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1、实验三模拟锁相环与载波同步一、实验目的1. 掌握模拟锁相环的工作原理，以及环路的锁定状态、 失锁状态、同步带、捕捉带等基本概念。2.掌握用平方环法从 2DPSK 信号中提取相干载波的原理及模拟锁相环的设计方法。3. 了解 2DPSK 相干载波相位模糊现象产生的原因。二、实验原理通信系统常用平方环或同相正交环（科斯塔斯环）从2DPSK 信号中提取相干载波。本实验使用平方环提取想干载波，其载波同步原理方框图如图 l 所示。图 1 载波同步方框图锁相环由鉴相器（PD ）、环路滤波器（ LF）、及压控振荡器（VCO ）组成，如图 2所示。图2 锁相环方框图模拟锁相环中， PD是一个模拟乘法器，LF 是
2、一个有源或无源低通滤波器。锁相环路是一个相位负反 馈系统， PD检测 ui(t)与 uo(t)之间的相位误差并进行运算形成误差电压ud(t), LF 来滤除乘法器输出的高频分量（包括和频及其他的高频噪声）形成控制电压uc(t)，在 uo(t)的作用下、 uo(t)的相位向 ui(t)的相位靠近 。 设ui(t)=U i sinit+ i(t) ， uo(t)=U o sin ot+ o(t) ， 则 ud(t) =Udsine(t)， e(t) =i(t)- o(t)，故模拟锁相环的PD 是一个正弦 PD。设 uc(t)= ud(t)F(P)，F （P）为LF 的传输算子， VCO 的压控灵敏
3、度为K，则环路的数学模型如图 3 所示。图 3 模拟环数学模型当 6)(te时，Udsin)(tcUde，令ddUK为 PD的线性化鉴相灵敏度、单位为V/rad ，则环路线性化数学模型如图4 所示。图 4 环路线性化数学模型由上述数学模型进行数学分析，可得到以下重要结论：当 ui(t)是固定频率正弦信号（i(t) 为常数）时，在环路的作用下，VCO输出信号频率可以由固有振荡频率0（即环路无输入信号、 环路对 VCO 无控制作用时VCO 的振荡频率） ，变化到输入信号频率i，此时)(to也是一个常数，ud（t ） 、uc(t)都为直流。我们称此为环路的锁定状态。 定义oio为环路固有频差，p表示
4、环路的捕招带，H表示环路的同步带，模拟锁相环中pH。当op时 , 环始可以进入锁定状态。当oH时环路可以保持锁定状态当op时，环路不能进入锁定状态， 环路锁定后若o发生变化使oH， 环路不能保持锁定状态。这两种情况下，环路都将处于失锁状态。失锁状态下ud(t)是一个上下不对称的差拍电压，当io，ud (t) 是上宽下窄的差拍电压：反之ud(t) 是一个下宽上窄的差拍电压。 环路对)(ti呈低通特性，即环路可以将)(ti中的低频成分传递到输出端，)(ti中的高频成分被环路滤除。或者说，)(to中只含有)(ti的低频成份，)(ti中的高频成分变成了相位误差)(te。所以当ui(t)是调角信号时,
5、环路对 ui （t ）等效为一个带通滤波器，离i较远的频率成分将被环路滤掉。 环路自然谐振频率n及阻尼系数（具体公式在下文中给出）是两个重要参数n越小，环路的低通特性截止频率越小、等效带通滤波器的带宽越窄；越大，环路稳定性越好。 当环路输入端有噪声时，)(ti将发生抖动，n越小，环路滤除噪声的能力越强。实验一中的电荷泵锁相环4046 的性能与模拟环相似，所以它可以将一个周期不恒定的信号变为一个等周期信号。有关锁相环理论的详细论述，请读者参阅文献 3 。对 2DPSK 信号进行平方处理后得2/)2cos1(cos222tttmtScc此信号中只含有直流和2c频率成分理论上对此信号再进行隔直流和二
6、分频处理就可得到相干载波。 锁相环似乎是多余的，当然并非如此。 实际工程中考虑到下述问题必须用锁相环： 平方电路不理想，其输出信号幅度随数字基带信号变化，不是一个标准的二倍频正弦信号。即平方电路输出信号频谱中还有其它频率成分，必须滤除。 接收机收到的2DPSK信号中含有噪声（本实验系统为理想信道，无噪声），因而平方电路输出信号中也含有噪声，必须用一个窄带滤波器滤除噪声。 锁相环对输入电压信号和噪声相当于一个带通滤波器，我们可以选择适当的环路参数使带通滤波器带宽足够小。对于本模拟环，n环路等效噪声带宽BL及等效带通滤波器的品质因数Q的计算公式如下：1168250 )(CRRKKdn，nCR211
7、68， BL=)41(82n， Q LBf0式中fo=4.433 x 106(HZ) ，等于载频的两倍。设一环路时通过测量得到Kd、K0，一般选值为 0.51 ，根据任务要求选定n后即可求得环路滤波器的元件值。当固有频差为 0 时，模拟环输出信号的相位超前输入相位90。必须对除 2 电路输出信号进行移相才能得到相干载波。移相电路由两个单稳态触发器U28：A 和 U28：B 构成。 U28：A 被设置为上升沿触发， U28 ：B为下降沿触发，故改变U28 ：A输出信号的宽度即可改变U28：B输出信号的相位，从而改变相干载波的相位。此移相电路的移相范围小于90，在锁定状态下微调 CR34也会改变输
8、出信号与输入信号的相位关系。可对相干载波的相位模糊作如下解释。在数学上对可对相干载波的相位模糊作如下解释。在数学上对tc2cos进行除 2 运算的结果是costc或 -costc。实际电路也决定了相干载波可能有两个相反的相位，因二分频器的初始状态可以为“0”也可以是“1“。三、实验内容本实验使用数字信源、数字调制及载波同步三个模块。1熟悉上述三个模块的工作原理，直流稳压电源输出5V、+12V、-12V 电压。 +5V 电压从数字信源模块输入、12V 电压从载波同步模块输入，-12V 电源从数字解调模块输入，再将信源模块上的5V电源连接到载波同步模块。2将信源模块的BS-OUT 、NRZ-OUT
9、 分别连接到数字调制模块的BS-IN 和 NRZ-IN，再将调制模块的2DPSK-OUT 连接到载波同步模块的2DPSK-IN。用示波器观察2DPSK-OUT 是否正常。CH1 AK CH2 DPSK图 5 信源模块与调制模块工作正常3用示波器观察锁柜环的锁定状态、失锁状态测量环路的同步带捕捉带。环路锁定时 ud为直流、环路输入信号频率等于反馈信号频率（此环中即为 VCO信号频率） 。环路失锁时ud已为差拍电压，环路输入信号频率与反馈信号频率不相等。本环路输入信号频率等于2DPSK 载频的两倍即为数字调制单元 CAR 信号频率的两倍。环路锁定时 VCO 信号频率等于CAP-OUT 信号频率的两
10、倍。所以环路锁定时 CAR 和 CAR-OUT频率相等。根据上述特点可判断环路的土作状态，具体实验步骤如下：( l ) 观察锁定状态与失锁状态接通电源后用示波器观察ud，若 ud为直流，则调节载彼同步模块上的可就电容 C34，ud随 C34减小而减小，随 C34增大而增大（为什么？请思考），这说明环路处于锁定状态用示波器同时观察以 CAR 和 CAR-OUT ， 可以看到两个信号频率相等。也可以用频率计分别测量CAR 和 CAR -OUT频率。在锁定状态下，向某一方向变化 C34，可使 ud由直流变为交流，CAR和 CAR-OUT 频率不再相等，环路由锁定状态变为失锁。失锁状态如图6 所示。图
11、 6 失锁状态Ud、CAR 和 CAR-OUT 信号波形接通电源后 ud也可能是差拍信号，表示环路己处于失锁状态。失锁时 ud的最大值和最小值就是锁定状态ud的变化范围（对应于环路的同步范用）。环路处于失锁状态时， CAR 和 CAR-OUT 频率不相等。 调节 C34使 ud的差拍频率降低，当频率降低到某一程度时ud会突然变成直流，环路由失锁状态变为锁定状态。锁定状态如图7 所示。图 7 锁定状态Ud、CAR 和 CAR-OUT 信号波形CH1 CAR CH2 CARoutCH2 UdCH1 CAR CH2 CARoutCH1 Ud( 2 ) 测量同步带与捕捉带环路处于锁定状态后，慢慢增大C
12、34，使 ud增大到锁定状态下的最大值ud1 , （此值不大于 12V ) ：继续增大C34 , ud变为交流（上宽下窄的周期信号），环路失锁。再反向调节减小C34， ud的频率逐渐变低，不对称程度越来越大，直至变为直流。记环路刚刚由失锁状态进入锁定状态时鉴相器输出电压为 ud2；继续减小C34，使 ud减小到锁定状态下的最小值 ud3；再继续减小C34，ud变为交流（下宽上窄的周期信号，如图8 所示） ，环路再次失锁。然后反向增大C34，记环路刚刚由失锁状态进入锁定状态时鉴相器输出电压为ud4。图 8 环路锁定、失锁等关键状态Ud 信号令Vl = ud - ud3，V2= ud2一 ud4，
13、它们分别为同步范围内及捕捉范围内环路控制电压的变化范围，可以发现V1V2 。设 VCO 的灵敏度为 K0（HZ / V ) ，则环路同步带fH及捕捉带fP弄分别为：fH= K0Vl / 2 ，fP= K0V2 / 2 应说明的是，由于VCO 是晶体压控振荡器，它的频率变化范围比较小，调节 C34时环路可能只能从一个方向由锁定状态变化到失锁状态，此时可用fH=K0 (ud1-6 ）或fH=K0（6-ud3） 、fP=K0（ud2-6）或fPK0(6-ud4) 来计算同步带和捕捉带，式中6 为 ud变化范围的中值（单位 :V） 。作上述观察时应注意： ud差拍频率低但幅度大，而 CAR 和 CAR
14、 - OUT 的频率高但幅度很小，用示波器观察这些信号时应注意幅度旋钮和频率旋钮的调整。 失锁时， CAR和 CAR -OUT频率不相等，但当频差较大时，在鉴相器输出端电容的作用下， ud幅度较小。此时向某一万向改变C34，可使 ud幅度逐步变大、频率逐步减小、最后变为直流，环路进入锁定状态。 环路锁定时， ud不是一个纯净的直流信号，在直流电平上叠加有一个很小的交流信号。这种现象是由于环路输人信号不是一个纯净的正弦信号造成的。CH2 Ud Ud1=9.6VCH2 Ud Ud2=8.0VUd3=3.2VCH2 Ud Ud4=4.2V4、观察环路的捕捉过程先使环路处于失锁定状态，慢慢调节C34，
15、使环路刚刚进入锁定状态后断开+12V 电流，再接通 +12V 电源，用示波器观察ud，可以发现ud由差拍信号变为直流的变化瞬态过程。ud的这种变化表示了环路的捕捉过程。图 9 Ud 由差拍信号变为直流的变化瞬态5、观察相干载波相位模糊现象使环路锁定，用示波器同时观察 CAR 和 CAR -OUT ，调节电位器 P1，或微调电容C34，使两者成为反相或同相。反复断开、接通+12V 电源可以发现这两个信号有时同相、有时反相。图 10 同相与反相的 CAR 和 CAR-OUT 信号CH1 CAR CH2 CARout 同相CH1 CAR CH2 CARout 反相四实验思考题1. 总结锁相环锁定状态
16、及失锁状态的特点。模拟环锁定状态的特点：输入信号频率与反馈信号频率相等，鉴相器输出电压为直流。模拟环失锁状态的特点：鉴相器输出电压为不对称的差拍电压。2. 设 K0 =18 HZ/V ，根据实验结果计算环路同步带fH及捕捉带fP 。V1=12V ，则fH =18 6=108Hz V2=8V ，则fP =18 4=72Hz 3. 由公式田1168250 )(CRRKKd n及nCR21168计算环路参数n和， 式中 Kd =6.5V/ rad , K0= 218 rad / s.v ， R25= 2104，R68=3102，C11=6102.2F 。 (fn=n/2应远小于码速率，应大于 0.5 ） 。n =78.93rad/s =0.174 4. 总结用平方环提取相干载波的原理及相位模糊现象产生的原因。平方运算输出信号中含有2fC 离散谱，模拟环输出信号频率等于2fC，二分频，滤波 后得到相干载波。电路有两个初始状态，导致提取的相干载波有两
