范圍，為工程設計提供有價值參考方案。 |
