载波跟踪环解调器的设计应用

0 引言

测控通信系统中经常会使用调相机制，即在发射载波相位中携带信息并传送出去，同时在接收系统接收的载波相位中解调出信息，以达到测控通信的目的。

载波无论是无线电中的哪一个频段，目前总是把高频信号变频到一个低频信号进行解调。通常解调频率都在几兆赫兹至几百兆赫兹的范围内。笔者在进行某工程设计时，需要在70 MHz调相载频上解调出2～100 kHz的BPSK、ASK或FSK信号，以用于比对原始码，其调制度为0.2～1.5。设计时虽然也曾用鉴频器加积分的解调方式实现了信号的解调，但由于调制指数小，调制频率低，使得调制频偏小，鉴频灵敏度有限，而且由于视放增益很高，因而其噪声很大，比对效果不好。因此，研究载波跟踪环解调器就具有一定的实际意义。

1 载波跟踪环解调器原理

图1是一个基本锁相环路的方框图。该环路包含一个鉴相器，一个低通滤波器和一个压控振荡器。实际上，可以把鉴相器看成一个具有两个输入信号e1(t)和e2(t)的理想乘法器，其输出量为Kme1e2，其中Km是一个常数。假设输入信号是：

压控振荡器的输出信号是：



则鉴相器的输出(其二倍频率项由于被环路滤波器抑制而可以忽略)则为：



由于环路锁定后，θi-θo很小，固有：



这样，鉴相器的输出就可以近似为：



若环路输入信号是一个调相信号，则有：



式中△φcosΩt是调相信号的相移量，θi是初始相位。

令

如果把环路带宽ωL取得很窄，即ωL<<Ωmin。Ωmin是调制信号的最低角频率。则调制分量被抑制。此时VCO的输出信号为：



这样，则有：



比较式(2)与式(1)，可以看出，调相后的环路鉴相器输出Vd比未调制时多出了一项，而Kd△φcosΩt正是要解调出的调制信号。

实际上，上述分析结果都是在鉴相器两信号相位差很小时得出的，所以，这种调相解调环适用于1弧度以下的调制，调制度大于1弧度后。其鉴相器输出的解调信号将会产生一些失真。

载波跟踪环解调器的主要特点是解调门限低，但制作复杂，可靠性稍低。

2 载波跟踪环解调器的设计

图2是载波跟踪环解调器框图。该环路鉴相器采用了MC12040高速ECL数字鉴相器，所以，两输入正弦信号须转换为ECL电平。此环实际上是二阶锁相环。

2.1 主要参数的确定

由于最低调制频率是2 kHz，所以，环路带宽BL<2 kHz。一般取ωL≤400 Hz，不宜取得太窄，否则锁定速度将变得很慢。
确定环路自然谐振频率ωn时；可取阻尼系数则： 则



对于VCXO参数，由于本锁相环所跟踪的频率非常稳定，其准确度稳定度都在10-8以下。所以，其开环频差主要取决于VCXO的温漂和老化。一般在采用泛音晶振温补后，在0～40℃范围内可达到1×10-6，年老化率一般为2×10-6(玻璃壳)。按10年不调整计算，VCXO的漂移为：

f=70×106×10-6+70×106×5×10-6×10=4kHz，因此，VCXO的压控范围为±2kHz，控制电压范围为4～8 V，VCXO的斜率为1 000 Hz／V。

2.2 鉴相器的设计

本设计中的鉴相器选用MC12040 ECL高速数字器件，其最高工作频率为80 MHz。器件逻辑如图3所示。MC12040是专为相位比较器而设计的逻辑电路。它能够比较两组数字信号之间的相位"超前"和"滞后"的关系。输出为两波形上升沿之间的时间差的正负脉冲。因为每个周期只有一个上升沿，所以，该鉴相器有±2π弧度的范围。图4是其时序图。

两输入信号(R，V)的相位差大小与输出波形的占空比成一定比例。如将输出波形进行积分，即可获得控制VCXO的模拟量。一般可采用如图5所示的积分电路。

由于鉴相器送出的是窄脉冲，为便于积分，本设计又增加了一节R1／2C1的无源积分器。此种结构的鉴相器增益为0.16 V／rad。

2.3 接口电路

由于MC12040鉴相器是ECL器件，其输人与ECL电平兼容。而环路的两输入信号均为正弦信号，因此必须将它转移成ECL电平。对于使用+5 V电源来说，低电平为+3.1 V，高电平为+4 V。设计时选用MC10104或门电路集成块就可以完成此功能。其实际电路如图6所示。

图中R3、R4是ECL器件的负载电阻(即内部射随器发射极的到地电阻。如果使用的是-5 V电源，此电阻应接到负电源上)，一般为510Ω。R1和R2是直流反馈电阻，作用是将输入端的直流电平调整到ECL电平的中心值。+5 V工作时，其中心值在3.6 V左右。设计时可选择R1=R2=R3=R4。

3 调整与测试

该系统的调整和检查主要有静电检查、开环检查和闭环检查。静电检查主要检查正弦／ECL转换电路和鉴相器，开环检查主要是对R端加信号、V端加信号和鉴相器输出端(MC12040的3脚)不等宽度的方波信号进行检查，闭环测试即环路锁定情况下的测试，包括环路带宽、捕捉带、信号中断／接通状态下的捕获概率和信号调制突发状态下的捕获时间等。