基于Matlab的数字锁相环的仿真设计文档格式.doc
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1 引言
1932年法国的H.deBellescize提出同步捡波的理论,首次公开发表了对锁相环路的描述。
到1947年,锁相环路第一次应用于电视接收机的水平和垂直扫描的同步。
到70年代,随着集成电路技术的发展,逐渐出现集成的环路部件、通用单片集成锁相环路以及多种专用集成锁相环路,锁相环路逐渐变成了一个成本低、使用简便的多功能组件,为锁相技术在更广泛的领域应用提供了条件。
锁相环独特的优良性能使其得到了广泛的应用,其被普遍应用于调制解调、频率合成、电视机彩色副载波提取、FM立体声解码等。
随着数字技术的发展,相应出现了各种数字锁相环,它们在数字信号传输的载波同步、位同步、相干解调等方面发挥了重要的作用。
而Matlab强大的数据处理和图形显示功能以及简单易学的语言形式使Matlab在工程领域得到了非常广泛的应用,特别是在系统建模与仿真方面,Matlab已成为应用最广泛的动态系统仿真软件。
利用MATLAB建模可以快速地对锁相环进行仿真进而缩短开发时间。
1.1 选题背景与意义
Matlab是英文MATrixLABoratory(矩阵实验室)的缩写。
1980年,时任美国新墨西哥大学计算机系主任的CleveMoler教授在给学生讲授线性代数课程时,为使学生从繁重的数值计算中解放出来,用FORTRAN语言为学生编写了方便使用Linpack和Eispack的接口程序并命名为MATLAB,这便是MATLAB的雏形。
经过几年的校际流传,在JohnLittle的推动下,由JohnLittle、CleveMoler和SteveBangert合作,于1984年成立了MathWorks公司,并正式推出MATLAB第一版。
以后,MATLAB版本不断更新,内容不断扩充,功能也越来越强大,并以其强大的扩展功能为其在各个领域的应用提供了基础。
如今各个领域的专家学者相继推出了Matlab工具箱,其中主要有信号处理(signalprocessing)、控制系统(controlsystem)、神经网络(neuralnetwork)、图形处理(imageprocessing)、鲁棒控制(robustcontrol)、非线性系统控制设计(nonlinearcontrolsystemdisign)、系统辨识(sysidentification)、最优化(optimisation)、μ分析与综合(μanalysisandsynthesis)、模糊逻辑(fuzzylogic)、小波(wavelet)、样条(spline)等工具箱、而且工具箱还在不断增加。
这些工具箱给各个领域的研究和工程应用提供了有力的工具、借助于这些“巨人肩上的工具”,各个层次的研究人员可直观、方便地进行分析、计算及设计工作。
Simulink是Matlab的重要组成部分,它是MathWorks公司于20世纪90年代开发的产品,是Matlab环境下对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包。
它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统,也支持具有多种采样频率的系统,Simulink包含有Sinks(输入方式)、Source(输入源)、Linear(线性环节)、Nonlinear(非线性环节)、Connections(连接与接口)和Extra(其他环节)子模型库,而且每个子模型库中包含有相应的功能模块,且用户可以定制和创建用户自己的模块。
在该软件环境下,用户可以在屏幕上调用现成的模块,并将它们适当连接起来以构成系统的模型,即所谓的可视化建模。
建模以后,以该模型为对象运行simulink中的仿真程序,可以对模型进行仿真,并可以随时观察仿真结果和干预仿真过程。
Simulink由于功能强大、使用简单方便,已成为应用最为广泛的动态系统仿真软件。
锁相环是继IC之后出现的新技术,其历史很悠久。
锁相环的方案是与负反馈放大器同时提出的。
在锁相环出现以前,几乎所有的无线接收机中都采用超外差方式。
超外差接收方式是由E.H.Armstrong于1918年发明的,接收机接收来的电波信号与接收机内部振荡器产生的信号进行混频,从而得到较低频率的信号,即中频信号。
再对中频信号进行检波与放大,然后驱动扬声器发声。
这就构成了高灵敏度而频率选择性优良的接收机。
然而,由于超外差接收机是由本振、混频、中频、放大器、检波器等组成的,其构成很复杂,而且,本振需要使用频率漂移非常小的振荡器。
1932年,法国的H.deBellescize提出采用PLL电路作为新的无线接收方式替代超外差方式,并发表了相关论文。
当时不使用PLL术语,而称为Synchrodyne(同步接收机)。
它是使内部振荡器与接收的电波信号同步振荡,为此,原理上内部振荡器不会产生频率漂移,电路构成也比较简单。
20世纪50年代,电视机实用化,电视机的垂直与水平同步电路广泛采用PLL电路。
然而,当时还没有称之为PLL电路,而是根据其功能称为AF(AutomaticFrequencyControl,自动频率控制)。
但是,由于技术上的复杂性以及较高的成本,锁相环的应用并没有得到普及,应用锁相电路的领域主要在航天方面,包括轨道卫星的测速定轨和深空探测,性能要求较高的精密测量仪器和通信设备有时也用到它。
到70年代,随着集成电路技术的发展,逐渐出现集成的环路部件、通用单片集成锁相环路以及多种专用集成锁相环路,锁相环路逐渐变成了一个成本低、使用简便的多功能组件,这为锁相技术在更广泛的领域应用提供了条件。
随着数字技术的发展,相应出现了各种数字锁相环,它们在数字信号传输的载波同步、位同步、相干解调等方面发挥了重要的作用。
近几年数字电路技术迅猛发展,尤其是大规模集成电路及微处理机的广泛应用,使得通信与控制方面一些复杂的、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、体积小、价格低等优点,人们在发展模拟锁相环的同时,亦致力于发展数字锁相环。
数字锁相环除具有数字电路的优点外,还解决了若干模拟环遇到的难题,如直流零点漂移、部件饱和、必须进行初始校准等。
这些都表明,数字锁相环的发展是必然的。
因而对数字锁相环的研究具有非常现实的意义。
第一章 锁相环的原理(模拟锁相环)
2方案介绍
锁相环是一个相位负反馈控制系统,它主要由三部分组成,分别是鉴相鉴频器(PFD)、环路滤波器(LF)和电压控制器(VCO)。
其中鉴相鉴频器的作用是完成相位的比较,用来比较输入信号和基准信号之间的相位。
它的输出电压正比于两个输入信号之间的相位差;
环路滤波器(LF)是个线性电路,其作用是滤除鉴相器输出电压中的高频分量,起平滑滤波的作用.通常由电阻、电容或电感等组成,有时也包含运算放大器。
压控振荡器(VCO),振荡频率受控制电压控制的振荡器,而振荡频率与控制电压之间成线性关系。
在PLL中,压控振荡器实际上是把控制电压转换为相位。
在此仿真模型中,我们基于频率合成的原理,在Simulink中用模块搭建了锁相环的仿真模型。
如下图1所示:
图1 锁相环的仿真模型
其电路结构主要包括鉴相鉴频器(PFD)、低通滤波器(LPF)、压控振荡器(VCO)和分频器四部份。
环路中使用了模拟的巴特沃斯低通滤波器和模拟的压控振荡器,在压控振荡器的输出端采用一个转换器把模拟信号转换成方波信号。
其中脉冲发生器PulseGenerator产生幅值为1,占空比为50%,相位延迟为0,参考频率为=30MHz的方波信号。
经过M=3的分频器,变成10MHz的信号,送到鉴相器的参考信号输入端。
在鉴相鉴频器中与压控振荡器经过N=10的分频器分频后的反馈信号比较相位误差,误差信号经过低通滤波器滤除其中的高频分量后送入压控振荡器,压控振荡器在误差信号的的控制下输出振荡信号。
3模型的建立
在锁相环路中,鉴相器起着关键的作用,它检测出参考信号与反馈信号之间的误差信号,是一个具有抽样性质的电路。
当PFD检测到参考信号和反馈信号均有一次下降沿时,PFD输出一次相位误差。
随后的相位误差被送入低通滤波器,低通滤波器滤除其中的高频信号,计算出控制信号送入压控振荡器,压控振荡器根据控制信号输出合成信号。
合成信号经过分频器分频后,反馈到PFD,与参考信号比较相位误差。
可以看出,锁相环这个闭环系统状态的变化依赖于PFD输出的相位误差。
相位误差输出一次,锁相环状态改变一次;
PFD不输出相位误差,锁相环里的所有信号均不改变状态。
根据上面的分析,可以将仿真过程分为两个过程:
1)计算PFD输出的相位误差;
2)根据相位误差,计算锁相环里各个模块的状态。
下面根据算法顺序,依次介绍各个模块模型的建立。
3.1 鉴相临频器(PFD)
锁相环中的鉴相器又称相位检波器或相敏检波器,它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差,并将检测出的相位差信号转换成电压信号输出,该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压,对振荡器输出信号的频率实施控制。
对输入信号与环路输出信号的相位进行比较,产生误差控制电压,鉴相电路通常可以分为模拟电路型和数字电路型两大类。
而在集成电路系统中,常用的电路有乘积型鉴相和门电路鉴相。
鉴相器除了用于解调调相波外,还可构成鉴频电路。
特别是在锁相环路中作为主要部分得到了广泛的应用。
在此模拟锁相环的模型中,鉴相器用一个XOR异或门来实现,因为两路二进制方波异或的结果,只有完全相同才有0输出,丝毫的差异就有非0的输出,差别愈大,输出的1的个数愈多。
异或门的真值表如下图3所示
AB
输出
00
01
10
11
1
图4 (0-低电平;
1-高电平)
在MATLAB中我们搭建了鉴相器的仿真模型,如图4所示
图4 鉴相器的仿真模型
脉冲发生器A产生频率为=1Hz,脉冲宽度为50%,相位延迟为0的方波信号;
脉冲发生器B产生频率为=2Hz,脉冲宽度为50%,相位延迟为0的方波信号;
经过异或门之后到达示波器。
其仿真结果如下图5所示:
图5 鉴相器的仿真波形
由仿真结果可见只有在两列方波完全相同的情况下才有0输出,只要一有差异,鉴相器就会有高电平1输出。
符合鉴相器特性要求。
3.2 环路低通滤波器(LPF)
在锁相环路中,环路滤波器的设计是决定锁相环路特性的重要问题。
参考信号和压控振荡器的反馈信号经过鉴相器的检测输出相