几种锁相环芯片在移动通信及其他环境中的应用

【摘要】锁相环是一种可以产生输出信号相位与输入标准信号相位相关的控制系统。本文简介了锁相环的发展简史以及其在现代移动通信中的重要地位，并介绍了Freescale公司的MC33493芯片在轮胎压力检测中的实际应用。

【关键词】锁相技术；频率合成

一、锁相环的发展简史

锁相环是一种可以产生输出信号相位与输入标准信号相位相关的控制系统。它的电路结构包括一个压控振荡器，鉴频器和环路滤波器。锁相环电路通过比较输入标准信号和从输出振荡器得到的信号来调节振荡频率使其相位匹配。从鉴频器中得到的信号电压信息用来在反馈环路中控制振荡器。因频率是相位的导数，那么保持输入输出相位入锁意味着输入输出的频率同时入锁。因此，锁相环可以跟踪一个输入频率或者产生一个和输入频率成倍数关系的输出频率。前一个性质多用来解调，后一个性质多用来间接频率合成。

电子振荡器的自动同步是在1923年第一次被提出的。最早关于我们现在所说的锁相环的研究要则追溯到1932年，当时英国的科研人员研究出了可以替代Edwin Armstrong超外差接收机的零差接收机（直接转换接收机）。这个系统的目的是研制一种所需更少调谐电路，可以替代超外差接收机的接收机。因为本地振荡器容易产生快速的频率漂移，振荡器使用了一种自动校正的信号，保证了期望的相同相位和频率。这种技术由法国科学家Hei de Bellescize于1932年在法国杂志L"Onde Électrique上发表。当Signetics公司于1969年研发出了像NE565这种可以集成一个完整地锁相环系统于一个芯片上的单片集成电路的时候，锁相技术的大规模应用爆发了。

目前锁相环广泛应用在广播收音机，远程通信，计算机和其他电子设备中。它可以把信号从噪声信道中恢复出来，产生一个与输入信号成倍数关系的稳定输出频率（频率合成），或者在像在微处理器的这种数字逻辑器件中分配时钟的脉冲信号。因为一个单一的集成电路可以提供一个完整地锁相模块，所以锁相技术在输出频率变化范围从几赫兹到几G赫兹的现代电子设备应用极其普遍。

二、频率合成器在在移动通信中的应用

由于锁相环路具有频率锁定特性，载波跟踪特性，调制特性，低门限特性，再加上集成锁相环的出现，使锁相环路在电子技术等各个领域获得了广泛的应用。在移动通信中，主要用于短波、超短波发、收信机中的主振与本振源，以及上述各种通信系统中的调制与解调，电调与天调、自动频率微调等系统中。锁相环电路时手机电路中非常重要的基本单元，我们现在用的手机越来越小，越来越薄，从某种意义上来讲就是高度集成化的锁相环的作用。锁相环电路性能优越，在手机的调制，解调和频率合成中有着重要的应用。如果接收到的信号频率不稳定，那么我们就无法通过手机来和他人通信，所以频率源的稳定度对所有通信设备是极其重要的，能够产生极高频率精度的锁相环应运而生。

现代手机中要求的工作频点数目多，频点可变，频率高稳定度，而锁相技术最大限度的满足了这些要求并具有以下特点：

1）目标频率合成准确且精度高：锁相环再加上一些辅助电路就能很容易的对一个标准信号频率进行加、减、乘、除运算，从而获得目标频率，合成后的信号频率与标准信号频率有相同的长期频率稳定度。

2）选频特性良好：利用其窄带跟踪滤波特性，可充分滤去噪声选出所需频率。此外，高性能的压控振荡器（VCO）具有较好的短期频率稳定度，因此锁相式频率合成器输出的信号具有较高的频率稳定度和较好的频谱纯度。

3）采用环路同步跟踪特性，能方便的变换频率：通过手机中的逻辑或音频电路部分提供的控制信号可以实现信道扫描和自动选频，提高手机在组网中的功能。

三、模拟通信系统中的软件锁相技术

随着数字集成电路电路技术的发展，尤其是大规模集成电路及微处理器的广泛应用，使得通信领域一些复杂的、灵敏的信号处理方法能在数字域付诸实施。锁相环是相干数字通信系统中的关键部件，为了与数字系统兼容，吸收数字电路固有的可靠性高、体积小、价格低等优势，人们在发展模拟锁相环的同时，亦致力于发展数字锁相环。

软件锁相技术是一个较新的研究课题，过去由于受到微机运行速度的限制，使用软件锁相技术所能工作到的上限频率较低（一般在1KHZ以内），因此没有较大实际使用的意义，也没有得到突破性的发展。但是，软件锁相环具有处理灵活的有点，它摆脱了复杂的硬件电路设计；解决了若干模拟环境遇到的难题，如直流零点漂移、部件饱和、必须初始校准等。目前，由于单片微机的功能越来越强大，工作速度越来越高，也为软件锁相技术的发展创造了必要的条件。

软件锁相环路的输入信号必须是一个经过整形的TTL电平信号，鉴相软件可以识别出软件计数器输出的取样信号相位与输入信号相位之间的相位差；环路滤波软件控制着环路相位校正的速度与精度；PCC为可编程控制计数器，也可将其称为本地受控定时器，其计数周期受环路滤波器软件的控制。

软件锁相实现方法已得到实际应用，通过改变锁相软件中的参数，可在一个软件中实现TACS值和AMPS制蜂窝状移动通信系统信令码型的变换，在AMPS值信令码型转换程序中，软件锁相环的工作频率达到了20kHZ。实际应用几年来，其稳定性和可靠性是模拟锁相环无法比拟的。

实现软件锁相技术的重要意义在于，简化了硬件电路的设计，降低了设备功耗，简化了设备的调试工作，提高了系统的稳定性和可靠性，以模拟蜂窝状移动通信系统中的手机设计为例，对其通信的信令进行全软件解码，可以降低生产成本，延长手机的使用时间，其实用意义是显而易见的。

四、几种不同厂家的PLL芯片的实际应用

1.Freescale Semiconductor：MC33493

MC33493芯片是飞思卡尔公司的一个锁相环调谐低功耗的超高频发射器。它的微控制器通过一些数字输入引脚来控制不同的操作模式。供电电压从1.9V到3.6V，使得一块锂电池即可对其供电。

电气参数：

·选择性频带：315—434MHZ和868—928MHZ

·OOK和FSK两种调制方式

·输出功率范围可调节

·压控振荡器完全集成化

·极低的待机电流：0.1nA@TA=25°C

·为微控制器提供数据时钟输出

·超宽温度耐受范围：—40到125°C

·符合欧洲电信标准协会的典型应用。

实际应用：

MC33493芯片因其抗高温能力显著使其可以应用在轮胎压力检测系统（TPMS）中，该系统主要用于汽车行驶时对轮胎气压进行实时自动检测，对轮胎漏气和低气压进行报警。MC33493在此系统中为高温集成无线发送模块，抗干扰能力强，频率稳定度高（PLL），可以将传感器收集到的轮胎温度和压力信息准确的传给安装在汽车底盘的接受天线。

2.Hittite Microwave Corporation：HMC831LP6CE

HMC831LP6CE是Hittite公司的一款全功能集成低噪声压控振荡器的分数N锁相环芯片，它具有低压压控振荡器调谐的自校准子系统，极低噪声的数字鉴频器，精密电荷泵和低噪声分频器。鉴频器应用了周跳保护技术使得频率阶跃时间更短。超低相位噪声和低失真同时保证了快速频率阶跃时更宽的环路带宽。

电气参数：

·射频带宽：1815到2010MHZ

·超低相位噪声：—110dBc/HZ（带内）

·品质因数：—227dBc

·均方根抖动：<180fs

·内置数字自检；

·40线6x6mm SMT封装：36mm2。

实际应用：

HMC831LP6CE芯片广泛应用在移动通信的蜂窝或4G LTE基础设施中，其他领域应用也很广泛，如中继器和超小型化移动基站，通讯测试仪，有线电视设备，相控阵雷达，数字示波器和高数据率射频部件等。

3.Texas Instruments：LMX2502

LMX2502为韩国个人通信服务和韩国CDMA蜂窝手持设备特别优化的高集成，高性能，低功耗的频率合成器。它使用了合适的数字锁相环技术，LMX2502可以为无线通讯设备产生非常稳定，低噪声的本地震荡信号。它也同时集成了整数N中频锁相环。为了更灵活的环路滤波设计，中频锁相环包括了一个4级可编程电荷泵。同时连接了一个外部VCO和环路滤波器。LMX2502和LMX2512构成了一个完整的闭环中频频率合成器系统。

电气参数：

·体积小：5.0mm X 5.0mm X 0.75mm 28脚LLP封装

·射频合成器系统：集成射频VCO，环路滤波器，10kHZ频分

·中频合成器系统：整数N中频锁相环，可编程电荷泵

·支持不同标准频率：19.20/19.68MHZ

·快速入锁时间：500μs；

·低电流消耗：17mA@2.8V；

·工作电压2.7V至3.3V·硬件和软件功率降低控制；

实际应用：韩国PCS CDMA通信系统和韩国蜂窝CDMA通信系统。

注：LMX2502实际上是美国国家半导体公司（National Semiconductor）的产品，因为NS在去年被德州仪器（TI）收购，故此芯片现为德州仪器所有。

参考文献

[1]张厥盛，郑继禹，万心平.锁相技术[M].西安电子科技大学出版社，2006.

[2]潘志浩，陈惠民.软件锁相技术在模拟蜂窝移动通信系统中的应用[J].上海大学学报（自然科学版），1997（05）.

[3]李立高.锁相技术在双频手机电路中的应用分析[J].长沙通信职业技术学院学报，2003（02）.

作者简介：

徐雨濛（1990—），男，北京人，现就读于电子科技大学电子工程学院电子信息工程专业。

陈哲（1991—），男，北京人，现就读于电子科技大学电子工程学院电子信息工程专业。

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