一种带频移的频率锁定环的制作方法

本发明涉及电子信息领域，提出一种带频移的频率锁定环(frequencylockedloop，fll)。

背景技术：

锁相环(phaselockedloop，pll)技术是电子信息领域中应用广泛并且发展成熟的技术。但在应用中锁相环不总能符合应用需求。通常的经验是，锁相环的实现代价较高，相位或频率的捕捉范围较窄，设计和调整比较麻烦。还有一些更深度的问题。例如在雷达、通信和电子仪器设计中，常常需要参照某个给定信号频率f1产生另一个信号频率f2，它们之间的频率差δf＝f1-f2很小。例如对毫米波、太赫兹、直到光频的弱信号接收变换处理中，信号频率极高，希望变频到某个较低的频率上处理，人们需要的频率是差频δf。这时的相对频移量|δf/f1|很小，例如到10^-6或更小，又要求频移量δf数值稳定，这就不是一个简单问题。设计人员会发现，处理这种应用使用锁相环的代价会很高，不容易被工业应用所接受。在应用中，频率为f1的信号s1可以是接收信号，f1的数值可能随时间漂移。因此要有一个跟踪机制来产生f2，才能保证δf数值稳定。此外，应用中的锁相环都使用大量的脉冲数字电路，造成输出频率的噪声基底高，不利于弱信号的接收变换处理；当锁相环用于产生发射信号时，噪声基底会影响发射信号的品质。

在本发明中提出的带频移的锁频环是一个控制系统或电路，它接受一个输入信号并产生一个输出信号，该输出信号的频率与输入信号频率之差是一个固定值；当输入信号频率变化，输出频率将跟随地变化，而它们频率之差保持不变。

带频移的锁频环可以称为跟踪式频移器。在音频技术中常常使用一种频移器来达到一种特别的听觉效果。这种音频频移器通常用调幅和边带提取方法来实现，和本发明的工作机制完全不同。当频率达到ghz以上且相对频移很小时，边带提取方法的实现代价会越来越高。

在通讯和控制领域，文献中报道了多种不带频移的锁频环，也称为频率跟踪器，其功能和机制与本发明不同。这些锁频环服务于指定的应用需求，例如恢复输入信号中包含的同步基频；或者作为频率变化的传感器，测量接收频率与指定频率的误差，用于反馈控制，保持频率稳定。不带频移的锁频环与锁相环的技术目标接近，只是锁频环有希望达到更宽的频率捕捉范围。在这些技术中，包含有对输入信号频率的估计环节甚至数字信号处理需求，这种技术基本上限于专用。有一种使用频率-电压转换部件的锁频环，其频率被锁定的准确度受模拟部件特性一致性和温度稳定性的限制。特别是，它不适合参照弱信号来实现频率锁定。

本发明提出的带频移锁频环既是一种频移信号产生器，也能作为一种锁频接收机。这种锁频接收机具有超外差接收机的形式，而常规超外差接收机的本振频率没有本发明提出的频率跟踪机制。因此本发明的锁频环可直接用于发射机，也能用于接收和检测微弱并带噪的信号。当用来带频移地跟踪信号同步频率时，就为提取调频、调幅、调相信息提供了不同于无频移的频率跟踪器的新机制。这意味着，本发明提出的锁频环技术是一种基本技术，可以直接应用于各种电子和光学收发系统和测量系统，会影响这些系统的设计概念和方法，衍生出新的应用发展。

技术实现要素：

基本的带频移频率锁定环，以下简称锁频环(fll)，由混频器(1)、频率-电压幅度变换部件(2)、检波器(3)、调整放大器(4)、和压控振荡器(5)组成，如图1所示。

在图1所示的锁频环基本电路方案中，锁频环的输入信号或参考信号频率fr和输出信号频率fc经混频器1后，获得差频fi＝fr-fc(或fi＝fc-fr，决定于电路的具体设计和调整)。差频fi加到频率-电压幅度变换部件2上。该频率-电压幅度变换部件的典型例子是一个低通滤波器，原则上也可以使用一个带通、带阻、或高通滤波器的过渡带，但使用低通滤波器的设计最容易，并且容易达到宽的捕捉带宽。在本发明中最基本的是，差频fi需要落在滤波器的过渡带上，滤波器的过渡带特性正是锁频环中需要的频率-电压幅度变换性质。当差频fi在过渡带上变动时，变换器(滤波器)输出幅度变动，检波器3输出电压随之变动。假定压控振荡器5的输出频率随输入电压增加而增加。适当设计调整放大器，可以使得锁频环中频率-电压幅度变换器输出频率-电压幅度下降(上升)和压控振荡器的电压-频率上升(下降)在某个频率-电压点上达到平衡，即实现了回路的锁定。

图2是锁频环的一个具体实现例子。这个例子中的频率-电压幅度变换部件是一个低通滤波器，调整放大器从整体上构成非反相放大器，在放大器的输入端有附属电路用来设定电路的初始状态。

对图2所示的锁频环工作过程解释如下。设计和设置电路，使得起始时开关短时接通后断开。当开关接通时，强制va处于较高电位，vc高，使得fc远高于fr，混频器输出频率fc-fr＝fi在低通滤波器通带以外。随即开关断开，运放输入端子上的电容能够暂时保持va不变，因而vc暂时不变。由于fi在通带外，检波器输出低，不能保持va的高电位，va↓，→vc↓，→fc↓。这个过程会持续，直到频率fi进入滤波器的通带。由于回路闭环，压控振荡器的输出信号频率fc必须在同时满足以下两个条件下收敛到平衡的定点：

(1)vco的电压-频率特性，用数学模型表达为

f＝hc(v)，(1)

(2)不包括vco的、锁频环的全部其余电路的频率-电压幅度特性，表达为

v＝hl1(f)，(2)

其中

hl1(f)＝vrkmkdkokl(f)(3)

其中vr---参考信号有效值；

km---混频器增益值，假定vco提供的本振信号幅度固定；

kd---检波器增益(输出直流电压与输入信号有效值的比)；

ko---从检波器输出电压到运算放大器输出的增益；

kl(f)---低通滤波器在锁频环中的增益。

在平衡点上，当锁频环提供给压控振荡器的电压满足v＝vc时，压控振荡器输出频率f＝fc。

可以使用静态分析方法进行平衡点分析，即先不考虑锁频环中各个组成单元的过渡历程。关于kl(f)必须给以解释。低通滤波器的频率-幅度特性通常写成以低频频率为自变量的形式kl(f)。注意到混频器输入频率f＝fr对应于低通滤波器输入频率f＝fi＝0。用变量替换f＝f-fr得到

kl(f)＝kl(f-fr)，f＞＝fr(4)

上式在数学上是简单的，然而，应该了解kl(f)和kl(f-fr)在物理上是两个频率坐标上的函数。既然fr作为参考频率，可视为固定。因此能够将kl(f-fr)简单地写成kl(f)＝kl(f-fr)。这就是(3)式中kl(f)的含义。图3示出了(4)式的含义。可见，对稳态分析而言，锁频环回路频率-幅度特性决定于低通滤波器的过渡带特性。

需要将式(1)和(2)放在同一个坐标系，才便于确定同时满足这两个方程的解。由于问题的高度非线性，用图示方法进行说明是方便的。可以假定函数f＝hc(v)和v＝hl1(f)在频率-电压幅度工作区域内都是单调函数。于是可以将v＝hl1(f)用反函数形式来表达，写成

f＝hl1_mv(v)(5)

在图4上同时画出了锁频环中涉及的两个函数f＝hc(v)和f＝hl1_mv(v)的典型曲线。由于在f＞＝fr区域上曲线具有单调性，两条曲线只可能有一个交点p，即收敛到频率锁定的平衡点。在这个点上，达到v＝vc以及f＝fc。

容易说明，在f≥fr的区域上，从电路的任何一个起始状态出发，电路状态都会收敛到平衡点p。按照对图2的解说，如果电路按照开关接通-断开方式起始，状态必定收敛到p点。现考虑一种不同情况。假定电路起始时，开关是断开的，但va处于较低电位。因此vc低，电路状态处于f≥fr区域的边界附近，即fc≈fr，混频器输出频率fc-fr＝fi在低通滤波器通带中最大增益附近，检波器输出高，必定会出现频率调整过程：va↑，→vc↑，→fc↑。这个过程会持续，直到频率fc收敛到平衡点p。

对于图2的锁频环，在f≥fr的区域上，从电路的任何一个起始状态出发，电路状态都会收敛到一个频率fc＞fr处。因此，图2示出的锁频环称为升频锁频环。

图5是稍微不同的锁频环电路，其中频率-电压变换部件是一个低通滤波器，而调整放大器是一个差动放大器。

图5中的差动放大器，其输出输入关系可以写成

图5中开关闭合的状态，用来设定电路的初始状态。这时vb＝0，vc≤0，vco无振荡，混频器无信号输出，va＝0。设计和调整fll包括差动放大器，使得当强制va＝0而开关断开时vco输出频率接近fr。于是，让开关短时闭合后就断开，vco的初始振荡频率接近fr。这时混频器输出频率在低通滤波器带内，va快速上升，fll进入闭环工作状态。记为运算放大器对差动输入的增益。不包括vco的、锁频环的全部其余电路的频率-电压幅度特性可以表达为

v＝hl2(f)＝vrkmkdkop(1-kl(f))(7)

其中vr---参考信号有效值；

km---混频器增益值，假定vco提供的本振信号幅度固定；

kd---检波器增益(输出直流电压与输入信号有效值的比)；

kl(f)---低通滤波器在锁频环中的增益，其最高值设定为1。

对于含差动放大器的锁频环，低通滤波器特性转移到射频上的关系为

kl(f)＝kl(fr-f)，f≤fr(8)

图6示出了kl(f)和(1-kl(f))的例子。与关于公式(4)的解释类似，式(8)中kl(f)和kl(fr-f)，f≤fr是两个不同频率坐标上的函数，并将kl(fr-f)，f≤fr简记为kl(f)。将hl2(f)函数的反函数记为hl2_mv(v)，并将反函数同vco压控特性画在同一张图7上，能够方便地解释锁频环的收敛性质。

考虑图5的锁频环。当开关接通时，vco无振荡。断开后首先是电路中的电容充电使得vb快速上升，vc快速上升，使fc快速朝着fr移动，混频器输出频率fr-fc＝fi进入低通滤波器通带，使得va↑，fll进入闭环工作状态。va↑会对消vb的上升，并在图7所示的两个函数曲线的交点上达到平衡，即实现回路的锁定。

对于图5的锁频环，在f≤fr的区域上，从电路的任何一个起始状态出发，电路状态都会收敛到一个频率fc＜fr处。因此，图5示出的锁频环称为降频锁频环。

根据以上的原理分析可以得出锁频环的设计和调整原则。一个合理设计和调整后的锁频环，需保证其中vco的电压-频率特性和锁频环其余电路形成的频率-电压幅度特性在以下情况下都有解，并且有唯一解：有源和无源器件特性的离差；器件特性在工作温度范围内的变化；供电电源造成的特性变化。在这种假定下，按照原理图2和图5示出的初始化方法，锁频环能够遵从图4和图7示意的工作原理，保证输出频率fc收敛到一个平衡点，进入锁频状态。

假定一个锁频环已经适当设计和调整，进入锁频状态。当输入频率fr发生漂移式缓慢变化时，考虑锁频环的输出频率fc如何变化。以图2所示的升频锁频环为例。当fr升高时，回路会出现以下调整过程：fr↑→混频后fc-fr＝fi↓→滤波器频率向通带偏移→va↑→vc↑→fc↑，输出频率fc会跟随fr向增加方向调整，并阻止fi的下降。当fr降低时，回路会出现不同的调整过程：fr↓→混频后fc-fr＝fi↑→滤波器频率向阻带偏移→va↓→vc↓→fc↓，输出频率fc会跟随fr向下降方向调整，并阻止fi的上升。由此，锁频环的反馈作用趋向于维持差频fi不变。图5所示的降频锁频环当输入频率变化时，输出频率会跟踪变化，趋向于维持差频fr-fc＝fi不变，可以仿效升频锁频环进行分析说明。

从图4和图7示意的锁频环工作原理解说能够理解，无论何种原因引起锁频环输出频率变化，只要锁频环的反馈控制机制起作用，差频fc-fr＝fi(对升频锁频环)或fr-fc＝fi(对降频锁频环)必定落在低通滤波器的过渡带上。

用降频锁频环为例子，说明锁频环在温度变化时的状态变化。图8示意出了压控振荡器在三个典型温度下的控制电压-频率特性曲线。当给定工作电压和控制电压时，工业应用的vco芯片的振荡频率随温度变化量很大。例如市场上常用hittite公司生产的24ghzvco芯片hmc533lp4，温度漂移率达到2.3mhz/℃。这意味着，如果vco工作温度范围为-40℃～+85℃，对固定的工作电压和控制电压，温度变化引起的频率漂移总量可以达到287.5mhz。当vco处于锁频环中，情形变得不同。假定设计和调整锁频环，使得在常温下，锁频环锁定的低通滤波器过渡带的中点上。在图8中的a0点示意常温下的锁频环锁定的点。如果温度升高，vco特性曲线朝着+85℃特性曲线移动。于是fc↓→fr-fc＝fi↑→fi向滤波器阻带偏移→va↓→vc↑→fc↑，意味着锁频环路反馈会使控制电压vc增加，阻止升温导致fc下降。这样，锁频环的反馈机制会限制fc的变化，使得差频始终处在低通滤波器边带上；等价地，限制fc在图8中a0到bh的曲线上变动。如果温度降低，类似的推演可以判定，fc将在图8中a0到bl的曲线上变动。注意到低通滤波器的过渡带宽度可能比微波频率的温度偏移量要低多个数量级，意味着即使微波振荡器有较大的温度漂移，锁频环的输出信号频率fc将不会发生大漂移，并且fc的漂移量被限制在低通滤波器过渡带对应的工作状态变化范围内。

所述分析表明，如果希望差频稳定，重要的是选择过渡带稳定并且较陡的低通滤波器。这个性质非常重要。有以下事实对锁频环的实现和应用非常有利：(1)无源滤波器(例如大量应用的lc滤波器)的频率-电压幅度特性对器件容差和温度变化具有低敏感度；(2)设计良好的rc有源滤波器，其频率-电压幅度特性对器件容差和温度变化也有低敏感度；(3)开关电容滤波器的频率-电压幅度特性中过渡带的频率位置决定于外部开关时钟频率，例如使用晶体振荡器作为外部开关时钟，能够保证滤波器过渡带的频率-电压幅度特性稳定。这里所说的频率敏感度或频率稳定是指频率-电压幅度特性关于温度变化的稳定性，这直接关联着锁频环中差频的温度稳定性。由于fll的闭环自动调整能力，使微波频率的漂移对差频的影响被限制在低通滤波器的过渡带上。注意低通滤波器的过渡带特性随温度变化与vco的频率漂移完全不在一个数量级上，将差频fi限制在过渡带上，会使得输出微波频率的相对漂移变得成数量级地下降。

实际应用中的锁频环，无论作为发射单元或接收单元，都可能需要对基本锁频环电路作简单的变动，这些变动不改变锁频环中的频率锁定机理，因此不应该视为不同的技术，自然不应该视为与本发明有所不同。几个简单变动的例子有：

(1)在基本锁频环回路中的任何部件之前或之后添加放大器、衰减器、分流电路、开关电路等，当锁频环回路闭合时，该回路的输出频率跟踪输入频率的频率锁定机制未改变。

(2)输入参考信号可以是通过接收天线进入的接收信号；也可以是本地一个原发振荡器耦合来的振荡信号。在后一情况下，在电路中自然需要添加功分器或耦合器，而原发振荡器输出的主要部分又可以通过发射天线发射出去。

(3)锁频环中的压控振荡器输出的主要部分可以通过天线向外发射，而通过耦合器或功分器向锁频环中的混频器提供一小部分功率就能够保持锁频环的工作机制。

以下例子说明本发明的工业实用性。

本发明锁频环的直接应用是作为频移器，原则上可以应用于所有频率和宽范围可选的频移量。这时，锁频环中压控振荡器输出信号利用功分器或耦合器将主要部分用作频移器的输出，而小部分振荡信号送给混频器以保证锁频环的工作。所说频移器的频移量的大小主要地决定于低通滤波器过渡带的频率位置，并且能够通过调整锁频环中调整放大器的增益对频移量进行精细微调。本频移器具有强的通用性和实施的简单性，能够为设计雷达和通信收发系统提供新概念和基本模块。

图9示出了带频移锁频环的一种应用形式：双频信号产生器，其中101是第一振荡器；102是功分器或信号耦合器，它将第一振荡器的输出大部分送到输出端1，而小部分功率送到混频器103。图9的方框内是基本锁频环，其中105是压控振荡器，它的输出经过功分器或信号耦合器104将大部分送到输出端2，而小部分功率送到混频器103；106是低通滤波器，107是检波器，108是调整放大器。决定于调整放大器和附属电路的设计，锁频环可以是升频式的，也可以是降频式的。将本发明中的双频信号产生器用作微波双频多普勒雷达的发射单元容易保持双频之差的数值稳定，这种双频多普勒雷达能够提供更准确的目标距离测量值。微波双频多普勒雷达的典型应用是能够用作汽车前向防撞雷达。

图10是带频移锁频环的另一种应用形式，即锁频接收机，它可以作为无线电或通信接收机的主体部分。该接收机中的锁频环由混频器203、信号放大器205、低通滤波器206、检波器207、调整放大器208、和压控振荡器204构成。201是接收天线，202是低噪声放大器。自低通滤波器前和后可以得到不同性质的接收信号(209、210)，而从209引出的信号是接收信号搬移频率到低频的版本，适合于信号检测和应用。这个设计中的锁频环可以是升频的，也可以是降频的。使用锁频接收机接收多个频道信号时，希望接收机捕捉哪个频道可以通过改变初始化频率来给定。以升频式锁频接收机为例，如果输入频道频率是f1＜f2＜…＜fn，为了捕捉频率fi(i＝1，2，…，n)，可以在调整放大器输入端输入一个短时的初始化电压(211)，使得压控振荡器输出频率处于fi以上并且在fi+1以下。当初始化电压关断后，锁频环会锁定fc到高于fi的一个频率值上。设计工程师应该知道这种频道设定机制比锁相接收机简单得多。同时，锁相接收机中含有多种数字电路，会对接收机产生不小的噪声基底；而锁频接收机原则上是全模拟的，可以得到很低的噪声基底，或者说容易达到更高的接收灵敏度。

由于本发明锁频环中涉及的全部电路，包括混频器、前置放大器、低通滤波器、检波器、调整放大器、和vco，在半导体器件工业中已经有成熟的芯片设计和市场产品，将这些设计整体或部分组合在一起，构成锁频环专用模拟芯片，会引导新的设计概念和方法，大大简化和加快一大类电子产品的开发过程，并降低许多雷达、通信产品的价格。整体锁频环芯片由权利要求第1到第7条描述的完整成分组成，具有指定的专用性；而通用的锁频环芯片只包含完整组成成分中的一个部分，例如只包含低通滤波器、检波器、和调整放大器；所说低通滤波器可以是固定带宽，也可以是带宽可设置；所说调整放大器及其附属初始化电路可以设计成适合升频式或降频式锁频环，或者两种模式可选。

附图概述

图1基本的频率锁定环构成框图，由混频器、频率-电压幅度变换部件、检波器、调整放大器、和压控振荡器组成。

图2一种升频型锁频环的构成原理图，其中的调整放大器从整体上是非反相的；放大器输入电路中包含了初始化电路。

图3低通滤波器特性在不同频率坐标下关系。

图4升频型锁频环锁频原理的图示说明。

图5一种降频型锁频环，其中的调整放大器是差动放大器；放大器输入电路中包含了初始化电路。

图6低通滤波器在降频环中的特性变换。

图7降频型锁频环锁频原理的图示说明。

图8压控振荡器在三个典型温度下的控制电压-频率特性曲线；以及当vco处于锁频环中，当温度变化时，vco振荡频率变动受低通滤波器过渡带限制的示意图。

图9带频移锁频环构造的双频信号产生器，可作为双频多普勒雷达的发射单元。

图10基本的锁频接收机，可作为无线电或通信接收机的主体部分。

本发明的实施方式

原理上说，锁频环的设计和实现技术归结为：保证以方程(1)和(2)以及(1)和(7)描述的数学模型在指定的频率区域上有解且有唯一解。

频率-电压幅度变换元件在锁频环中起着重要作用。实际中的锁频环有两类典型应用目标。第一类应用是用锁频环产生一个与输入频率不同频率的输出信号，希望输出频率与输入频率之差是一个稳定的低频率；第二类应用中，锁频环的输入是一个调制信号(调频、调幅、调相)，除载频外还有边带谱线，要求锁频环跟踪输入载频，产生单一频率的本地振荡信号。第二类应用与现有的超外差接收机相似，只是常规的超外差接收机没有锁频环中才有的那种频率自动跟踪机制。以上两类应用对频率-电压幅度变换元件的要求有些不同的。面向单一频率输入的锁频环，适合于选择过渡带很陡峭的频率-电压幅度变换元件；而面向调制信号输入的锁频环，其频率-电压幅度变换元件的过渡带的宽度最好能够覆盖调制信号频谱占有的宽度。为了便于说明本发明中的实施技术，以下假定锁频环的输入是单一频率信号，而频率-电压幅度变换元件是一个低通滤波器，其具有一个常规的过渡带特性。

先说明升频锁频环的实施技术，参照电路图2实施。

第一步，依据输入频率、输出频率或差频的要求，选择需要的vco器件，它的电压-频率特性需覆盖输出信号频率可能的变动范围。选择低通滤波器，让滤波器频率特性过渡带的中点(例如将滤波器通带边和止带边的平均频率值视为过渡带中点频率)处计算的滤波器带宽等于锁频环希望达到的差频值。其他部件的选择按常规电路设计要求进行。

第二步，估计和决定以下数值：vr---参考信号有效值；km---混频器增益值，假定vco提供的本振信号幅度固定；kd---检波器增益(输出直流电压与输入信号有效值的比)；ko---从检波器输出电压到运算放大器输出的增益；kl(f)---低通滤波器在锁频环中的增益。这些量的估计方法可以在常规电路设计理论和技术中得到；其中kl(f)是低通滤波器kl(f)频移到f＝fr来得到，并指定通带最大增益是1.

第三步，将锁频环的vco输入断开，使用一个外接电压加到vco输入端，让信号源的输出频率等于希望的输出频率值。同时调整运算放大器增益，使得vco输入端断开处在放大器边测得的(开环)控制电压略大于vco输入端外加的电压值，然后将锁频环环路闭合。

第四步，设计初始化电路，达到以下目标：当图2中开关接通时，使va处于较高电位，保证vco输出频率fc远高于fr，混频器输出频率fc-fr＝fi在低通滤波器通带以外；而当开关断开时，如果将a点强制置零，能够得到vc很低，vco输出频率fc接近或低于fr；同时需设计电路，使得当开关断开时va处出现的过渡历程能够在适当短的时间内结束，保证锁频环能够快速进入锁定状态。

降频锁频环的实施技术与升频锁频环实施技术无本质差别。降频锁频环实施参照图5进行。具体步骤如下。

第一步，选择需要的vco器件，它的电压-频率特性需覆盖输出信号可能的变动范围。选择低通滤波器，让滤波器频率特性过渡带的中点(例如将滤波器通带边和止带边的平均频率值视为过渡带中点频率)处计算的滤波器带宽等于锁频环希望达到的差频值。其他部件的选择按常规电路设计要求进行。

第二步，估计和决定以下数值：vr---参考信号有效值；km---混频器增益值，假定vco提供的本振信号幅度固定；kd---检波器增益(输出直流电压与输入信号有效值的比)；---运算放大器输出的增益；kl(f)---低通滤波器在锁频环中的增益。这些量的估计方法可以在常规电路设计理论和技术中得到；其中kl(f)是低通滤波器kl(f)频移到f＝fr来得到，并指定通带最大增益是1.

第三步，将锁频环的vco输入断开，使用一个电压加到vco输入端，使得vco输出频率达到fr，记录下vco此时的输入电压vr的数值。将va接地到0，设计vb的直流电压生成电路，使调整放大器输出电压大于vr。然后，将va从地断开，让锁频环在vco输入出开路，并以先前记录的vr电压值加到vco输入。此条件下，设计和调整差动放大器增益和附属的初始化电路，达到vb＝va；同时保证以下条件：在锁频环闭合情况下，如果开关接通使vb＝0，因而vc很低，达到vco输出频率很低，混频后的差频落到滤波器通带以外。

第四步，设计初始化电路，达到第三步规定的目标，在此条件下进行测试检验：当开关由接通变为断开时，vb处出现的过渡历程能够在适当短的时间内结束，保证锁频环能够快速进入锁定状态。