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1、实验名称 模拟锁相环与载波同步学 院 信息科学与工程学院专业班级姓 名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. 了解相干载波相位模糊现象产生的原因。二、实验内容1. 观察模拟锁相环的锁定状态、失锁状态及捕捉过程。2. 观察环路的捕捉带和同步带。3. 用平方环法从2DPSK信号中提取载波同步信号，观察相位模糊现象。三、基本原理通信系统中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 实验系统的载波同步提取模块
2、用平方环，原理方框图如图3-1所示，电原理图如图3-2所示 （见附录）。模块内部使用+5V、+12V、-12V电压，所需的2DPSK输入信号已在实验电路板 上与数字调制单元2DPSK输出信号连在一起。图3-1 载波同步方框图本模块上有以下测试点及输入输出点： MU VCO Ud CAR-OUT平方器输出测试点，V 1VP-PVCO输出信号测试点，VP-P0. 2V 鉴相器输出信号测试点 相干载波信号输出点/测试点图3-1中各单元与电路板上主要元器件的对应关系如下： 平方器U25 :模拟乘法器MC1496 鉴相器 环路滤波器 压控振荡器 放大整形三2 移相器 滤波器U23:模拟乘法器MC1496
3、； U24：运放UA741 电阻R25、R68；电容C11CRY2：晶体；N3、N4：三极管 3DG6N5、N6:3DG6；U26:A:74HC04U27： D触发器7474U28:单稳态触发器7474电感L2；电容C30下面介绍模拟锁相环原理及平方环载波同步原理。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3-3所示。图3-3 锁相环方框图模拟锁相环中，PD是一个模拟乘法器，LF是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u (t)与u (t)之间的相位误差并进行运算形成误差电压u (t), iodLF用来滤除乘法器输出的高频分量(包括和
4、频及其他的高频噪声)形成控制电压口( t),在Cu (t)的作用下、u(t)的相位向u(t)的相位靠近。设u (t)=Usin3 t+ 0 (t), coiiiiiu (t)=Ucoss t+0 (t),贝u (t)二Usin0 (t) ,0 (t)=0 (t)-0 (t),故模拟锁相环的 o oi od d eeioPD是一个正弦PD。设u(t)=u(t)F(P), F(P)为LF的传输算子，VCO的压控灵敏度为K ,cdo贝环路的数学模型如图3-4所示。e(t)io (t)o图3-4 模拟环数学模型兀当p (t)| 7时，U sin0 (t)二U 0，令K=U为PD的线性化鉴相灵敏度、单位
5、为 1 e6deded d曲 F(P) I0o(t)oV/rad，则环路线性化数学模型如图3-5所示。0i(t)i图3-5 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U (t)是固定频率正弦信号(e (t)为常数)时，在环路的作用下，VCO输出信号频率ii可以由固有振荡频率3 (即环路无输入信号、环路对vc0无控制作用时VCO的振荡频率),o变化到输入信号频率3，此时e (t)也是一个常数，ud(t)、U (t)都为直流。我们称此为环iodc路的锁定状态。定义 3 =3 -3为环路固有频差， 3表示环路的捕捉带， 3表示环o i o p H路的同步带，模拟锁相环中3厶
6、3。当*3 |A 3时，环路可以进入锁定状态。当|p H o P 3 |A 3时，环路不能进入锁定状态，环路o H o P锁定后若厶3发生变化使| 3 |3，环路不能保持锁定状态。这两种情况下，环路都将o o H处于失锁状态。失锁状态下U( t)是一个上下不对称的差拍电压，当3 3，U (t)是上宽下 di o d窄的差拍电压；反之U(t)是一个下宽上窄的差拍电压。d环路对e (t)呈低通特性，即环路可以将e (t)中的低频成分传递到输出端，e (t)iii中的高频成分被环路滤除。或者说，e (t)中只含有e (t)的低频成分，e (t)中的高频成 oii分变成了相位误差e (t)。所以当u
7、(t)是调角信号时，环路对u (t)等效为一个带通滤波器， eii离3较远的频率成分将被环路滤掉。i环路自然谐振频率3及阻尼系数Z (具体公式在下文中给出)是两个重要参数。3越nn 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；z越大，环路稳定性越好。当环路输入端有噪声时，e (t)将发生抖动，3越小，环路滤除噪声的能力越强。in 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S 2 (t) = m 2 (t) cos 2 t = (1 + co
8、s 2 t )/2， cc此信号中只含有直流和23频率成分，理论上对此信号再进行隔直流和二分频处理就可得C 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，3、Z、环路
9、等效噪声带宽B及等效带通滤波器的品质因数Q的计算 nL公式如下：RC681132 n3BL =疋(1 + 必 2) K Kd ,(R + R )C电 256811式中f=4. 43 3X 106 （HZ）,等于载频的两倍。o设计环路时通过测量得到K、K, 一般选Z值为0.51,根据任务要求选定s后即可求 d o n 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U2
10、8: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C也会改变输出信号与输入信号的相位关系（为什么，请思考）。34可对相干载波的相位模糊作如下解释。在数学上对cos2s t进行除2运算的结果是coscs t或-COS3 to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 CC态可以为“0”也可以是To四、 实验步骤本实验使用数字信源单元、数字调制单元和载波同步单元。1熟悉载波同步单元的工作原理。接好电源线，打开实验箱电源开关。2. 检查要用到的数字信源单元和数字调制单元是否工作正常（用示波器观察信源 NRZ-0UT（AK）和调制2D
11、PSK信号有无，两者逻辑关系正确与否）3. 用示波器观察载波同步模块锁相环的锁定状态、失锁状态，测量环路的同步带、捕 捉带。环路锁定时u为直流、环路输入信号频率等于反馈信号频率（此锁相环中即等于VC0d信号频率）环路失锁时u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 d输入信号频率等于2DPSK载频的两倍，即等于调制单元CAR信号频率的两倍。环路锁定时 VCO信号频率等于CAR-OUT信号频率的两倍。所以环路锁定时调制单元的CAR和载波同步单 元的CAR-OUT频率完全相等。根据上述特点可判断环路的工作状态，具体实验步骤如下：（1）观察锁定状态与失锁状态打开电源后用示波器观察u,
12、若u为直流，则调节载波同步模块上的可变电容C，udd34 d随C减小而减小，随C增大而增大（为什么？请思考），这说明环路处于锁定状态。用示3434波器同时观察调制单元的CAR和载波同步单元的CAR-OUT，可以看到两个信号频率相等。若 有频率计则可分别测量CAR和CAR-0UT频率。在锁定状态下，向某一方向变化C，可使u34d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。接通电源后u也可能是差拍信号，表示环路已处于失锁状态。失锁时u的最大值和最dd小值就是锁定状态下u的变化范围（对应于环路的同步范围）。环路处于失锁状态时，CAR d和CAR-OUT频率不相等。调节
13、C使u的差拍频率降低，当频率降低到某一程度时u会突然34dd变成直流，环路由失锁状态变为锁定状态。2）测量同步带与捕捉带环路处于锁定状态后，慢慢增大C，使u增大到锁定状态下的最大值u (此值不大于34 d d1+12V)；继续增大C，u变为交流(上宽下窄的周期信号)，环路失锁。再反向调节减小C，34 d 34u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 d状态时鉴相器输出电压为u ；继续减小C，使u减小到锁定状态下的最小值u ；再继续减d2 34 d d3小C，u变为交流(下宽上窄的周期信号)，环路再次失锁。然后反向增大C，记环路刚刚34 d 34由失锁状态
14、进入锁定状态时鉴相器输出电压为u。d4令AV=u-u，AV=u- u,它们分别为同步范围内及捕捉范围内环路控制电压的变1 d1 d3 2 d2 d4化范围，可以发现AVxAV2o设VCO的灵敏度为K/HZ/V),贝9环路同步带AAH及捕捉带A/ 分别为：Af =K A V/2，Af =K A V/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C时环路34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Af二K0(ud-6)或人/=屯(6-3)、 Af =K0(ud2-6) 或 Af =K0(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)o锁定状态下的最大值ud1=4V由失锁状态进入锁定状态时的 ud2=3.6V锁定状态下的最小值 ud3=2V由失锁状态进入锁定状态时的ud2=2.4V结论：令AV=u - u =2V ,AV =u - u =1.2V。它们分别为同步范围内及捕捉范围内环路控 1 d1 d32 d2 d4制电压的变化范围，可以发现AVAV。环路失锁状态出现的“上宽下窄”的周期信号环路失锁时出现的正弦信号4. 观察环路的捕捉过程先使环路处于失锁定状态，慢慢调节c，使环路刚刚进入锁定状态后，关闭电源开关， 34然后再打开电源，用示波器观察U,可以发现u由差拍信号变
