基于MC12040 ECL鑒相器實現(xiàn)載波跟蹤環(huán)解調(diào)器的應(yīng)用方案

引言

測控通信系統(tǒng)中經(jīng)常會使用調(diào)相機制，即在發(fā)射載波相位中攜帶信息并傳送出去，同時在接收系統(tǒng)接收的載波相位中解調(diào)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(diào)。通常解調(diào)頻率都在幾兆赫茲至幾百兆赫茲的范圍內(nèi)。筆者在進行某工程設(shè)計時，需要在70 MHz調(diào)相載頻上解調(diào)出2～100 kHz的BPSK、ASK或FSK信號，以用于比對原始碼，其調(diào)制度為0.2～1.5。設(shè)計時雖然也曾用鑒頻器加積分的解調(diào)方式實現(xiàn)了信號的解調(diào)，但由于調(diào)制指數(shù)小，調(diào)制頻率低，使得調(diào)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(huán)解調(diào)器就具有一定的實際意義。

1 載波跟蹤環(huán)解調(diào)器原理

圖1是一個基本鎖相環(huán)路的方框圖。該環(huán)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(shù)。假設(shè)輸入信號是：

如果把環(huán)路帶寬ωL取得很窄，即ωL《《Ωmin。Ωmin是調(diào)制信號的最低角頻率。則調(diào)制分量被抑制。此時VCO的輸出信號為：

比較式（2）與式（1），可以看出，調(diào)相后的環(huán)路鑒相器輸出Vd比未調(diào)制時多出了一項，而Kd△φcosΩt正是要解調(diào)出的調(diào)制信號。

實際上，上述分析結(jié)果都是在鑒相器兩信號相位差很小時得出的，所以，這種調(diào)相解調(diào)環(huán)適用于1弧度以下的調(diào)制，調(diào)制度大于1弧度后。其鑒相器輸出的解調(diào)信號將會產(chǎn)生一些失真。

載波跟蹤環(huán)解調(diào)器的主要特點是解調(diào)門限低，但制作復(fù)雜，可靠性稍低。

2 載波跟蹤環(huán)解調(diào)器的設(shè)計

圖2是載波跟蹤環(huán)解調(diào)器框圖。該環(huán)路鑒相器采用了MC12040高速ECL數(shù)字鑒相器，所以，兩輸入正弦信號須轉(zhuǎn)換為ECL電平。此環(huán)實際上是二階鎖相環(huán)。

2.1 主要參數(shù)的確定

由于最低調(diào)制頻率是2 kHz，所以，環(huán)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。

對于VCXO參數(shù)，由于本鎖相環(huán)所跟蹤的頻率非常穩(wěn)定，其準(zhǔn)確度穩(wěn)定度都在10-8以下。所以，其開環(huán)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(nèi)可達到1×10-6，年老化率一般為2×10-6（玻璃殼）。按10年不調(diào)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(shè)計

本設(shè)計中的鑒相器選用MC12040 ECL高速數(shù)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(shè)計的邏輯電路。它能夠比較兩組數(shù)字信號之間的相位“超前”和“滯后”的關(guān)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(shè)計又增加了一節(jié)R1／2C1的無源積分器。此種結(jié)構(gòu)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(huán)路的兩輸入信號均為正弦信號，因此必須將它轉(zhuǎn)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(shè)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(nèi)部射隨器發(fā)射極的到地電阻。如果使用的是-5 V電源，此電阻應(yīng)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(diào)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(shè)計時可選擇R1=R2=R3=R4。

3 調(diào)整與測試

該系統(tǒng)的調(diào)整和檢查主要有靜電檢查、開環(huán)檢查和閉環(huán)檢查。靜電檢查主要檢查正弦／ECL轉(zhuǎn)換電路和鑒相器，開環(huán)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(huán)測試即環(huán)路鎖定情況下的測試，包括環(huán)路帶寬、捕捉帶、信號中斷／接通狀態(tài)下的捕獲概率和信號調(diào)制突發(fā)狀態(tài)下的捕獲時間等。

4 結(jié)束語

目前，這種70 MHz載波跟蹤解調(diào)環(huán)還比較少見，一般都在10.7 MHz或更低頻率上使用這種解調(diào)環(huán)。研究這種載波跟蹤解調(diào)環(huán)的目的使其能夠在70 MHz調(diào)制中頻上進行解調(diào)，同時降低解調(diào)噪聲，擴寬解調(diào)環(huán)的工作頻率范圍，為工程設(shè)計提供有價值參考方案。

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