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 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。
2、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。平 方 鉴 相 器 环 路 滤 波 器 压 控 振 荡 器放 大整 形 2移 相器 滤 波器VCO CAR-OUTMUUd2DPSK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，V P-P1V VCO VCO 输出信号测试点，V P-P0.2V 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、 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 2 U27：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。uc(t)PDLF VCOu
4、o(t)ui(t) ud(t)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、u o(t)的相位向 ui(t)的相位靠近。设 ui(t)=Uisin it+ i(t)，uo(t)=Uocos it+ o(t)，则 ud(t)=Udsin e(t)， e(t)= i(t)- o(t)，故模拟锁相环的 PD 是一个正弦 PD。设
5、uc(t)=ud(t)F(P)，F(P)为 LF 的传输算子，VCO 的压控灵敏度为 K o，则环路的数学模型如图 3-4 所示。+Udsin( ) F(P) Koi(t) e(t) uc(t) o(t)ud(t)-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6)(te ededt)(sinV/rad，则环路线性化数学模型如图 3-5 所示。+Kd F(P) oi(t) e(t) o(t)-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( i(t)为常数)时，在环路的作用下，VCO 输
6、出信号频率可以由固有振荡频率 o（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 o(t)也是一个常数，u d(t)、u c(t)都为直流。我们称此为环路的锁定状态。定义 o= i- o为环路固有频差， p表示环路的捕捉带， H表示环路的同步带，模拟锁相环中 p P时，环路不能进入锁定状态，环路锁定后若 o发生变化使| o| H，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 i o，u d(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 i(t)
7、呈低通特性，即环路可以将 i(t)中的低频成分传递到输出端， i(t)中的高频成分被环路滤除。或者说， o(t)中只含有 i(t)的低频成分， i(t)中的高频成分变成了相位误差 e(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 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， i(t)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
8、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/)cos1(cos)(22 tttmtS此信号中只含有直流和 2 c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
9、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 的计Q算公式如下：LnLndn BfQBCRCRK o216816825o ,)41(8,2,)( 式中 fo=4.433106（HZ ） ，等于载频的两倍。设计环路时通过测量得到 Kd、K o，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 U2
10、8: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 cos2 ct 进行除 2 运算的结果是cos ct 或-cos ct。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
11、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
12、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，u d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
13、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，u d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，u d的频率逐渐变低，不对称程度越来越大，直至变为直流。记
14、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，u d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 V 1=ud1- ud3，V 2=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 V 1V 2。设 VCO 的灵敏度为 K0(HZ/V)，则环路同步带 f H及捕捉带 f P分别为：f H =K0V 1/2 ，f P =K0V 2/2 。应说明的是，由于 VCO 是晶体压控振荡器，它的
15、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 f H =K0(ud1-6）或 f H =K0(6-ud3） 、f P =K0(ud2-6）或 f P =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 V 1=ud1- ud3=2V，V 2=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 V 1V 2。环路
16、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。u d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。 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
17、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 f H及捕捉带 f P 。V1=2V ，则fH =182=36HzV2=1.2V ，则fP =181.2=21.6Hz3. 由公式 及 计算环路参数 n和 ，式中 16825o)(CRKdnn2168Kd=6 V/rad，K o=218 rad/s.v，R 25=2104 ，R 68=5103 ，C 11=2.210-6 F 。 （f n= n/2 应远小于码速率， 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。
