基于MATLAB的频率合成器模拟

西安文理学院幼师学院 武 瑛

一、频率合成器及MATLAB 仿真平台概述

无线通信技术在过去十多年里有了突飞猛进的发展，从无绳电话到个人手机，从蓝牙技术到无线局域网，越来越多的无线通信设备进入到了人们的日常生活当中。无线通信收发机是无线通信中的重要组成部分，负责无线终端、主机之间的数据接收和发送功能。对整个通信系统的性能指标起着至关重要的作用，影响着系统的功耗、灵敏度、数据传输速率及发射和接收的效率。无线通信技术的发展对无线通信收发机提出了高数据率、高性能、高集成度和低功耗等要求，使得无线通信收发机的设计成为无线通信系统的难点。

无线通信收发机一般包括天线、射频带通滤波器、低噪声放大器、混频器、频率合成器、可编程放大器(PGA)、功率放大器、模拟-数字转换器(A/D)、数字-模拟转换器(D/A)和数字基带处理模块等，如图1所示。其中频率合成器负责提供对收、发信号进行变频操作所必需的本振信号。其输出本振信号的纯度直接影响接收信号的信噪比，影响发射机的发射功率谱，其频率切换时间决定了收发机的工作效率，其频率分辨率决定了收发机可支持的最小频道间隔，在无线通信收发机中占有十分重要的地位。频率合成器是一个典型的负反馈系统，电路规模比较大，基于电路级的仿真往往需要很长时间(几天甚至几个星期)，因此需要对其进行行为级建模，提高仿真速度。

MATLAB是美国mathworks公司开发的主要面向科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言(如C、Fortran)的编辑模式。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。如前所述，频率合成器由于电路复杂，传统的仿真模拟需要较长的时间，基于MATLAB建立频率合成器的行为及仿真模型，可以大大提高频率合成器的仿真模拟速度，提高设计效率。

二、频率合成器的MATLAB建模

频率合成器是指可以对频率进行加、减、乘、除运算，并将一个或几个频率标准变成多个所需频率的电子装置。频率合成器的实现方式多种多样，其中间接频率合成器或称锁相环频率合成器通过将输出信号分频之后与参考信号比较，构成负反馈，产生稳定的输出信号。这种频率合成器体积小、性能好、价格便宜，且同时具有高速，低功耗的优点。因此，在目前所有的无线通信系统中，锁相环频率合成器几乎成为频率合成器的唯一实现方式。最常见的锁相环频率合成器如图2所示，它由鉴频鉴相器(Phase Frequency Detector,PFD)、电荷泵(Charge Pump,CP)、环路滤波器(Loop Filter)、压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator,VCO)和分频器(Divider)五部分构成。输入参考时钟fREF与压控振荡器分频后的输出信号fDIV经鉴频鉴相器进行比较，控制电荷泵充放电，并经过环路低通滤波器转变为电压信号，调整压控振荡器的输出频率fVCO，形成一个相位域的负反馈结构。通过对相位的检测和反馈控制，使鉴频鉴相器的两个输入信号的相位差保持固定，频率差为零，实现输出频率的可编程。环路锁定后，压控振荡器的输出频率为参考信号频率的整数倍，即fVCO=N×fREF。

针对频率合成器中的5大模块，可以分别在MATLAB的Simulink环境中建立它们的模型，如鉴频鉴相器的输出连接到电荷泵的输入，鉴频鉴相器的up和dn信号控制电荷泵充电电流和放电电流Iup和Idn的开断。电荷泵的模块连接图如图3(a)所示。从图中可以看出电荷泵所用的模块较少，结构也很简单，只需要2个Gain和1个Substract模块。分别将控制up和dn电流的增益模块Gain参数设定为Up和Dn。然后创建电荷泵子模块并进行封装，Mask Editor的Parameters标签的设定如图3(b)所示。

其他模块也可以采用Simulink自带的模块搭建而成，鉴频鉴相器采用Simulink中带复位的D触发器和逻辑与非门构成；环路滤波器采用Simulink自带的无源电阻、电容组成；压控振荡器采用电压到相位的积分器，然后转换成方波信号；分频器采用Simulink的取模模块和关系判断模块构成，总的频率合成器模型如图4所示。

图1 无线通信收发机框图

图2 锁相环频率合成器框图

图3 频率合成器中电荷泵的模型

图4 频率合成器模型 图5 频率合成器锁定过程中压控振荡器的控制电压波形

三、基于MATLAB模型的频率合成器模拟

基于MATLAB的Simulink环境可以使用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行仿真，它也支持多速率系统，即系统中的不同部分可以具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)，提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。基于MATLAB的Simulink仿真环境，对所建立的频率合成器模型进行仿真，采用Simulink连续时间仿真器，其中仿真步长设置为变步长，仿真参考信号为10MHz，电荷泵电流设置为100uA，得到的频率合成器锁定过程中压控振荡器的控制电压波形如图5所示，控制电压最终趋于稳定，表明了频率合成器最终输出稳定的本征信号，整个仿真过程不到一分钟，而直接使用频率合成器的电路进行仿真，需要花费几天甚至几个星期的时间，因此基于MATLAB模型的频率合成器模拟可以极大的提高仿真效率。

四、结语

本文在论述频率合成器的应用及MATLAB仿真平台的基础上，建立了频率合成器的各模块MATLAB模型，基于各个模块的模型，搭建了整个频率合成器的仿真模型，并基于MATLAB中的Simulink仿真环境对频率合成器进行了模拟，表明基于MATLAB对频率合成器进行模拟，可大大节省仿真时间。

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