基于MATLAB的頻率合成器模擬

西安文理學院幼師學院 武 瑛

一、頻率合成器及MATLAB 仿真平臺概述

無線通信技術在過去十多年里有了突飛猛進的發(fā)展，從無繩電話到個人手機，從藍牙技術到無線局域網，越來越多的無線通信設備進入到了人們的日常生活當中。無線通信收發(fā)機是無線通信中的重要組成部分，負責無線終端、主機之間的數據接收和發(fā)送功能。對整個通信系統的性能指標起著至關重要的作用，影響著系統的功耗、靈敏度、數據傳輸速率及發(fā)射和接收的效率。無線通信技術的發(fā)展對無線通信收發(fā)機提出了高數據率、高性能、高集成度和低功耗等要求，使得無線通信收發(fā)機的設計成為無線通信系統的難點。

無線通信收發(fā)機一般包括天線、射頻帶通濾波器、低噪聲放大器、混頻器、頻率合成器、可編程放大器(PGA)、功率放大器、模擬-數字轉換器(A/D)、數字-模擬轉換器(D/A)和數字基帶處理模塊等，如圖1所示。其中頻率合成器負責提供對收、發(fā)信號進行變頻操作所必需的本振信號。其輸出本振信號的純度直接影響接收信號的信噪比，影響發(fā)射機的發(fā)射功率譜，其頻率切換時間決定了收發(fā)機的工作效率，其頻率分辨率決定了收發(fā)機可支持的最小頻道間隔，在無線通信收發(fā)機中占有十分重要的地位。頻率合成器是一個典型的負反饋系統，電路規(guī)模比較大，基于電路級的仿真往往需要很長時間(幾天甚至幾個星期)，因此需要對其進行行為級建模，提高仿真速度。

MATLAB是美國mathworks公司開發(fā)的主要面向科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態(tài)系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統非交互式程序設計語言(如C、Fortran)的編輯模式。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現動態(tài)系統建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。如前所述，頻率合成器由于電路復雜，傳統的仿真模擬需要較長的時間，基于MATLAB建立頻率合成器的行為及仿真模型，可以大大提高頻率合成器的仿真模擬速度，提高設計效率。

二、頻率合成器的MATLAB建模

頻率合成器是指可以對頻率進行加、減、乘、除運算，并將一個或幾個頻率標準變成多個所需頻率的電子裝置。頻率合成器的實現方式多種多樣，其中間接頻率合成器或稱鎖相環(huán)頻率合成器通過將輸出信號分頻之后與參考信號比較，構成負反饋，產生穩(wěn)定的輸出信號。這種頻率合成器體積小、性能好、價格便宜，且同時具有高速，低功耗的優(yōu)點。因此，在目前所有的無線通信系統中，鎖相環(huán)頻率合成器幾乎成為頻率合成器的唯一實現方式。最常見的鎖相環(huán)頻率合成器如圖2所示，它由鑒頻鑒相器(Phase Frequency Detector,PFD)、電荷泵(Charge Pump,CP)、環(huán)路濾波器(Loop Filter)、壓控振蕩器(Voltage Controlled Oscillator,VCO)和分頻器(Divider)五部分構成。輸入參考時鐘fREF與壓控振蕩器分頻后的輸出信號fDIV經鑒頻鑒相器進行比較，控制電荷泵充放電，并經過環(huán)路低通濾波器轉變?yōu)殡妷盒盘?，調整壓控振蕩器的輸出頻率fVCO，形成一個相位域的負反饋結構。通過對相位的檢測和反饋控制，使鑒頻鑒相器的兩個輸入信號的相位差保持固定，頻率差為零，實現輸出頻率的可編程。環(huán)路鎖定后，壓控振蕩器的輸出頻率為參考信號頻率的整數倍，即fVCO=N×fREF。

針對頻率合成器中的5大模塊，可以分別在MATLAB的Simulink環(huán)境中建立它們的模型，如鑒頻鑒相器的輸出連接到電荷泵的輸入，鑒頻鑒相器的up和dn信號控制電荷泵充電電流和放電電流Iup和Idn的開斷。電荷泵的模塊連接圖如圖3(a)所示。從圖中可以看出電荷泵所用的模塊較少，結構也很簡單，只需要2個Gain和1個Substract模塊。分別將控制up和dn電流的增益模塊Gain參數設定為Up和Dn。然后創(chuàng)建電荷泵子模塊并進行封裝，Mask Editor的Parameters標簽的設定如圖3(b)所示。

其他模塊也可以采用Simulink自帶的模塊搭建而成，鑒頻鑒相器采用Simulink中帶復位的D觸發(fā)器和邏輯與非門構成；環(huán)路濾波器采用Simulink自帶的無源電阻、電容組成；壓控振蕩器采用電壓到相位的積分器，然后轉換成方波信號；分頻器采用Simulink的取模模塊和關系判斷模塊構成，總的頻率合成器模型如圖4所示。

圖1 無線通信收發(fā)機框圖

圖2 鎖相環(huán)頻率合成器框圖

圖3 頻率合成器中電荷泵的模型

圖4 頻率合成器模型 圖5 頻率合成器鎖定過程中壓控振蕩器的控制電壓波形

三、基于MATLAB模型的頻率合成器模擬

基于MATLAB的Simulink環(huán)境可以使用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行仿真，它也支持多速率系統，即系統中的不同部分可以具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI)，提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統的仿真結果?；贛ATLAB的Simulink仿真環(huán)境，對所建立的頻率合成器模型進行仿真，采用Simulink連續(xù)時間仿真器，其中仿真步長設置為變步長，仿真參考信號為10MHz，電荷泵電流設置為100uA，得到的頻率合成器鎖定過程中壓控振蕩器的控制電壓波形如圖5所示，控制電壓最終趨于穩(wěn)定，表明了頻率合成器最終輸出穩(wěn)定的本征信號，整個仿真過程不到一分鐘，而直接使用頻率合成器的電路進行仿真，需要花費幾天甚至幾個星期的時間，因此基于MATLAB模型的頻率合成器模擬可以極大的提高仿真效率。

四、結語

本文在論述頻率合成器的應用及MATLAB仿真平臺的基礎上，建立了頻率合成器的各模塊MATLAB模型，基于各個模塊的模型，搭建了整個頻率合成器的仿真模型，并基于MATLAB中的Simulink仿真環(huán)境對頻率合成器進行了模擬，表明基于MATLAB對頻率合成器進行模擬，可大大節(jié)省仿真時間。

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