單脈沖跟蹤接收機(jī)的設(shè)計(jì)

摘要：隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，電子線路的集成化已經(jīng)成為中高頻電路發(fā)展的一個(gè)重要方向，根據(jù)工程需要，采用進(jìn)口集成芯片AD6459、MAX2605、AD633等設(shè)計(jì)了70 MHz基于鎖相環(huán)的單脈沖跟蹤接收機(jī)，相比原來(lái)的接收機(jī)，集成度高，硬件電路大大簡(jiǎn)化，成本低，調(diào)試方便，現(xiàn)已應(yīng)用于某衛(wèi)星通信地球站天線跟蹤系統(tǒng)，大量的動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)表明接收機(jī)參數(shù)穩(wěn)定，同時(shí)使跟蹤系統(tǒng)的可靠性也得到較大的提高。
關(guān)鍵詞：集成化；AD6459；鎖相環(huán)；自動(dòng)增量控制；單脈沖

    隨著電子技術(shù)的發(fā)展，接收機(jī)硬件系統(tǒng)越來(lái)越向著成本低、體積小、重量輕、耗電省、可靠性高的方向發(fā)展。
AD6459是AD公司研制的中頻接收系統(tǒng)的芯片，該芯片集成有寬帶混頻器、增益可控中頻放大器、參考鎖相環(huán)、正交混頻器等單元電路。應(yīng)用AD6459和外加集成VCO、四象限乘法器等單元電路組成的70 MHz全集成中頻鎖相接收機(jī)主板相對(duì)原來(lái)的中頻接收機(jī)，在整機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和性能上取得很大改進(jìn)，大量地缺省了由整部件組裝時(shí)的電纜連接，減小了設(shè)備的體積、重量、功耗以及成本，進(jìn)一步提高了接收機(jī)的可靠性、可維修性以及參數(shù)調(diào)整的方便性。

1 鎖相接收機(jī)的設(shè)計(jì)方案
1．1 跟蹤接收系統(tǒng)原理簡(jiǎn)介
    跟蹤接收系統(tǒng)是某衛(wèi)星通信地球站的一個(gè)組成部分。它接收來(lái)自天線的信標(biāo)信號(hào)(和信號(hào))和角度誤差信號(hào)(差信號(hào))，經(jīng)調(diào)制、放大、變頻、解調(diào)后向伺服分系統(tǒng)提供所需的角誤差電壓，控制天線的俯仰軸和方位軸向角誤差減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星目標(biāo)的自跟蹤。
    集成化中頻鎖相接收機(jī)主板是跟蹤接收系統(tǒng)的核心部分，主板包括以下幾個(gè)單元電路：中頻接收模塊(AD6459)、集成VCO和數(shù)字式變速掃描電路、誤差解調(diào)電路和時(shí)鐘發(fā)生電路等。其原理框圖如圖1所示。

    接收機(jī)主板所完成的功能是：將70 MHz信號(hào)混頻并鎖相得到頻率穩(wěn)定的10．7 MHz檢波中頻；通過(guò)自動(dòng)增益控制使檢前信號(hào)幅度保持恒定；經(jīng)下變頻得到的10．7 MHz信號(hào)和參考晶振信號(hào)經(jīng)正交檢波，得到的角誤差信號(hào)包絡(luò)送入誤差解調(diào)電路與本機(jī)產(chǎn)生的6．2 kHz時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行同步檢波，得到方位和俯仰兩軸角誤差電壓。
1．2 主要芯片介紹
    簡(jiǎn)單地說(shuō)，AD6459芯片是一個(gè)中頻接收系統(tǒng)。主要組成部分有：增益可控的UHF混頻器、本振放大器、線性增益可控中頻放大器和I／O混頻器(鑒相器)、正交振蕩器和自動(dòng)增益控制電路。在集成化中頻鎖相跟蹤接收機(jī)中主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，一是組成鎖相環(huán)電路，即將中頻信號(hào)混頻并鎖相得到頻率穩(wěn)定的10．7 MHz檢波中頻；二是組成自動(dòng)增益控制電路，即通過(guò)自動(dòng)增益控制使檢前信號(hào)幅度保持恒定。AD6459功能框圖如圖2所示。

    AD6459的性能參數(shù)如下：
    工作頻率：DC——500 MHz；最大增益：80 dB
    可控增益范圍：76 dB； 電源：2．7～5．5 V
    溫度范圍：-40～+85℃；20只管腳SMD封裝(窄)
1．3 中頻鎖相環(huán)
    鎖相環(huán)電路原理框圖如圖3所示。

    由集成芯片MAX2605組成59．3 MHz壓控振蕩器(VCO)，該單元電路為窄體封裝SMD集成VCO，需外接一個(gè)電感、一個(gè)變?nèi)荻O管和必要的偏置電容，電路可產(chǎn)生振蕩。
    70 MHz信號(hào)和VCO輸出的本振信號(hào)在UHF混頻器中混頻，得到兩路差分的10．7MHz中頻信號(hào)，當(dāng)VCO的頻率在59．3MHz±150kHz掃描時(shí)，該中頻信號(hào)頻率和相位也隨之變化。混頻輸出的一路經(jīng)過(guò)一個(gè)窄帶濾波器送入AD6459的中頻輸入端子，經(jīng)增益可控放大器后在I／O混頻器中與10．7 MHz晶振輸出的參考信號(hào)的相位進(jìn)行比較。正交鑒相器輸出的正交支路經(jīng)環(huán)路濾波器與掃描電路產(chǎn)生的鋸齒波相加，然后送到VCO電路的控制端，來(lái)控制VCO的變?nèi)莨?，從而控制振蕩頻率，使混頻輸出中頻信號(hào)與參考晶振同頻同相，環(huán)路處于鎖定狀態(tài)。正交鑒相器輸出的同相支路經(jīng)比較器電路用作失鎖檢測(cè)或鎖定指示，并用來(lái)控制掃描的啟動(dòng)、停止。
    環(huán)路濾波器采用有源比例積分濾波器。它具有低通特性和比例作用，相頻特性也有超前校正。
    因?yàn)榄h(huán)路濾波器的帶寬較窄，相應(yīng)地環(huán)路快捕帶也較窄，對(duì)于中心頻率變化范圍較大的輸入信號(hào)，單靠環(huán)路自身捕捉是很困難的。設(shè)計(jì)采用變速掃描輔助捕捉電路以加快環(huán)路的捕捉速度。掃描電路設(shè)計(jì)成數(shù)字自適應(yīng)變速掃描方式，掃描波形為三角波。I／Q混頻器正交支路輸出的相位誤差電壓經(jīng)環(huán)路濾波器后和掃描波相加，來(lái)控制VCO的變?nèi)莨?。?dāng)環(huán)路失鎖時(shí)，鑒相器輸出差拍信號(hào)，失鎖監(jiān)測(cè)電路監(jiān)測(cè)到該信號(hào)后觸發(fā)掃描波發(fā)生器去控制VCO。差拍頻率越高，掃描速度越快；一旦輸出中頻頻率靠近參考信號(hào)頻率，掃描速度自動(dòng)變慢并在環(huán)路鎮(zhèn)定后停掃，環(huán)路完成捕獲。
1．4 自動(dòng)增益控制電路
    在通信、導(dǎo)航、遙測(cè)遙控等無(wú)線系統(tǒng)中，由于受發(fā)射功率大小、收發(fā)距離遠(yuǎn)近、無(wú)線電波傳播衰落等各種因素的影響，接收機(jī)所接收的信號(hào)強(qiáng)弱變化范圍很大，信號(hào)強(qiáng)度的變化可能相差幾十分貝，如果電路增益不變，則信號(hào)太強(qiáng)時(shí)會(huì)造成接收機(jī)的飽和或阻塞，甚至使接收機(jī)損壞，而信號(hào)太弱時(shí)又可能被丟失。因此，在接收微弱信號(hào)時(shí)，希望接收機(jī)有很高的增益，而在接收強(qiáng)信號(hào)時(shí)，接收機(jī)的增益應(yīng)該減小一些。這種要求靠人工增益控制來(lái)實(shí)現(xiàn)是困難的，必須采用自動(dòng)增益控制電路，使接收機(jī)的增益隨輸入信號(hào)強(qiáng)弱而自動(dòng)變化。
    用自動(dòng)增益控制電路對(duì)系統(tǒng)的增益進(jìn)行控制，可使I／Q混頻器前的中頻信號(hào)幅度保持恒定，以完成單通道單脈沖跟蹤信號(hào)幅度歸一化。

    芯片AD6459集成了增益控制中頻放大器，可提供高達(dá)76 dB的增益控制范圍，電路的總增益(用dB表示)與該控制端的電壓呈線性關(guān)系。增益控制輸入端"CAIN"(13引腳)接收來(lái)自AGC檢波器或者數(shù)模轉(zhuǎn)換器的控制電壓，其電壓范圍要求在0．2～2．25 V之間。該端電壓為0．2V時(shí)，系統(tǒng)增益最大；電壓為2．25 V，系統(tǒng)增益最小。增益控制的斜率受控于“GREF”端電壓，可通過(guò)調(diào)整該端電壓來(lái)調(diào)整增益控制斜率，該端電壓為1．2V時(shí)，斜率為27mV／dB。
    在UHF混頻器的另一輸出端接一個(gè)寬帶中頻濾波器和AGC電壓檢波器(本設(shè)計(jì)中用的是AD606，是一個(gè)對(duì)數(shù)放大器)，將檢波輸出的電壓與I／Q混頻器同相支路輸出的直流電壓比例相加后送入到自動(dòng)增益控制端。當(dāng)輸入信號(hào)增大時(shí)，檢波出來(lái)的電壓必然增大，加在增益控制端的電壓增大，中放和混頻器的增益減小，這樣就可以使輸出電壓保持恒定。

2 工程實(shí)現(xiàn)
    鎖相接收機(jī)主板是該工程跟蹤接收系統(tǒng)的核心部分，集成化電路結(jié)構(gòu)由一塊300mmx140mm印制板實(shí)現(xiàn)。由AD6459芯片組成中頻接收模塊。由MAX2605組成59．3 MHz壓控振蕩器(VCO)，該單元電路為窄體封裝SMD集成VCO，需外接一個(gè)電感、一個(gè)變?nèi)荻O管和必要的偏置電容，電路就可產(chǎn)生振蕩，調(diào)試極為方便。10．7 MHz參考采用QEN92型集成晶體振蕩器。波形為CMOS電平。誤差解調(diào)器采用集成電路AD633四象限模擬乘法器，SMD封裝，體積小，調(diào)整方便。

3 性能測(cè)試結(jié)果
    對(duì)接收機(jī)整機(jī)實(shí)測(cè)的結(jié)果表明，鎖相環(huán)的捕獲時(shí)間小于0．5 s、輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大于30 dB、自動(dòng)增益控制精度和線性均達(dá)到或優(yōu)于預(yù)先設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求，圖5為接收機(jī)主板信號(hào)輸入電平和自動(dòng)增益控制電壓曲線。

    注：坐標(biāo)橫軸為70 MHz信號(hào)輸入電平。
    V01為對(duì)數(shù)放大器檢波輸出電壓，隨輸入信號(hào)的增大線性的增大；Vagc為AD6459增益控制端的輸入電壓，隨輸入信號(hào)的增大線性的增大；V02為I／Q混頻器輸出的直流電壓，在增益控制的范圍內(nèi)，該電壓基本保持不變。

4 結(jié)束語(yǔ)
    該集成化中頻鎖相接收機(jī)已應(yīng)用于某衛(wèi)通地球站天線跟蹤系統(tǒng)，大量的動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)表明接收機(jī)參數(shù)穩(wěn)定，同時(shí)使跟蹤系統(tǒng)的可靠性也得到較大的提高。