基于ADS对PCM发射机调制特性的仿真分析

8基于ADS对PCM发射机调制特性的仿真分析摘要：为了改善PCM发射机的调制特性，本文给出了2MbpsPCM发射机调频源的相位模型，并在ADS环境中进行关键器件的建模，通过仿真加深了对频源瞬态特性的理解。其次根据仿真结果来指导实际调试，实验证明非常有效，从而为下一步改善发射机调频源提供重要参考。1引言在再入遥测领域，由于遥测系统的发展使飞行试验数据容量和参数种类剧增，同时为了有效解决再入遥测记忆重发技术的局限性，要求再入遥测设备向更高传输速率的方向发展，即要求PCM信号的码速率由目前的几百kbps增加到2Mbps以上。PCM发射机是遥测设备的重要组成部分。高码速率PCM发射机调频源一般可以按照准两点注入式锁相调频方案进行设计，主要由压控振荡器（VoltageControlledOscillator，VCO）、鉴相器（PhaseDiscriminator，PD）、环路滤波器（LoopFilter，LF）、分频器链路、晶振等组成。2关键器件建模为了进行调频源的调制响应分析，必须建立关键器件相应的相位模型。在调频源的锁相环路中，处理的是相位信息，所以各个关键器件的建模要以相位为依据。图2-1给出发射机调频源的相位模型。图2-1高码速率发射机调频源相位模型在上面调频源相位模型中，要实现与环路响应无关的宽带调制特性，就是设定鉴相器、有源积分滤波器、VCO以及分频器等的相关参数，使满足Km=KvKd/N（其中Km为积分常数,Kv、Kd分别为压控灵敏度和鉴相灵敏度,N为分频数）。因此，要进行建模的器件是鉴9相器、分频器、有源环路滤波器和积分器以及VCO。对于鉴相器而言，鉴相后输出相差θe(S)=θi(S)-θo(S)/N利用ADS中的压控电压源（VCVS）即可构成线性鉴相器如图2-2所示。同理对于分频器，由于输入输出前后相位是以分频数为因子线性变化的，所以也可以利用VCVS构成一个线性分频器，此时的VCVS的复数电压增益（complexvolt-agegain）要取1/N。图2-3所示为线性分频器的仿真模型。图2-2线性鉴相器模型图2-3线性分频器模型根据调频理论可得，理想的线性VCO的瞬时输出相位:θo(t)=ωot+KvtV0tune(τ)dτ其中ωo为VCO的振荡频率,Kv为压控灵敏度。由此可见，理想的VCO的传输函数类似于一个积分器，在仿真中可以利用一个电容、一个VCVS和一个压控电流源（VCCS）模拟此线性VCO。图2-4所示为线性VCO的仿真模型。10图2-4线性VCO仿真模型最后是根据有源积分滤波器的经典电路进行滤波积分链路的建模，建模时考虑了利用辅助低通滤波器来改善边带抑制。同时，在设定电路中分立元器件的数值时，综合考虑环路的阻尼系数、环路谐振角频率以及相关部件的鉴相灵敏度、压控灵敏度、积分常数等参数。实际电路中采用的运放为National公司的CA3140E，在此采用ADS提供的OpAmp单元来模拟此运放，增益设为40dB。如2-5图所示。图2-5有缘积分滤波器及辅助低通滤波器上图中，鉴相器输出信号通过PDin1、PDin2输入端加载到有源滤波器上，PCM信号经过输入调制电路后加到有源积分器上。利用上述各种仿真模型，在ADS中搭建调频源的原理图，并利用Source-TimeDomain中的VtLFSR_DT单元来模拟产生2MbpsPCM信号。在产生的模拟信号中人为地加入一些0000、1111信号，如图2-6所示。11图2-6模拟产生的2MbpsPCM信号3调制响应仿真分析根据上述设置，在ADS中进行仿真。理论上，当满足宽带调制与环路响应无关的特性时，调制频偏应该和调制信号满足线性关系。图3-1所示为VCO输出频偏随调制信号变化的、时域仿真波形。图3-1频偏随调制信号变化时的时域仿真波形经过对上图粗略测量，VCO输出频偏约±700kHz，说明理论上可以实现2MbpsPCM信号的调频。产生的信号相对PCM调制信号有较大畸变，尤其是在长0、长1时。一方面可能是因为环路滤波器设计得不够理想以及输入预调电路未达到最佳所致;另一方面可能是因为所搭建系统原理图中的部分器件如运放、鉴相器等的精度不够或者与实际器件相差太多。根据上面的分析，调整输入预调电路的电阻电容值，同时改变环路的阻尼系数，12VCO输出的波形有所改善。在长0、长1情况下，信号下降的斜率有所减小，在接受解调时，可以减小误码率，如图3-2所示：图3-2调整后的频偏时域波形根据上述建模仿真过程，对发射机调频源电路进行调试。调试初期，无法将2MbpsPCM信号调制到发射机工作频率上。通过调整环路积分滤波器和输入预调电路的有关参数，主要是调整这些电路中分立元件的数值，经过精心调试，发射机调频源实现了2MbpsPCM信号的调频。从频谱分析仪上看，频谱中间的峰峰值约1.4MHz，满足调频发射机最佳频偏的要求。如下图所示。13图3-3发射机调频源的输出频谱4总结本文通过对PCM发射机调频源电路进行调制响应分析，从时域的角度分析了环路各种参数对调制频偏的影响，为后面的电路调试提供了重要的技术参考。根据仿真结果进行电路调试，为解决发射机调频源的技术难题提供了有效的手段。实践证明，该方法缩短了电路调试的周期，从工程角度讲有重大意义。不足之处是，我们提供的都是线性仿真模型，这在实际发射机电路中是不可能的。在实际电路中，VCO是典型的非线性器件，其压控灵敏度并非一个常数，也正是由于对其非线性的认识和改善，从而部分的改进了发射机的调制响应特性。因此，下一步的仿真工作主要是为发射机各主要模块建立比较精确的非线性模型和噪声模型，从而进一步提高仿真的可信度，以期对发射机电路设计和改进提供依据。14参考文献：[1]郑贵强，高码速率锁相调频技术研究,硕士学位论文，2003年5月。[2]周邦华，遥测发射机中的微波锁相调频技术研究，电讯技术,2001年;41卷第3期:74-76.[3]吴伯修，沈连丰，调频技术理论及新进展，人民邮电大学出版社，1988.[4]周邦华，S波段连续波遥测信号的锁相调频技术研究，遥测遥控，1999,23（5）：15-18