通信原理实验模拟锁相环与载波同步.docx

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通信原理实验模拟锁相环与载波同步

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

学号

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平方器输出测试点，VP-P＞1V

VCOVCO输出信号测试点，VP-P＞0.2V

Ud鉴相器输出信号测试点

CAR-OUT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U23：

模拟乘法器MC1496；U24：

运放UA741

环路滤波器电阻R25、R68；电容C11

压控振荡器CRY2：

晶体；N3、N4：

三极管3DG6

放大整形N5、N6：

3DG6；U26:

A：

74HC04

÷2U27：

D触发器7474

移相器U28：

单稳态触发器7474

滤波器电感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用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uc（t）的作用下、uo（t）的相位向ui（t）的相位靠近。

设ui（t）=Uisin[ωit+θi（t）]，uo（t）=Uocos[ωit+θo（t）]，则ud（t）=Udsinθe（t），θe（t）=θi（t）-θo（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的压控灵敏度为Ko，则环路的数学模型如图3-4所示。

图3-4模拟环数学模型

当

时，

，令Kd=Ud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3-5所示。

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ui（t）是固定频率正弦信号（θi（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ωo（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ωi，此时θo（t）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Δωo=ωi-ωo为环路固有频差，Δωp表示环路的捕捉带，ΔωH表示环路的同步带，模拟锁相环中Δωp<ΔωH。

当|Δωo|<ΔωP时，环路可以进入锁定状态。

当|Δωo|<ΔωH时环路可以保持锁定状态。

当|Δωo|>ΔωP时，环路不能进入锁定状态，环路锁定后若Δωo发生变化使|Δωo|>ΔωH，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ωi>ωo，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θi（t）呈低通特性，即环路可以将θi（t）中的低频成分传递到输出端，θi（t）中的高频成分被环路滤除。

或者说，θo（t）中只含有θi（t）的低频成分，θi（t）中的高频成分变成了相位误差θe（t）。

所以当ui（t）是调角信号时，环路对ui（t）等效为一个带通滤波器，离ωi较远的频率成分将被环路滤掉。

环路自然谐振频率ωn及阻尼系数ζ（具体公式在下文中给出）是两个重要参数。

ωn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；ζ越大，环路稳定性越好。

当环路输入端有噪声时，θi（t）将发生抖动，ωn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

，

此信号中只含有直流和2ωc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，ωn、ζ、环路等效噪声带宽BL及等效带通滤波器的品质因数

的计算公式如下：

式中fo=4.433×106（HZ），等于载频的两倍。

设计环路时通过测量得到Kd、Ko，一般选ζ值为0.5~1，根据任务要求选定ωn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C34也会改变输出信号与输入信号的相位关系（为什么，请思考）。

可对相干载波的相位模糊作如下解释。

在数学上对cos2ωct进行除2运算的结果是cosωct或-cosωct。

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”。

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-OUT（AK）和调制2DPSK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ud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VCO信号频率）。

环路失锁时ud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ud，若ud为直流，则调节载波同步模块上的可变电容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-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。

接通电源后ud也可能是差拍信号，表示环路已处于失锁状态。

失锁时ud的最大值和最小值就是锁定状态下ud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。

（2）测量同步带与捕捉带

环路处于锁定状态后，慢慢增大C34，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），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。

令ΔV1=ud1-ud3，ΔV2=ud2-ud4，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ΔV1＞ΔV2。

设VCO的灵敏度为K0（HZ/V），则环路同步带ΔfH及捕捉带ΔfP分别为：

ΔfH=K0ΔV1/2，ΔfP=K0ΔV2/2。

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ΔfH=K0（ud1-6）或ΔfH=K0（6-ud3）、ΔfP=K0（ud2-6）或ΔfP=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）。

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ΔV1=ud1-ud3=2V，ΔV2=ud2-ud4=1.2V。

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ΔV1＞ΔV2。

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C34，使环路刚刚进入锁定状态后，关闭电源开关，然后再打开电源，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。

5.观察相干载波相位模糊现象

使环路锁定，用示波器同时观察调制单元的CAR和载波同步单元的CAR-OUT信号，反复断开、接通电源可以发现这两个信号有时同相、有时反相。

同相

反相

五、实验报告要求

1.总结锁相环锁定状态及失锁状态的特点。

1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。

2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=18HZ/V，根据实验结果计算环路同步带ΔfH及捕捉带ΔfP。

ΔV1=2V，则ΔfH=18×2=36Hz

ΔV2=1.2V，则ΔfP=18×1.2=21.6Hz

3.由公式

及

计算环路参数ωn和ζ，式中Kd=6V/rad，Ko=2π×18rad/s.v，R25=2×104，R68=5×103，C11=2.2×10-6F。

（fn=ωn/2π应远小于码速率，ζ应大于0.5）。

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。

设VCO固有振荡频率f0不变，环路输入信号频率可以改变，试拟订测量环路同步带及捕捉带的步骤。