CN108008358A - 一种用于防撞雷达射频前端的步进频率源及其使用方法 - Google Patents

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尹波
张帅
赵世巍
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Abstract

本发明涉及一种用于射频前端的新型步进频率源及其输出方法，主要解决现有技术输出信号上限频率不高，调试不便的技术问题。通过采用包括PLL电路模块、控制电路模块和稳压电路模块，所述控制电路模块与PLL电路模块连接，所述稳压模块与所述PLL电路模块和控制电路模块连接的技术方案，较好的解决了该问题，能够用于应用汽车防撞雷达***。

Description

一种用于防撞雷达射频前端的步进频率源及其使用方法
技术领域
本发明涉及防撞雷达射频技术领域，特别涉及到一种用于防撞雷达射频前端的步进频率源***及其使用方法。
背景技术
防撞雷达***中频率源的参数直接影响到雷达的可靠性和测距测速的性能，所以频率源也成为整个汽车防撞雷达***设计中的重要部分。
目前，实现频率源常用的技术主要是基于直接数字频率综合(DDS)技术以及DDS与PLL组合方式的技术。虽然此组合方式可以克服电压调制VCO方案中非线性度的缺点，并且DDS技术的频率转换较快、频率分辨率高，但是由于受到数字集成电路速度和奈奎斯特原理的限制，DDS技术的输出信号上限频率不高，难以达到设计要求。为满足设计要求，还须经过一系列的上变频处理，这样致使此组合结构电路相对复杂，成本较高，后期调试极为不便。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的输出信号上限频率不高且调试不便的技术问题，提供一种新的用于防撞雷达射频前端的步进频率源及其使用方法，该技术通过控制电路模块去配置内部寄存器以使步进频率源实现高频率，高分辨率，低相位噪声、多种输出波形的功能的技术特点。
为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：
一种用于防撞雷达射频前端的步进频率源，包括PLL电路模块，控制电路模块和稳压电路模块，所述PLL电路模块与所述控制电路模块连接，所述稳压电路模块与所述PLL电路模块和所述控制电路模块连接；
所述PLL电路模块包括参考源和可编程N分频器，所述参考源和所述可编程N分频器同时与鉴频鉴相器连接，所述鉴频鉴相器与环路滤波器连接，所述环路滤波器与压控振荡器连接，所述压控振荡器同时与所述可编程N分频器和倍频电路连接；
所述控制电路模块包括与所述可编程N分频器连接的单片机，所述单片机连接有通信接口和存储器。
所述参考源用于为所述PLL电路模块提供基准频率；所述鉴频鉴相器用于比较所述基准频率的频率相位和所述可编程N分频器输出信号的频率相位，控制基准频率信号的频率相位和可编程N分频器输出信号的频率相位保持频率相等、相位固定；所述VCO用输入的直流信号控制振荡频率的输出；所述可编程N分频器用于切换所述VCO的输出信号的频率；所述倍频电路用于将所述VCO的输出信号倍频至高频频率后输出；环路滤波器用于将鉴频鉴相器输出含有纹波的直流信号平均化，除了将该直流信号变换为交流成分少的直流信号的低通滤波器外，还具有降低PLL电路模块内外的相位噪声性能；倍频电路输出高频使得频率源能够输出较高频率，且频率的分辨率高；稳压电路模块用于为PLL电路模块和控制电路模块提供稳定的电压源，控制电路模块与外界信号连接，并且对可编程N分频器进行编程控制，便于多种波形输出以及后期的频率调试。
进一步的：所述通信接口为USB接口。
进一步的：所述稳压电路模块包括低压降线性稳压器。
一种用于防撞雷达射频前端的步进频率源的使用方法，所述方法基于上述任一种用于防撞雷达射频前端的步进频率源，方法包括以下步骤：
A.将所述控制电路模块连接到计算机，所述控制电路模块由计算机连接线供电；所述稳压电路模块为所述PLL电路模块和所述控制电路模块供电；
B.上上电后，设置所述鉴频鉴相器内部的多个寄存器的参数，所述多个寄存器包括第一寄存器，第二寄存器，第三寄存器，…及第N寄存器；
C.设置所述鉴频鉴相器的频率值fPFD，频率锁定时间间隔值t以及跳频频率偏差值fDEV；
D.计算输出频率：
RFout＝[N+(FRAC/225)]×fPFD，fPFD＝REFIN×[(1+D)/(R×(1+T))]其中，RFout为所述VCO反馈至所述PLL电路模块的频率；N为所述可编程N分频器的整数分频系数；FRAC为所述可编程N分频器的小数；REFIN为所述基准频率输入；D为REFIN倍频器位，R为基准分频系数，T为基准二分频位；N＝int(fPFD/RFout),FRAC＝FMSB×213+FLSB,其中，FMSB是所述第一寄存器MSB FRAC值，FLSB是所述第二寄存器的LSB FRAC值，int为取整函数；
E.步骤D中的输出频率通过所述倍频电路后输出步进频率fout。
进一步的：所述步进频率为单一斜坡突发脉冲波形、单一锯齿突发脉冲波形、锯齿斜坡波形、三角斜坡波形中的任一种的组合或任两种的组合。
进一步的：所述步进频率的频率分辨率为fRES，所述频率分辨率fRES＝fPFD/225；
所述扫描频率带宽fSPAN范围内的步进数M＝fSPAN/fDEV；
所述步进频率的跳频时间间隔为t1，所述跳频时间间隔为t1＝t/M。
本发明的有益效果：
效果一，鉴频鉴相器控制基准频率信号的频率相位和可编程N分频器输出信号的频率相位使其保持频率相等、相位固定，便于追踪锁定；环路滤波器用于将鉴频鉴相器输出含有纹波的直流信号平均化，除了将该直流信号变换为交流成分少的直流信号的低通滤波器外，还用于降低PLL电路模块内外的相位噪声性能，由此实现低相位噪声；倍频电路用于将VCO的输出信号倍频至高频频率后输出，使得频率源输出高频，且频率分辨率高；稳压电路模块用于为PLL电路模块和控制电路模块提供稳定的电压源，控制电路模块与外界信号连接，并且对可编程N分频器进行编程控制，便于多种波形输出以及后期的频率调试。
效果二，储存器用来扩展程序，便于后期的频率调试。
效果三，该频率源仅包括PLL电路模块，稳压电路模块和控制电路模块，电路简单，易于程控，调试简便，理论与实测误差小，传输效率高，且能实现低相位噪声、步进频、输出波形可控、锁定时间快和频率分辨率高的性能。
效果四，PLL电路模块采用单一PLL电路的频率合成技术，即包括参考源，鉴频鉴相器，VCO，环路滤波器，可编程N分频器和倍频器，电路简单，输出波形可控、锁定时间快和频率分辨率高。
效果五，控制电路模块采用USB通信接口，实现了计算机与PLL电路模块之间高速的数据传输，极大地提高了传输效率。
效果六，稳压电路模块使用低压降(LDO)线性稳压器，成本低，噪音低，静态电流小，外接元件少，通常只需要一个或两个旁路电容即可实现，简化了电路，节约了成本。
附图说明
图1为本发明的频率源的电路连接框图。
图2为本发明的频率源的频率输出流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本实施例提供用于防撞雷达射频前端的步进频率源，包括PLL电路模块，控制电路模块和稳压电路模块，PLL电路模块与控制电路模块连接，稳压电路模块与PLL电路模块和控制电路模块连接；
PLL电路模块包括参考源和可编程N分频器，参考源和可编程N分频器同时与鉴频鉴相器连接，鉴相器与环路滤波器连接，环路滤波器与压控振荡器连接，压控振荡器同时与可编程N分频器和倍频电路连接；控制电路模块包括与可编程N分频器连接的单片机，单片机连接有通信接口和存储器。
参考源用于为所述PLL电路模块提供基准频率，参考源由可提供25MHz参考输入频率的高稳定度、高精度的有源温度补偿晶振提供；鉴频鉴相器用于比较所述基准频率的频率相位和所述可编程N分频器输出信号的频率相位，控制基准频率信号的频率相位和可编程N分频器输出信号的频率相位保持频率相等、相位固定；VCO用输入的直流信号控制振荡频率的输出；可编程N分频器用于切换VCO的输出信号的频率；倍频电路用于将VCO的输出信号倍频至高频频率后输出；环路滤波器用于将鉴频鉴相器输出含有纹波的直流信号平均化，除了将该平均化的直流信号变换为交流成分少的直流信号的低通滤波器外，还具有降低PLL电路模块内外的相位噪声性能；倍频电路输出高频使得频率源能够输出较高频率，且频率的分辨率高；稳压电路模块用于为PLL电路模块和控制电路模块提供稳定的电压源，控制电路模块与外界信号连接，并且对可编程N分频器进行编程控制，便于多种波形输出以及后期的频率调试。
具体地，通信接口为USB接口，USB接口用于与外部的计算机软件端连接；计算机软件端通过USB接口进行数据传输，进而控制可编程N分频器的整数值N值；USB接口为通用串行总线，用于连接计算机软件与单片机最小***；单片机为高传输效率的微型计算机；储存器为辅助储存器，用来扩展程序；稳压电路模块包括低压降线性稳压器，该稳压电路包括两部分，一是15V的外部输入电压经低压降线性稳压器转化为3V和5V，供PLL电路模块使用；二是5V的USB接口电压经低压降线性稳压器稳压电路转化为3.3V，供控制电路模块使用。
如图2所示的用于防撞雷达射频前端的步进频率源的使用方法，采用上述的用于防撞雷达射频前端的步进频率源，使用方法包括以下步骤：
A.将控制电路模块连接到计算机，控制电路模块由计算机连接线供电；稳压电路模块为PLL电路模块和控制电路模块供电；
B.上电后，设置鉴频鉴相器内部的多个寄存器的参数，多个寄存器包括第一寄存器，第二寄存器，第三寄存器，…以及第N寄存器；
C.设置鉴频鉴相器的频率值fPFD，频率锁定时间间隔值t以及跳频频率偏差值fDEV；
D.计算输出频率：
RFout＝[N+(FRAC/225)]×fPFD，fPFD＝REFIN×[(1+D)/(R×(1+T))]其中，RFout为所述VCO反馈至所述PLL电路模块的频率；N为所述可编程N分频器的整数分频系数；FRAC为所述可编程N分频器的小数；REFIN为所述基准频率输入；D为REFIN倍频器位，R为基准分频系数，T为基准二分频位；N＝int(fPFD/RFout),FRAC＝FMSB×213+FLSB,其中，FMSB是所述第一寄存器MSB FRAC值，FLSB是所述第二寄存器的LSB FRAC值，int为取整函数；
E.步骤D中的输出频率通过所述倍频电路后输出步进频率fout。
具体地，步进频率的频率分辨率为fRES，频率分辨率fRES＝fPFD/225；
所述扫描频率带宽fSPAN范围内的步进数M＝fSPAN/fDEV；
步进频率的跳频时间间隔为t1，跳频时间间隔t1＝t/M。
在本实施例中，设置鉴频鉴相器的频率值fPFD为25MHz，频率锁定时间间隔值t为2ms，跳频的频率偏差值fDEV为250kHz,由此计算出频率分辨率fRES＝0.745Hz,4位字DEV_OFFSET可通过下式计算
DEV_OFFSET＝lg(fDEV/(fRES/DEVMAX))/lg2＝lg(250kHz/(0.745Hz/215))/lg2＝3.356
取整后得到DEV_OFFSET＝4；
偏差值DEV＝fDEV/(fRES×2DEV_OFFSET)＝250kHz/0.745Hz×24＝20,971.52，取整后得到DEV＝20，972；为验证此计算的正确性；
代入公式fDEV＝fRES×(DEV×2DEV_OFFSET)＝0.745Hz×(20,972×24)＝250.005kHz，与设定值设定的偏差值fDEV为250kHz吻合。
扫描频率带宽fSPAN在250MHz范围内所需的fDEV步进数为M,M＝250MHz/250.006kHz＝1000。要在2ms内覆盖250MHz范围，频率源的跳频时间间隔t1为2ms/1000＝2μs，2μs跳频一次。
总结以上设置：偏差值DEV为20,972，步进数M为1,000，CLK1＝50(第三寄存器R2内的12位MOD分频器)，CLK2＝1(第五寄存器R4-CLK DIV设置为RAMP DIV)。使用以上设置可将鉴频鉴相器的编程设置在1507.8125MHz的中心频率，通过倍频电路步进频率源的输出步进频率fout为24.125GHz，并能产生锯齿斜坡波形。如果将三角斜坡用于相同的设置，防撞雷达步进频率源将从24GHz扫描至24.25GHz，然后再次下降，整个扫描耗时4ms。
具体地，为使输出的步进频率实现波形可控功能，可通过设置功能设置第四寄存器R3的DB[11:10]以启动斜坡模式，可实现单一斜坡突发脉冲、单一锯齿突发脉冲、锯齿斜坡、三角斜坡中的任一种组合或任两种组合的多种波形。当使能单一突发脉冲斜坡模式时，将可编程N分频器的N分频值递减DEV×2DEV_OFFSET，此情形一直持续至设置的步进数为止。当再次完成步进数时，它会重新递增至N分频值，重复这一过程便可产生三角波形。波形重复至禁用此斜坡为止。
具体地，为使输出的步进频率实现快速锁定功能，除了设置环路滤波器的最优带宽外，还可使用快速锁定模式。当第五寄存器R4中的DB[20:19]位设置为01时，第五寄存器R4内的定时器值通过12位时钟分频器值加载。要使用快速锁定，PLL电路模块须按下列序列写入：1.在器件上电后，初始化序列；2.加载第五寄存器R4DB[20:19]＝01和选择的快速锁定定时器值DB[18:7]；3.若在环路滤波器的带宽中需要更长时间，使用第五寄存器R4内的MOD分频器值DB[14:3]以加载第三寄存器R2。
具体地，为使输出的步进频率实现高频率分辨率功能，可通过修改调整PLL电路模块的鉴频鉴相器的鉴相频率。
频率源四层板采用罗杰斯板材加工，加上良好的电磁兼容性设计，使产品在相位噪声、杂散、步进、锁定时间等关键技术指标上均达到了预期的技术要求。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种用于防撞雷达射频前端的步进频率源，其特征在于：包括PLL电路模块，控制电路模块和稳压电路模块，所述PLL电路模块与所述控制电路模块连接，所述稳压电路模块与所述PLL电路模块和所述控制电路模块连接；
所述PLL电路模块包括参考源和可编程N分频器，所述参考源和所述可编程N分频器同时与鉴频鉴相器连接，所述鉴频鉴相器与环路滤波器连接，所述环路滤波器与压控振荡器连接，所述压控振荡器同时与所述可编程N分频器和倍频电路连接；
所述控制电路模块包括与所述可编程N分频器连接的单片机，所述单片机连接有通信接口和存储器。
2.根据权利要求1所述的用于防撞雷达射频前端的步进频率源，其特征在于：所述通信接口为USB接口。
3.根据权利要求2所述的用于防撞雷达射频前端的步进频率源，其特征在于：所述稳压电路模块包括低压降线性稳压器。
4.一种用于防撞雷达射频前端的步进频率源的使用方法，其特征在于：所述方法基于权利要求1-3任一所述的用于防撞雷达射频前端的步进频率源，使用方法包括以下步骤：
A.将所述控制电路模块连接到计算机，所述控制电路模块由计算机连接线供电；所述稳压电路模块为所述PLL电路模块和所述控制电路模块供电；
B.上电后，设置所述鉴频鉴相器内部的多个寄存器的参数，所述多个寄存器包括第一寄存器，第二寄存器，第三寄存器，…及第N寄存器；
C.设置所述鉴频鉴相器的频率值fPFD，频率锁定时间间隔值t以及跳频频率偏差值fDEV；
D.计算输出频率：
RFout＝[N+(FRAC/225)]×fPFD，fPFD＝REFIN×[(1+D)/(R×(1+T))]其中，RFout为所述VCO反馈至所述PLL电路模块的频率；N为所述可编程N分频器的整数分频系数；FRAC为所述可编程N分频器的小数；REFIN为所述基准频率输入；D为REFIN倍频器位，R为基准分频系数，T为基准二分频位；N＝int(fPFD/RFout),FRAC＝FMSB×213+FLSB,其中，FMSB是所述第一寄存器MSBFRAC值，FLSB是所述第二寄存器的LSBFRAC值，int为取整函数；
E.步骤D中的输出频率通过所述倍频电路后输出步进频率fout。
5.根据权利要求4所述的用于防撞雷达射频前端的步进频率源的使用方法，其特征在于：所述步进频率为单一斜坡突发脉冲波形、单一锯齿突发脉冲波形、锯齿斜坡波形、三角斜坡波形中的任一种的组合或任两种的组合。
6.根据权利要求5所述的用于防撞雷达射频前端的步进频率源的使用方法，其特征在于：所述步进频率的频率分辨率为fRES，所述频率分辨率fRES＝fPFD/225；
所述扫描频率带宽fSPAN范围内的步进数M＝fSPAN/fDEV；
所述步进频率的跳频时间间隔为t1，所述跳频时间间隔为t1＝t/M。
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