基于锁相环的Chirp超宽带信号源的设计与实现

摘要：在传统的模拟法产生Chirp超宽带信号的基础上，提出了一种基于锁相环(PLL)法的Chirp超宽带信号源设计方案。与传统的模拟方法相比，该方法产生的Chirp超宽带信号载频稳定性高，能够达到参考信号的频率稳定度。从理论上分析了该方法的可行性，并用相应的硬件电路实现了基于PLL的Chirp超宽带信号源。实验结果表明，该方法设计出的Chirp超宽带信号源具有易实现，稳定度高，灵活性和实用性强等优点。
关键词：Chirp信号；超宽带；锁相环

0 引言
Chirp超宽带信号是一种瞬时频率随着时间线性变化、同时又符合美国联邦通信委员会(FCC)对超宽带相对带宽定义的信号，由于其具有抗干扰能力强、发射功率低、多径分辨能力强、对频偏不敏感等优点，现已在无线通信、雷达、精确定位等众多领域引起了广泛研究。为了获得高调频线性度、高稳定性的Chirp超宽带信号，国内外学者研究出多种产生Chirp超宽带信号的方案，常见的有模拟法和数字法。模拟法可分为有源法和无源法，有源法是用模拟信号直接控制压控振荡器(VCO)，使压控振荡器输出Chirp超宽带信号，这种方法易实现，并且在宽频带内能获得满意的线性特性，但是载频稳定性差；无源法一般是使用声表面波(SAW)器件来产生Chirp超宽带信号，该方法的优点是产生的Chirp超宽带信号频率和带宽可以达到较高，但是其使用灵活性不够，SAW器件一经生产定型，扫频速率、扫频起始频率和扫频时间等参数就确定了，无法更改，并且成本高。数字法是采用直接数字频率合成技术(DDS)来产生Chirp超宽带信号，该方法的优点是产生的Chirp超宽带信号频率分辨率高、频率转换时间短，但是存在相位噪声大、频谱杂散大等缺点。
本文在直接模拟法的基础上，提出了一种基于锁相环的模拟法来产生Chirp超宽带信号设计方案，并用相应的硬件电路实现了该设计方案。该方法能够产生高调频线性度、高稳定性的Chirp超宽带信号，克服了传统的模拟法载频稳定性差的缺点，并且具有低复杂性、低成本，灵活性强以及易于实现等优点。

1 基于锁相环的Chirp超宽带信号源的设计原理
基于锁相环法的Chirp超宽带信号源的设计方案如图1所示，从图中可以看出该设计方案主要由调制电路和锁相环(PLL)电路两大部分构成。调制电路主要由信源、调制器两部分组成，其作用是产生一个速率和幅度可调的线性模拟信号，通过改变该模拟信号的速率和幅度可灵活控制Chirp超宽带信号中的参数。锁相环电路是该方案的核心部分，主要由鉴相器PD、环路滤波器LF和压控振荡器(VCO)三部分组成，其作用是完成Chirp超宽带信号的产生。

为了分析锁相环产生Chirp超宽带信号的原理，建立锁相环的相位模型如图2所示。调制信号m(t)由LF与VCO之间注入环路中，图中θi(s)为基准输入信号的相位，θo(s)为VCO输出信号的相位，θ'o(s)为输出信号经分频器后反馈到鉴相器的相位，θe(s)为鉴相器输出相位误差，K=
KφKvco为锁相环的环路增益。