CN109525259B - 一种调频发射装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种调频发射装置，该装置包括单片机模块、FPGA模块、模数转换模块、鉴相模块、环路滤波模块和压控振荡模块，单片机模块依据预设的工作模式对鉴相模块进行频率设置，进而调整鉴相模块作用在压控振荡模块的粗调端的输入电压使得压控振荡模块输出信号与鉴相模块的设置值相同；FPGA模块对接收的外部数据信号进行高速采样并依据接收的外部数据信号对应码率的频偏控制字控制数模转换模块的输入电压；数模转换模块依据当前输入电压控制数模转换模块作用在压控振荡模块的细调端的输入电压使得压控振荡模块输出信号的精度达到预设值，从而实现对压控振荡模块输出信号的粗微调和细微调，达到该发射装置的输出信号频率稳定、频谱纯度高且谐杂波抑制度高的效果。
Description
技术领域
本发明属于天线领域，具体涉及一种调频发射装置。
背景技术
调频发射装置用于将音频信号和高频载波调制为调频波,使高频载波的频率随音频信号发生变化,再对所产生的高频信号进行放大,激励,功放和一系列的阻抗匹配,使信号输出到天线再发送出去的装置。调频发射装置作为一种简单的通信工具，不需要中转站就可以进行有效的移动通信，因为被广泛应用与生产、保安、野外工程等领域的小范围移动通信工程中。
随着锁相技术、调频技术及新工艺、新器件的发展，调频发射装置直接在射频和微波频段中设计一个锁相调频信号源，而不再需要倍频和混频。锁相调频技术主要有单点注入式锁相调频和两点注入式锁相调频两种方式：单点注入式锁相调频结构比较简单，其包括压控振荡器、分频器链路、晶振参考源、鉴相器、环路滤波器、输入预调电路，调制信号经过预调整整形后直接加载在压控振荡器的输入端，使压控振荡器的输出频率随调制信号线性变化，由于其调制特性与环路带宽有关，为满足调制需求，通常将环路带宽设计较低，导致环路锁定带宽减少，从而导致调频源锁定速度较慢造成失锁，因而仅适合低码率信号的调制；两点注入式锁相调频结构比较复杂，其包括压控振荡器、分频器链路、晶振参考源、调相器、鉴相器、环路滤波器、输入预调电路及积分器电路，其将遥测PCM信号分成两路，一路注入压控振荡器，使得压控振荡器的输出频率随着调制信号线性变化，另一路注入积分器后与晶振参考源输出信号进行调相，由于其调相输出信号同时也作为锁相参考源进行锁相，在晶振上进行宽带调频，同时又要满足输出信号的频率稳定度，调试难度大，因而在高码率工作时调试难度大、不能确保频率稳定度及精度且杂散抑制度差。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种调频发射装置，其通过单片机模块和锁相环电路控制压控振荡器模块的粗调端的输入电压，进而利用FPGA模块及模数转换模块控制压控振荡器模块的细调端的输入电压，从而实现对压控振荡器模块的输出信号粗微调和细微调，达到该发射装置的输出信号频率稳定、频谱纯度高且谐杂波抑制度高的效果。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种调频发射装置，该装置包括单片机模块、FPGA模块、模数转换模块、鉴相模块、环路滤波模块和压控振荡模块，其中，单片机模块的两个输出端分别连接FPGA模块的输入端和鉴相模块的第一输入端，FPGA模块的输出端连接数模转换模块的输入端，鉴相模块的输出端连接环路滤波模块的输入端，压控振荡模块的粗调输入端和细调输入端分别连接环路滤波模块的输出端和数模转换模块的输出端，压控振荡模块的第一输出端连接鉴相模块的第二输入端，
单片机模块依据预设的工作模式对鉴相模块进行频率设置，同时将接收的外部数据信号对应码率的频偏控制字发送给FPGA模块；单片机模块将接收的外部数字信号发送给鉴相模块；
鉴相模块依据自身设置、接收的外部数据信号和当前压控振荡模块的输出信号进行鉴相对比后调整环路滤波模块作用在压控振荡模块的粗调端的输入电压使得压控振荡模块输出信号与鉴相模块的设置值相同，从而实现对压控振荡模块输出信号的粗微调；
FPGA模块对接收的外部数据信号进行高速采样并依据接收的外部数据信号对应码率的频偏控制字控制数模转换模块的输入电压；
数模转换模块依据当前输入电压控制数模转换模块作用在压控振荡模块的细调端的输入电压使得压控振荡模块输出信号的精度达到预设值，从而实现对压控振荡模块输出信号的细微调。
作为本发明的进一步改进，该装置还包括晶振模块，晶振模块连接FPGA模块、单片机模块和鉴相模块，以确保单片机模块、FPGA模块及鉴相模块输出信号的计数频率统一。
作为本发明的进一步改进，数模转换模块依据当前输入电压控制数模转换模块的输出电压具体为：当前输入电压为数字信号，数字信号为“0”则控制数模转换模块输出下频偏控制电压，数字信号为“1”则控制数模转换模块输出上频偏控制电压。
作为本发明的进一步改进，该装置还包括运算放大器，运算放大器连接数模转换模块和压控振荡模块，数模转换模块的输出电压经过运算放大器放大后输出给压控振荡模块。
作为本发明的进一步改进，环路滤波模块采用有源差动结构的可编程器件，环路滤波模块依据预设的输出频率、步进频率、环路带宽、压控振荡器的控制灵敏度和仿真模型计算环路滤波模块的电阻、电容值和环路相位噪声。
作为本发明的进一步改进，单片机模块通过配置鉴相模块的寄存器参数和FPGA模块的上下频偏设置值，从而提高外部数据信号的调制码率适用范围。
作为本发明的进一步改进，该装置还包括连接压控振荡模块的输出端的功放模块，该功放模块包括依次连接的微带滤波器、前级放大器、末级放大器、微波隔离器和微带功分器，实现压控振荡模块的输出信号依次进行杂波抑制、前级放大、末级放大、反射功率隔离保护和均衡等分成两路信号后输出到遥测发射天线。
作为本发明的进一步改进，该装置依据放大倍数需求设置前级放大器和末级放大器的参数，以满足压控振荡模块的输出信号放大后功率和谐、谐杂波抑制度高。
作为本发明的进一步改进，末级放大器选用采用全密封金属微带管壳封装的固态集成功率放大模块。
作为本发明的进一步改进，压控振荡模块的粗调端的压控灵敏度大于20MHz/V，压控振荡模块的细调端的压控灵敏度范围为1MHz/V～2MHz/V。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明的一种调频发射装置，其通过单片机模块和锁相环电路控制压控振荡器模块的粗调端的输入电压，进而利用FPGA模块及模数转换模块控制压控振荡器模块的细调端的输入电压，从而实现对压控振荡器模块的输出信号粗微调和细微调，达到该发射装置的输出信号频率稳定、频谱纯度高且谐杂波抑制度高的效果。
本发明的一种调频发射装置，单片机模块可通过配置鉴相模块的寄存器参数和FPGA模块的上下频偏设置值，频点和频偏设置灵活，从而提高外部数据信号的调制码率适用范围，使得该发射装置可适应不同的码速率，同时，单片机可将收到的数据存入其自身的数据区并在下次上电时生效，从而避免了对该发射装置进行开盖电路调整或者重新编程，提高了该发射装置的可靠性。
本发明的一种调频发射装置，通过设置连接压控振荡模块的输出端的功放模块，使得压控振荡模块的输出的载波信号经过多级放大和滤波后达到调频发射装置辐射距离的要求，同时满足输出信号功率和谐、谐杂波抑制度高的要求，谐、杂波抑制度均大于60dB。
附图说明
图1是本发明优选实施例的一种调频发射装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
图1是本发明优选实施例的一种调频发射装置的结构示意图。如图1所示，该装置包括单片机模块、FPGA模块、模数转换模块、鉴相模块、环路滤波模块和压控振荡模块，其中，单片机模块的两个输出端分别连接FPGA模块的输入端和鉴相模块的第一输入端，FPGA模块的输出端连接数模转换模块的输入端，鉴相模块的输出端连接环路滤波模块的输入端，压控振荡模块的粗调输入端和细调输入端分别连接环路滤波模块的输出端和数模转换模块的输出端，压控振荡模块的第一输出端连接鉴相模块的第二输入端，其中，
单片机模块依据预设的工作模式对鉴相模块进行频率设置，同时将接收的外部数据信号对应码率的频偏控制字发送给FPGA模块；单片机模块将接收的外部数字信号发送给鉴相模块；同时该装置还设置有晶振分别连接单片机模块、FPGA模块及鉴相模块的输入端以确保单片机模块、FPGA模块及鉴相模块输出信号的计数频率统一。
鉴相模块依据自身设置、接收的外部数据信号和当前压控振荡模块的输出信号进行鉴相对比后调整环路滤波模块作用在压控振荡模块的粗调端的输入电压使得压控振荡模块输出信号与鉴相模块的设置值相同，从而实现对压控振荡模块输出信号的粗微调；粗调端的压控灵敏度在20MHz/V以上；
FPGA模块对接收的外部数据信号进行高速采样并依据接收的外部数据信号对应码率的频偏控制字控制数模转换模块的输入电压；具体为：采集到的信号为“0”则控制数模转换模块输出下频偏控制电压，采集到的信号为“1”则控制数模转换模块输出上频偏控制电压从而控制压控振荡模块的细调端对其输出信号进行细调制；
数模转换模块依据当前输入电压控制数模转换模块作用在压控振荡模块的细调端的输入电压使得压控振荡模块输出信号的精度达到预设值，从而实现对压控振荡模块输出信号的细微调。双电调双路输出压控振荡器其细调端的压控灵敏度范围为1MHz/V～2MHz/V；该装置还包括运算放大器，运算放大器连接数模转换模块和压控振荡模块，数模转换模块的输出电压经过运算放大器放大后输出给压控振荡模块。
压控振荡模块设计有两个调谐回路，可实现粗、细调分别调谐，一般粗调谐用于锁相，细调谐可作为调制端进一步调制输出信号。此类压控振荡器的载频稳定度很高，可以达到晶体振荡器的频率稳定度，非常适合制成高质量的调频或调相信号PLL调制器。依据外部数据信号码率的需要，环路滤波模块的输出带宽可以在较宽的范围内设置，从而提高该锁相调频信号源电路的调制码率适应范围。
作为一个优选的实施例，本发明技术方案的一种调频发射装置还包括连接压控振荡模块的输出端的功放模块，该功放模块包括依次连接的微带滤波器、前级放大器、末级放大器、微波隔离器和微带功分器，其中，微带功分器设置有两个输出端口，压控振荡模块输出的载波信号首先通过微带滤波板进行谐、杂波抑制，然后通过前级放大器的放大，达到末级放大器的驱动功率要求后经过末级放大器放大，从而使得整机输出信号达到所需要的功率电平，微波隔离器对末级放大器进行反射功率隔离保护，微带功分器将射频信号均衡等分成两路信号输出到遥测发射天线，完成信号的传输。由于压控振荡模块的输出信号一般较小，不能满足调频发射装置辐射距离的要求，根据不同作用距离的需求，需要对压控振荡模块的输出信号进行一定增益的功率放大，通过选择合适的前级放大器和末级放大器，以及一定的滤波措施，以满足射频信号功率和谐、杂波抑制度高的要求。末级放大器优选固态集成功率放大模块，固态集成功率放大模块采用全密封金属微带管壳封装，输入、输出50Ω阻抗匹配，匹配设计难度低，且有不同增益的型号可供选择，方便不同应用电路的设计。
本发明技术方案的一种调频发射装置中的压控振荡模块采用双电调双路输出压控振荡器，结合数字频偏控制电路对传统的电路进行了优化和数字化设计，单片机模块对鉴相模块进行频率设置，鉴相模块根据自身设置，与当前压控振荡模块输出信号进行鉴相对比，然后调整其作用在压控振荡模块粗调端的控制电压让压控振荡模块输出与鉴相器设置一致的中心载波。随后，单片机模块将外部数据信号对应码率的频偏控制字传送给FPGA模块。FPGA模块对数据接口传来的外部数据信号进行高速采样并通过软件滤波算法对数据信号进行同步调制，具体为：采集到的信号为“0”则控制数模转换模块输出下频偏控制电压，采集到的信号为“1”则输出控制数模转换模块输出上频偏控制电压从而控制压控振荡模块的细调端对其输出信号进行细调制。
作为一个优选的实施例，环路滤波器采用有源差动结构，根据其仿真模型，设定输出频率、步进频率、环路带宽和压控振荡器的控制灵敏度后，各电阻、电容的值可自动给出，并可以得出环路相位噪声，根据不同的应用可灵活设置，使用方便。本发明技术方案的一种S波段调频发射装置中的鉴相模块优选Peregrine公司的一款集成数字整数分频鉴相器PE3336，PE3336是一款高性能3.0GHz整数分频鉴相器，内部包含10/11双模前置分频器、模数选择电路、M计数器、R计数器、数据控制逻辑、鉴相器以及锁相监测电路等。R计数器和M计数器的控制字可以通过串行或者并行接口在数据控制逻辑中编程，也可以直接在接口输入。该芯片工作频率宽(前置分频器有源时200MHz～3.0GHz；前置分频器旁路时20MHz～220MHz)、工作电压低(3.3V)、功耗小(75mW)、相位噪声特性好、外形体积小(44脚方形扁平外壳封装)，非常适合小型化锁相环电路使用。
综上所述，本发明技术方案的一种调频发射装置频率稳定度高，可达到10-6，谐、杂波抑制度均大于60dB，在卫星导航频段抑制度达到145dB，调制度满足0.7±0.1，对电路适当调整，其最高可适应码率达到10Mbps，同时该发射机频点和频偏设置灵活，可提高批量生产的效率，满足遥测***基本型的要求，进一步增强了其实用性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种调频发射装置，该装置包括单片机模块、FPGA模块、模数转换模块、鉴相模块、环路滤波模块和压控振荡模块，其中，单片机模块的两个输出端分别连接FPGA模块的输入端和鉴相模块的第一输入端，FPGA模块的输出端连接数模转换模块的输入端，鉴相模块的输出端连接环路滤波模块的输入端，压控振荡模块的粗调输入端和细调输入端分别连接环路滤波模块的输出端和数模转换模块的输出端，压控振荡模块的第一输出端连接鉴相模块的第二输入端，其特征在于，
所述单片机模块依据预设的工作模式对鉴相模块进行频率设置，同时将接收的外部数据信号对应码率的频偏控制字发送给FPGA模块；所述单片机模块将接收的外部数字信号发送给鉴相模块；
所述鉴相模块依据自身设置、接收的外部数据信号和当前压控振荡模块的输出信号进行鉴相对比后调整环路滤波模块作用在压控振荡模块的粗调端的输入电压使得压控振荡模块输出信号与鉴相模块的设置值相同，从而实现对压控振荡模块输出信号的粗微调；
所述FPGA模块对接收的外部数据信号进行高速采样并依据接收的外部数据信号对应码率的频偏控制字控制数模转换模块的输入电压；
所述数模转换模块依据当前输入电压控制数模转换模块作用在压控振荡模块的细调端的输入电压使得压控振荡模块输出信号的精度达到预设值，从而实现对压控振荡模块输出信号的细微调；所述数模转换模块依据当前输入电压控制数模转换模块的输出电压具体为：当前输入电压为数字信号，所述数字信号为“0”则控制数模转换模块输出下频偏控制电压，所述数字信号为“1”则控制数模转换模块输出上频偏控制电压。
2.根据权利要求1所述的一种调频发射装置，其特征在于，该装置还包括晶振模块，所述晶振模块连接FPGA模块、单片机模块和鉴相模块，以确保单片机模块、FPGA模块及鉴相模块输出信号的计数频率统一。
3.根据权利要求1所述的一种调频发射装置，其特征在于，该装置还包括运算放大器，所述运算放大器连接所述数模转换模块和压控振荡模块，所述数模转换模块的输出电压经过运算放大器放大后输出给压控振荡模块。
4.根据权利要求1所述的一种调频发射装置，其特征在于，所述环路滤波模块采用有源差动结构的可编程器件，所述环路滤波模块依据预设的输出频率、步进频率、环路带宽、压控振荡器的控制灵敏度和仿真模型计算环路滤波模块的电阻、电容值和环路相位噪声。
5.根据权利要求4所述的一种调频发射装置，其特征在于，单片机模块通过配置鉴相模块的寄存器参数和FPGA模块的上下频偏控制电压设置值，从而提高外部数据信号的调制码率适用范围。
6.根据权利要求1所述的一种调频发射装置，其特征在于，该装置还包括连接压控振荡模块的输出端的功放模块，该功放模块包括依次连接的微带滤波器、前级放大器、末级放大器、微波隔离器和微带功分器，实现压控振荡模块的输出信号依次进行杂波抑制、前级放大、末级放大、反射功率隔离保护和均衡等分成两路信号后输出到遥测发射天线。
7.根据权利要求6所述的一种调频发射装置，其特征在于，该装置依据放大倍数需求设置前级放大器和末级放大器的参数，以满足压控振荡模块的输出信号放大后功率和谐、谐杂波抑制度高。
8.根据权利要求6所述的一种调频发射装置，其特征在于，所述末级放大器选用采用全密封金属微带管壳封装的固态集成功率放大模块。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种调频发射装置，其特征在于，所述压控振荡模块的粗调端的压控灵敏度大于20MHz/V，所述压控振荡模块的细调端的压控灵敏度范围为1MHz/V～2MHz/V。
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| CN101257302A (zh) * | 2007-02-27 | 2008-09-03 | 北京朗波芯微技术有限公司 | 振荡器的频率调节方法及小数分频锁相环频率合成器 |
| CN102332912A (zh) * | 2011-09-30 | 2012-01-25 | 中国科学技术大学 | 一种可调节增益线性度的vco以及基于该vco的两点调制器 |
| CN108712169A (zh) * | 2018-08-23 | 2018-10-26 | 江苏科大亨芯半导体技术有限公司 | 低功耗锁相环频率综合器 |
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2018
- 2018-10-22 CN CN201811232158.6A patent/CN109525259B/zh active Active
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