CN201328110Y - 锁相式频率跟踪装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种锁相式频率跟踪装置，其包括参考频率源，采样保持单元，鉴频鉴相器，环路滤波器，数字压控振荡器，频率计，可变分频器，窄带保护电路，抖动时延锁相环及前置分频器。所述装置中在可变分频器与抖动时延锁相环之间加设窄带保护电路用以限制信号本身或其子谐波的分量功率过高，保护整个装置并进一步消除杂散分量。本实用新型简单可行，保证了频率跟踪系统的稳定性及锁定时延，具有很高的频率跟踪精度，且易于集成。

Description

锁相式频率跟踪装置

技术领域

本实用新型涉及射频微波通信领域，特别是提供了一种锁相式频率跟踪装置。

背景技术

频率跟踪技术是现代通信中的关键环节，已经得到了广泛的应用。频率跟踪就是利用反馈技术自动调节震荡频率，使输出频率随着原始的频率变化而变化。在一些频率变动频繁而剧烈的应用场合，常需要具有频率自动调节功能的电路或装置，比如，超声波发生器，电力信号的谐波分析和处理及无线通信收发机等。现有的频率跟踪方案主要有三种：(1)电流方案，即采用电流的变化来跟踪；(2)功率方案：对信号的功率进行比较跟踪；(3)相位方案：利用相位误差去消除频率误差，当电路达到平衡状态时就可以实现无频率误差的频率跟踪。

但传统的频率跟踪器带来了以下两个问题：1)跟踪频率只能以参考步进频率为增量来改变。为了提高跟踪频率分辨率就必须将参考步进频率减小，然而这与跟踪转换时间长短是相矛盾的，因为跟踪分辨率与跟踪转换时间成反比。虽然采用了前置分频器之后，允许在较高的频率上工作，但是因为前置分频器的分频比是固定的，输出频率只能以其分频比与参考步进频率的乘积为增量变化，这样，合成器的分辨率就下降了。2)另一个问题是最后的输出是直接加到分频器上，输出频率只是参考跟踪频率范围的整数倍，分辨率较低，而跟踪频率范围较小，就会产生大的频率跟踪误差。

而且由于干扰信号的变化，使一些参考源合成的频率分量就落在锁相环的环路带宽之内，并出现在压控振荡器的输出频谱之中，也就是频谱泄漏，就造成了输出杂散，常会导致较大的频率跟踪误差。杂散分量会与所需信号混频就会使接收机灵敏度显著下降。

发明内容

本实用新型目的在于解决现有频率跟踪技术中的普遍存在的跟踪误差过大的问题，进而提出一种能取得更好的频率跟踪效果的锁相式频率跟踪装置。本实用新型中的频率跟踪电路可以有效避免泄漏效应的产生，使采样频率实时跟踪信号的基波频率，从而从根本上解决频谱泄漏效应。

本实用新型的技术方案是：

所述的锁相式频率跟踪装置包括参考频率源，采样保持单元，鉴频鉴相器，环路滤波器，数字压控振荡器，频率计，可变分频器，抖动时延锁相环，前置分频器。上述各部分依次连成一个环路。所述参考频率源连接在所述采样保持单元的第一输入端，前置分频器连接在所述采样保持单元的第三输入端。所述鉴频鉴相器输入端连接在所述采样保持单元的输出端。再依次连接环路滤波器和数字压控振荡器。所述数字压控振荡器的第一输出端输出要求跟踪得到的频率，其第二输出端连接至所述频率计。所述数字频率计输出端连接至可变分频器，再依次连接抖动时延锁相环和前置分频器。一个用于消除杂散分量的窄带保护电路，被连接在所述可变分频器与抖动时延锁相环之间。

鉴频鉴相器是一个相位频率比较器，它把输出信号和参考信号的相位进行比较，产生对应于两信号相差的误差电压。采样保持单元，相当于一个抽样开关，数模转换由其完成，其采样频率为参考频率源的两倍。信号在采样后经过保持后，其两端值会有细微的变化。采样保持后的相位取样误差函数，在经锁相环路反复自适应调整后可看成无偏估计，在稳态时就有两端相等。使用采样保持单元后还可以显著降低环路中的相位噪声和杂散噪声。抽样频率的高低无须满足香农采样定理，也不会存在混叠效应，因为只需要取出两信号的相位差信息，对于抽样时刻以外的环路跟踪变化也仍会保持一样的阶跃变化特性。

然后，信号通过环路滤波器，滤除了误差电压中的部分高频成分和噪声，以保证环路初始运作条件所要求的性能。数字压控振荡器受控制电压的控制，使压控振荡器的频率向参考信号的频率靠近。在初始运作时，数字压控振荡器的输出频率端会有较大的偏离，其另一端将偏离信号继续送至频率计数器。

在前置分频器与数字压控振荡器之间设计的高速双模可变分频器和频率计，最终可以得到较大的总的计数分频比。这样也就大大提高了装置的工作频率。环中带有前置分频器与锁相环部件就提供了一种从单个参考频率获得大量跟踪频率的方法，也就很容易按增量来改变我们所需要的捕捉跟踪频率。当进入频率跟踪状态时，本装置就自动合成并锁定输入载波频率。总体来说，跟踪的频率范围扩展了多倍，获得了较大范围的频率，而仍然保持为较小的步进频率间隔。

环路在锁定时，鉴频鉴相器仍维持有一个固定电压输出。此电压通过环路滤波器加到压控振荡器上，将压控振荡器的振荡频率调整到与输入信号频率同步。若数字压控振荡器的频率和相位不断地跟踪输入信号频率和相位的变化时，环路就处于跟踪状态。若环路既不处于锁定状态，又不处在跟踪状态，则处在失锁状态，此时装置就收到窄带保护电路的保护。窄带保护电路为一个高阶电容电阻电路，可进一步消除杂散分量，其包括限幅器，放大器，电阻R1，R2，R3，R4，R5，R6及电容C1，C2，C3，C4。所述电路的C2，C3及R3，R5，R6接地。其电阻大小参数可以在实际使用中可以进行自适应调整。如此，可变分频器也就配合锁相环继续搜索需要的频率。前置分频器和可变分频器都是用来进行分频的，前者是粗调频率，其分频比可以为100，后者为细调，可以进行变频搜索。

通过锁相环路的跟踪作用，可以将输出信号频率锁定在输入信号的某次谐波或分谐波分量上，可以实现输出信号与参考信号同步，两者之间不存在频差而只存在很小的稳态相差，而这个相位误差在抖动时延锁相环的补偿机制后可以忽略，如果输入信号的频率和相位在不断地变化，则可通过环路的自动调整作用，使压控下的频率和相位不断地跟踪输入频率的变化，从而实现很好的跟踪性能。于是两者频率之差越来越小，直至频差消除而被锁定，就可以用来实现良好的频率跟踪。

一种锁相式频率跟踪装置，所述装置用于在通信接收机中，用来对接收到的信号的载波频率进行同步跟踪，其特征在于：采样保持单元(2)采用美国AD公司的AD582SH，环路滤波器(4)采用二阶Bessel低通滤波器，抖动时延锁相环(9)选用通用的集成数字锁相环NE564。所述窄带保护电路(8)中的限幅器(201)采用安捷伦公司的N9356B，放大器(202)采用Intersil公司的ICL7650。

与现有技术相比，本实用新型利用相位误差去消除频率误差，所以当电路达到平衡状态时，虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可以降低到零，从而实现无频率误差的频率跟踪。由于其很好的自适应性能和对噪声的良好过滤作用，可广泛用于通信、无线电及信号处理等，用来对接收到的信号的频率进行同步跟踪。

本实用新型的有益效果是，结构简单，能取得更好的频率跟踪效果。

附图说明

图1是本实用新型的装置结构图。

图2是本实用新型装置中的窄带保护电路图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本实用新型进一步说明：

如图1所示实施例中，本实用新型包括参考频率源1，采样保持单元2，鉴频鉴相器3，环路滤波器4，数字压控振荡器5，频率计6，可变分频器7，窄带保护电路8，抖动时延锁相环9，前置分频器10。上述各部分依次连成一个环路。所述参考频率源1连接在所述采样保持单元2的第一输入端，前置分频器10连接在所述采样保持单元2的第三输入端。所述鉴频鉴相器3输入端连接在所述采样保持单元2的输出端。再依次连接环路滤波器4和数字压控振荡器5。所述数字压控振荡器5的第一输出端输出要求跟踪得到的频率，其第二输出端连接至所述频率计6。所述数字频率计6输出端连接至可变分频器7，再依次连接抖动时延锁相环9和前置分频器10。一个窄带保护电路8，被连接在所述可变分频器7与抖动时延锁相环9之间。

当接入需要被跟踪的外接信号源连接在所述采样保持单元2的第二输入端时，装置就开始进行频率跟踪运作。鉴频鉴相器3是一个相位频率比较器，它把由前置分频器10输出过来的信号，参考频率源1和外接信号源的相位进行比较，产生对应于信号相差的误差电压，并输至采样保持单元2。采样保持单元2相当于一个抽样开关，其采样频率为参考频率源的两倍。采样保持单元2对输入端的信号见过采样保持后，其输入输出两端值会有细微的变化。使用采样保持单元2后还可以显著降低环路中的相位噪声和杂散噪声。然后，信号通过环路滤波器4，滤除了误差电压中的部分高频成分和噪声。再经过数字压控振荡器5的控制，在初始运作时，数字压控振荡器5的另一端将偏离信号继续送至频率计6。在前置分频器10与数字压控振荡器5之间的高速双模可变分频器7和频率计6，可以得到较大的总的计数分频比。环路在锁定时，鉴频鉴相器3仍维持有一个固定电压输出。此电压通过环路滤波器4加到压控振荡器5上，将压控振荡器5的振荡频率调整到与输入信号频率同步。若数字压控振荡器5的频率和相位不断地跟踪输入信号频率和相位的变化时，环路就处于跟踪状态。若环路既不处于锁定状态，又不处在跟踪状态，则处在失锁状态，此时装置就收到窄带保护电路8的保护。窄带保护电路8是一个高阶电容电阻电路。此时可变分频器7也就配合抖动时延锁相环9继续搜索需要的频率。误差信号通过锁相环路9的跟踪作用，可以将输出信号频率锁定在输入信号的某次谐波或分谐波分量上，可以实现输出信号与参考信号同步。前置分频器10的分频比为100，前置分频器10对输入的频率偏差较大的信号进行分频，并将处理后的信号送至采样保持单元2的第三输入端，并继续由整个装置循环类似的处理直至装置输入输出端之间不存在频差而只存在很小的稳态相差。如果输入信号的频率和相位在不断地变化，则可通过环路的自动调整作用，使频率和相位不断地跟踪输入频率的变化，从而实现很好的跟踪性能。于是两端频率之差越来越小，直至频差消除而被锁定，就可以用来实现良好的频率跟踪。

一种锁相式频率跟踪装置，所述装置用于在通信接收机中，用来对接收到的信号的载波频率进行同步跟踪，其各模块选用器件型号为：采样保持单元2采用美国AD公司的AD582SH，环路滤波器4采用二阶Bessel低通滤波器，抖动时延锁相环9选用通用的集成数字锁相环NE564。所述窄带保护电路8中的限幅器201采用安捷伦公司的N9356B，放大器202采用Intersil公司的ICL7650。

如图2所示本实用新型装置中的窄带保护电路，包括限幅器201，放大器202，电阻R1，R2，R3，R4，R5，R6及电容C1，C2，C3，C4。端口1为电路的信号输入端口，端口2为输出端口。所述电路的C2，C3及R3，R5，R6接地。内置放大器202及限幅器201，起到保护装置的作用，同时也保证对高阶谐波频率分量的抑制。

综上所述，本实用新型结构简单，对噪声具有良好的过滤作用，由于本实用新型的高精度频率跟踪性能，可以使频率跟踪得到更为广泛的应用。

Claims (5)

1、一种锁相式频率跟踪装置，包括参考频率源(1)，采样保持单元(2)，鉴频鉴相器(3)，环路滤波器(4)，数字压控振荡器(5)，频率计(6)，可变分频器(7)，窄带保护电路(8)，抖动时延锁相环(9)，前置分频器(10)。其特征在于上述各部分依次连成一个环路：所述参考频率源(1)连接在所述采样保持单元(2)的第一输入端，前置分频器(10)连接在所述采样保持单元(2)的第三输入端。所述鉴频鉴相器(3)输入端连接在所述采样保持单元(2)的输出端。再依次连接环路滤波器(4)和数字压控振荡器(5)。所述数字压控振荡器(5)的第一输出端输出要求跟踪得到的频率，其第二输出端连接至所述频率计(6)。所述数字频率计(6)输出端连接至可变分频器(7)，再依次连接抖动时延锁相环(9)和前置分频器(10)。一个窄带保护电路(8)，被连接在所述可变分频器(7)与抖动时延锁相环(9)之间。

2、如权利要求1所述的锁相式频率跟踪装置，其特征在于：用于消除杂散分量的窄带保护电路(8)为一个高阶电容电阻电路，包括限幅器(201)、放大器(202)、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、电容C2、电容C3及电容C4，其中电容C2、电容C3、电阻R3、电阻R5及电阻R6接地。

3、如权利要求1所述的锁相式频率跟踪装置，其特征在于：该装置中还包括一个采样保持单元(2)，相当于一个抽样开关，数模转换由其完成，其采样频率为参考频率源(1)的两倍。

4、如权利要求1所述的锁相式频率跟踪装置，其特征在于：前置分频器(10)和可变分频器(7)都是用来进行分频的，前者是粗调频率，其分频比为100，后者为细调进行变频搜索。

5、一种锁相式频率跟踪装置，所述装置用于在通信接收机中，用来对接收到的信号的载波频率进行同步跟踪，其特征在于：采样保持单元(2)采用美国AD公司的AD582SH，环路滤波器(4)采用二阶Bessel低通滤波器，抖动时延锁相环(9)选用通用的集成数字锁相环NE564。所述窄带保护电路(8)中的限幅器(201)采用安捷伦公司的N9356B，放大器(202)采用Intersil公司的ICL7650。

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