一种测速测距频率合成器的设计

王飞 贺德溪

摘 要：为了解决传统单频连续波只能测量车辆速度，不能测量车辆的距离的问题，给出了一种测速测距的频率合成器的设计方法。针对传统的调制连续波进行分析，采用小数N锁相器ADF4159设计了扫频频率合成器，输出频率范围为24GHz～24.2GHz的宽带频率信号。重点介绍元器件的选择和锁相电路的设计，并用ADIsimPLL软件进行频率合成器的优化。仿真结果验证了电路的可行性。

关键词：ADF4159 锁相环 调频连续波

中图分类号：TN06 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）02（a）-0080-03

随着公路交通快速发展，超速行驶、交通事故率偏高是导致交通事故的主要原因。为了减少由于超速行駛引起的交通事故，通过使用雷达来检测行车速度。目前测速雷达频率合成器使用单频连续波，只能测量运动车辆的速度，不能测距。现阶段警务人员执法需要使用雷达不仅车速测量准确，而且定位也精确。若采用频移键控方式，频率合成器发射信号两个频率，按照周期方波的规律所变化，在接收端通过测量两个回波的相位差来测量距离，但是当多个车辆运动或者车辆静止时，就很难测量。

另一方面，通过使用单片机产生三角波电压信号，调制压控振荡器产生调制连续波进行测速和测距，调制的电路虽然设计简单，但是压控振荡器的核心元件变容二极管的固有特性，输出频率与调谐电压不是线性关系，这样对测距范围和测距精度都有很大的影响[1]。雷达的频率合成的输出结果会直接影响到测量速度和距离的精度。然而，传统的频率合成器价格较高，电路复杂，在某些空间狭小的应用场合很难满足用户的设计要求。本文给出了一种基于锁相技术产生调频信号，应用调频连续波信号，来进行速度和距离的测量。详细介绍频率合成器硬件电路设计和器件的选型，通过电路软件仿真满足系统要求。

1 雷达频率合成器设计方案

根据雷达系统实现的任务目标，对该频率合成器的论证分析，提出了主要技术指标：工作频率24GHz～24.2GHz，相位噪声：≤-70dBc/Hz@1kHz，输出杂散优于-60dBc。锁相频率系统的设计方案如图1所示，锁相器采用ADF4159芯片，电路为非线性相位自动控制系统。

频率合成器采用小数分频锁相型ADF4159，小数分频能更能够产生精确的频率信号，对测量的距离有很好的精度。锁相器把晶振输入信号的相位与压控振荡器输出信号的相位进行比较产生的相位误差，通过锁相芯片产生负反馈电压，该电压经过环路滤波器进行滤除高频分量后加到压控振荡器来控制输出频率，从而改变了振荡器的频率。振荡器输出的频率经过内部分频后又反馈到锁相器，由此组成一个相位反馈系统；从而减小输入信号与振荡器的相位误差。锁相器用DSP控制来产生调制连续波功能，环路滤波器采用了有源滤波器，它滤除误差信号的高频分量，同时也能抑制噪声的干扰，改善相位噪声。

2 器件的选择和实现

为了达到系统的技术指标要求，需要对芯片器件进行选择。频率合成器主要由ADI公司锁相芯片ADF4159锁相器组成。该芯片射频带宽13GHz并具有调制和波形产生功能的小数分频频率综合器，集成了低噪声数字鉴频鉴相、精密的电荷泵、可编程参考分频器，具有快速产生连续三角谐波的功能。快速扫描频率输出产生具有测距测速的频率合成器。芯片的最大特点是它的工作频率高，使得高频系统的倍频装置得以精简，简化了系统结构，降低了功耗和设备成本。内部寄存器为双重缓冲读写设计，使频率控制更加稳定，通过设置寄存器可以实现点频、线性扫频、FSK调制、PSK调制，在精确工作模式下，它内部的小数频率调制器可以实现零频差[2]。

压控振荡器要保证锁相环输出频率的要求，对产生扫频的频率稳定度高，谐波和次谐波抑制特性好，相位噪声低。器件的选取主要考虑压控振荡器相位噪声、稳定度等关键的技术指标，使用器件时我们主要考虑扫频范围、低相位噪声、信号的频谱纯度等，由于雷达测量距离近，发射功率不需要太高，所以从小型化和设计难易程度上考虑，根据指标要求选用ADI公司的HMC739LP4振荡器。工作频率：23.8GHz～26.8GHz，-93dBc@100kHz相位噪声，输出功率为8dBm。

3 电路设计

环路滤波器用于滤除鉴相器中的高频成分，平滑滤波并最终使环路到达稳定的作用，它是锁相环电路的关键部分。环路滤波器主要控制环路带内外噪声、抑制鉴相器输出电压中的载频分量和高频成分的噪声，维持环路稳定性的作用，降低了因VCO控制电压不纯而引起的寄生输出，保证了环路的性能，增加了系统的稳定性[3]。合理地对环路滤波器进行设置可以使环路快速进入锁定状态，并有效对杂散进行抑制以降低相位噪声。在实际应用中，通过环路滤波器的设计理论及传递函数，将相位裕度控制在30°～70°之间。设计带宽越大越好，可以有效的抑制压控振荡器的噪声，但是选择环路带宽较大，锁定时间越短，但参考杂散和相位噪声越大，由于环路带内的相位噪声主要由参考频率决定，环路外的由压控振荡器决定，故带宽要根据使用情况来选择，通常环路带宽最大不能超过鉴相频率的1/10。电荷泵电流在宽带宽模式，必须确保稳定性，减少频率变化中的频率过冲。

选用的VCO调谐电压范围是1～13V，VCO的调谐电压由鉴相器提供，而ADF4159鉴相器的最大输出为3.3V，不能满足VCO调谐电压的需求，因此必须采用有源环路滤波器才能将鉴相器的输出电压进行放大，以使能够覆盖VCO的电压调谐范围。电路设计有源环路滤波器采用反相接入为了抑制运算放大器引入的噪声，即不需要修改环路滤波器的情况下有更快的捕捉时间，

图2采用反馈行四阶有源滤波器电路，在电路中为了降低运算放大器对环路输出相位噪声的影响，采用低噪声、高速运算放大器OP184。运算放大器的正向输入电压设置在锁相器供电电压的一半，这样有利于降低相位噪声。把24GHzVCO内部进行二分频，输出反馈到鉴相器，通过配置Σ-Δ调制器模式，产生调频信号，该方法无需校准便可提供扫频的频率。

4 仿真结果分析

利用ADI公司提供的PLL仿真工具ADIsimPLL4.0版软件进行仿真，选择适当的带宽可以降低相位噪声，加快环路的锁定时间。其参数设置为：鉴相频率为50MHz，环路带宽选择100kHz，相位裕量选择45°，电荷泵的增益为5mA，压控振荡器灵敏度选择60MHz/V，24GHzVCO内部进行二分频，产生输出频率的中心频率为12.1GHz。为了更接近系统的最优化设计可以计算出来环路参数的初值和软件进行仿真，优化的结果可得图3。

从图3可以得出，在12.1GHz（24.2GHz二分频输出）频点，相位噪声为≤-88dBc/Hz@1kHz，-92dBc/Hz@100kHz。输出相位噪声和杂散的抑制都能满足系统的要求。

5 结语

本文解决传统单频连续波只能测量车辆速度，不能测量车辆的距离的问题，设计了一种测速测距的频率合成器，利用小数分频器ADF4159来产生调频连续波，经过电路仿真能满足系统技术指标，该频率合成器具有锁相时间快、功耗低、频率稳定等特点，通过后级的数据分析，进行频域数字信号处理，来提取反射目标的相关信息，来实现车辆速度、距离的精确的测量。本设计方法能够在车辆跟踪和警用测速等诸多领域中使用；目前已应用于警用测速系统。

参考文献

[1] 宋惠轩.24GHz车载雷达射频前端设计[D].西安电子科技大学，2014.

[2] Direct Modulation/Fast Waveform Generating，13 GHz， Fractional-N Frequency Synthesizer ADF4159[Z].ADF4159 Data Sheet，2015.

[3] 王飞，马胜前.S波段锁相频率合成器的设计[J].安徽职业技术学院学报，2009，8（4）：16-19.