一种锁相环中无源四阶环路滤波器的设计方法与流程

本发明涉及无线通信，特别是指一种锁相环中无源四阶环路滤波器的设计方法。

背景技术：

1、在无线通信领域，为了将基带信号所携带的信息远距离发送出现，需要混频到射频，成为适合天线发射的高频信号；同时，为了解析基带信号所携带的信息，也需要将天线接收的射频信号经过混频，成为适合解析的基带信号。可见频率变换在无线通信领域是极其重要的一环，而频率变换就离不开锁相环的参与。

2、锁相环是一种通过相位比较技术产生稳定本振信号的电路，其具备结构简单，控制容易，频率准确度高等优点。但锁相环也会给系统带来额外的相位噪声，同时相位锁定时间也制约着系统从上电到进入正常工作状态的时间。

3、环路滤波器是锁相环的重要组成部分，它的环路带宽和相位裕度两个参数的设计极大影响系统相位噪声和锁定时间。但相位噪声和锁定时间是一对冲突的指标，为了兼顾这两个指标需要找到合适的设计方法来进行合理化设计。

技术实现思路

1、本发明的目的提供一种锁相环中无源四阶环路滤波器的设计方法，通过数学计算对环路滤波器的环路带宽和相位裕度进行估算，对锁相环的环路滤波器进行初步设计，为设计师优化设计提供方法。

2、为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案需要以下先验条件：

3、一种锁相环中无源四阶环路滤波器的设计方法，包括如下步骤：

4、步骤1，根据无源四阶环路滤波器的结构构建传输函数，且该传输函数视为一个二阶滤波器和两个一阶滤波器级联，因此源四阶环路滤波器的传输函数f(jw)为

5、

6、式中c1、c2、c3、c4为环路滤波器电容容值大小；r2、r3、r4为电阻阻值；

7、步骤2，简化传输函数f(jw)的表达形式，令t2＝c2r2，t3＝c3r3，t4＝c4r4；

8、化简为

9、

10、(1-1)

11、步骤3，根据锁相环的结构锁相环开环传递函数g(jw)如下：

12、

13、其中，kd是鉴相器增益，单位v/rad；kv是vco增益，单位hz/v；n为环路分频器分频倍数；

14、步骤4，结合式(1-1)和式(1-2)，得到开环传递函数g(jw)的具体表达式

15、

16、步骤5，将式(1-3)中的复数部分写成极坐标形式

17、

18、其中a1是表达式中1+jwt1的幅度值，是表达式中1+jwt1的相位值，a2是表达式中1+jwt2的幅度值是表达式中1+jwt2的相位值，a3是表达式中1+jwt3的幅度值，是表达式中1+jwt3的相位值a4是表达式中1+jwt4的幅度值是表达式中1+jwt4的相位值是表达式中jw的相位值

19、步骤6，幅频特性表达式为

20、

21、相频特性表达式为

22、

23、当x和y趋近于0时，arctan(x)+arctan(y)≈arctan(x+y)

24、式(1-5)近似为

25、

26、步骤7，保证环路稳定性，需要满足伯德准则，即开环状态下所有极、零点都位于s平面的左半边和原点处时，稳定的条件为满足相位裕量γ＝180°+∠g(jwc)≥0，其中∠g(jwc)是在频率wc下的相位值；

27、定义wc为系统临界频率(环路带宽)，则其满足|g(jwc)|＝1时，

28、步骤8，定义wc为环路带宽，则其满足|g(jwc)|＝1时，

29、

30、计算可得：

31、

32、引入一个大于1的优化因子δ，该因子的确定是一个设计、验证、修正、再设计的过程；在最初设计中默认δ＝1；

33、环路带宽的最终的表达式为

34、

35、进一步的，步骤1中无源四阶环路滤波器的结构包括电阻r3、电阻r4和电阻r2；

36、所述电阻r3的一端作为环路滤波器的输入端，另一端与电阻r4串联，电阻r4的另一端作为环路滤波器的输出端；

37、在电阻r3的一端还连接有两路接地，其中一路通过电容c1接地，另一路通过串联的电阻r2和电容c2接地；

38、在电阻r3的另一端通过电容c3接地；

39、在电阻r4的另一端通过电容c4接地。

40、c1、c2、r2组成步骤1中所述二阶滤波器，r3、c3和r4、c4分别组成步骤1中所述一阶滤波器。

41、进一步的，所述步骤3中，锁相环的结构为：

42、环路滤波器的输入端与鉴相器的输出端连接，其输出端与压控振荡器的输入端连接；压控振荡器的输出分为两路，其中一路作为锁相环的输出，另一路通过环路分频器与鉴相器的第二输入端连接；

43、所述鉴相器的第一输入端作为锁相环的输入。

44、本发明的有益效果在于：

45、本发明能够为锁相环电路设计师提供了高阶无源环路滤波器的方法。

技术特征：

1.一种锁相环中无源四阶环路滤波器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种锁相环中无源四阶环路滤波器的设计方法，其特征在于，步骤1中无源四阶环路滤波器的结构包括电阻r3、电阻r4和电阻r2；

3.根据权利要求1所述的一种锁相环中无源四阶环路滤波器的设计方法，其特征在于，所述步骤3中，锁相环的结构为：

技术总结
本发明公开了一种锁相环中无源四阶环路滤波器的设计方法，属于天线通信技术领域，其通过数学计算对环路滤波器的环路带宽和相位裕度进行估算，对锁相环的环路滤波器进行初步设计，为设计师优化设计提供方法。

技术研发人员：絮桃,绳宇洲,李忠涛,胡彬
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十四研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17