一种基于DDS+PLL的Chirp-UWB信号产生方案

0 引 言
    同传统的脉冲超宽带(IR-UWB)相比，线性调频超宽度(Chirp-UwB)以其发射效率高，频带选择灵活，抗多径能力强，容易实现模拟匹配检测等突出优点，已逐渐成为超宽带技术领域的研究热点。
    然而，对于宽带Chirp-UWB信号的产生一直是个难题。利用直接数字合成(DDS)产生可以获得高线性度、高稳定性的信号波形，但是由于模数转换器(DAC)速度的限制以及输出幅度受SINC衰落的影响，其输出信号带宽一般最高为100～200 MHz。利用模拟锁相环(PLL)虽可以产生很宽的带宽，可是受PLL自身惰性环节的影响，调频时间慢，转换速率低，且因其受锁相精度及压控振荡器(VCO)电调线性度的影响，还需要进行非线性补偿，这使电路趋于复杂。本文提出一种基于DDS+PLL的Chirp-UWB信号产生方案。该方案把频率稳定度好，输出频率分辨率高，频率转换速度快，相位噪声低的DDS与模拟PLL结合，取长补短，可以获得高频率分辨率、快的信号建立时间、低相位噪声和宽输出频率范围的高质量Chirp-UWB信号。

1 系统结构
    DDS结合PLL产生Chirp-UWB信号的系统结构如图1所示。

    本方案由DDS产生的窄带Chirp信号作为PLL的参考信号。VCO产生的高频振荡经N分频后，在鉴相器(PD)中与DDS产生的窄带线性调频信号进行相位比较。系统稳定后，VCO产生的高频振荡经N分频后，其信号与DDS产生的窄带chirp信号的扫频线性度和频率稳定度一致。在这个方案中，PLL实际起到了倍频的作用，即将DDS输出的高线性调频信号进行了N倍的倍频。由于DDS输出频率和带宽可以编程控制，这种方式产生的Chirp-UWB带宽是可控的，在设计上具有很大的灵活性。

2 系统设计与仿真
    本系统主要由参考信号发生电路，锁相环电路两部分组成。对于锁相环电路，射频仿真软件ADS提供有专门的元件库(System-PLL components)，可以利用其中的元件快速建立锁相环的电路模型。然而，基于DDS产生的参考信号则由锯齿波控制线性VCO来实现，只要合理设置参数，这种等效并不会影响系统性能。下面对电路的各部分的设计进行分析。
2．1 参考信号产生
    参考信号的产生可通过数字正交上变频芯片AD9857实现，中心频率设为100 MHz，Chirp信号的带宽设为7 MHz。利用ADS仿真时由锯齿波控制线性VCO，即可产生一个窄带Chirp信号作为锁相环的输入参考信号。
2．2 鉴相器和分频器
    通常锁相环芯片都同时集成鉴相器和分频器，如ADI公司的ADF4106。该芯片鉴相器采用电荷泵输出的鉴相器。图2为一个电荷泵输出鉴相器的原理图。

    这种鉴相器由两个D触发器、一个与门和两个电流源构成，不仅可以鉴相，也可以鉴频，同时由于它采用电流源输出，克服了电压输出型鉴频鉴相器增益变化的不足。该鉴相器的输出电流与相位误差关系为iout=Kdθe／Rb，其中：Rb为鉴相器电压电流转换器固有的跨阻。分频器的作用是将VCO产生的输出信号频率除以N，然后输入鉴相器与参考信号进行比较。仿真时，直接采用ADS提供的元件Divide by N来实现，设其分频比N=70。
2．3 低通滤波器
    环路滤波器的设计是锁相环设计的关键。本设计中需要跟踪一个频率斜升信号。根据锁相原理，要跟踪此类信号，必须二型以上环路。本设计中环路滤波器采用四阶二型无源环路滤波器，由于电荷泵型鉴相器的输出为电流，所以该环路等效于一个二阶有源比例积分滤波器加两级辅助滤波。辅助滤波用于滤除参考信号馈通。环路传输函数F(s)可以近似表示为：

    根据鉴相频率为100 MHz，这里选择截止频率ft为2 MHz。根据稳定性原理，通常选择为5～10倍ω3，ω5为3～8倍ω4，而ω1的选取则是保证环路幅频响应在ft处过零点。在ADS环境下，对模型中各元件大致设定一个初值及优化区间，然后进行优化设计，即可得到各元件值。最终锁相环开环响应如图3所示。

    从图3中可以看出，环路截止频率为2 MHz，相位裕量为45°，在鉴相频率100 MHz处，衰减为78 dB，这可以满足稳定条件，且可以抑制参考频率馈通。
2．4 压控振荡器
    一个理想的VCO输出周期信号，其周期信号的频率与控制电压Vcnt呈线性关系，即：

   
式中：ω0为VCO的自由振荡频率；KVCO为VCO增益(单位为rad／s／V)。 
    实际电路中，VCO的增益是非线性的。在ADS设计仿真中，为了更加接近真实电路，VCO的增益KVCO可以不设置为常数，而是根据输出频率不同，使用函数pwl()来进行数值拟合。经仿真对比发现，当锁相环锁定时，KVCO的细微波动并不会给仿真结果带来影响。为了便于通过观察VCO控制电压来考察输出信号的线性度，以下的仿真中KVCO设为固定值200 MHz／V。

3 结果分析
    根据上面分析，在ADS环境下建立如图4所示的系统电路模型，该电路可以输出中心频率为7 GHz，带宽500 MHz的chirp-UWB信号。

3．1 ADS仿真结果
    对于Chirp-UWB信号性能分析，关键是考察信号的稳定性和线性度。在本系统中，信号由VCO产生，所以通过观察VCO控制电压波形和VCO输出频谱即可，图5为仿真结果。从图中可以看出，其VCO能够跟踪参考信号频率的变化，产生所需带宽的Chirp-UWB信号，且其旁瓣较低，完全能满足系统设计的要求。
3．2 利用Matlab读取ADS数据进行分析
    对于Chirp-UWB信号的性能分析还有个重要的指标就是其自相关特性，然而在ADS环境下很难实现这样的分析。为此，本文利用Matlab读取ADS仿真数据来实现对信号自相关特性的分析。
    ADS仿真输出数据可以存为一个ASCII格式的记事本文件。文件中每个数据均采用科学记数。其中，奇数个数表示时间，偶数个数表示信号。这样就可以用Matlab程序来读取仿真数据，如图6所示为信号自相关结果。从该图可以看出，信号相关性能很好，由此证明这种基于锁相环的Chirp-UWB产生的电路性能较好。

4 结 语
    首先利用ADS，对Chirp信号的产生电路进行建模和仿真，然后利用Matlab读取ADS仿真数据，对系统性能进行分析，由此证明本文提出的基于DDS+PLL的宽度Chrip-UWB信号产生方案，可以产生线性度高，自相关特性好的Chrip-UWB信号。该信号产生方案已经成功应用于某超宽带通信系统中。