劉小平課程設(shè)計(jì)報(bào)告.doc

湖南文理學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱： 專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì) 系 部： 電氣與信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 通信工程07101 學(xué)生姓名： 劉小平 （200716020120）指導(dǎo)教師： 侯清蓮 完成時(shí)間： 2010-6-29 報(bào)告成績： 評(píng)閱意見：評(píng)閱教師 日期 數(shù)字鎖相法提取位同步信號(hào)設(shè)計(jì)報(bào)告數(shù)字鎖相法提取位同步信號(hào)設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)要求 在任何形式的數(shù)字通信系統(tǒng)中，位同步都是必不可少的，無論數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)還是數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)，無論相干解調(diào)還是非相干解調(diào)，都必須完成位同步信號(hào)的提取，因此，位同步信號(hào)的穩(wěn)定性直接影響到整個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)的工作性能。根據(jù)通信原理所學(xué)理論，設(shè)計(jì)用平方環(huán)法從2DPSK信號(hào)中提取載波同步信號(hào)，并注意相位模糊現(xiàn)象，給出電路結(jié)構(gòu)框圖，并完成電路設(shè)計(jì)、仿真與調(diào)試。熟練地運(yùn)用通信理論，進(jìn)行數(shù)字基帶信號(hào)、 數(shù)字信號(hào)頻帶傳輸系統(tǒng)、PCM 通信系統(tǒng)和同步系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行通信系統(tǒng)建模。二、設(shè)計(jì)作用目的（1） 鞏固加深載波恢復(fù)的認(rèn)識(shí)，提高綜合運(yùn)用通信原理等知識(shí)的能力；（2） 培養(yǎng)學(xué)生查閱參考文獻(xiàn)，獨(dú)立思考、設(shè)計(jì)、鉆研電子技術(shù)相關(guān)問題的能力；（3） 通過實(shí)際制作安裝電子線路，學(xué)會(huì)單元電路以及整機(jī)電路的調(diào)試與分析方法；（4） 掌握相關(guān)電子線路工程技術(shù)規(guī)范以及常規(guī)電子元器件的性能技術(shù)指標(biāo)；（5） 了解電氣圖國家標(biāo)準(zhǔn)以及電氣制圖國家標(biāo)準(zhǔn)，并利用電子CAD正確繪制電路圖；（6） 培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)與科學(xué)態(tài)度，建立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ碳夹g(shù)觀念；（7） 培養(yǎng)工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合設(shè)計(jì)能力。三、所用儀器設(shè)備計(jì)算機(jī) Matlab操作平臺(tái)四、設(shè)計(jì)原理4.1 電路分析位同步也稱為位定時(shí)恢復(fù)或碼元同步。在任何形式的數(shù)字通信系統(tǒng)中，位同步都是必不可少的，無論數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)還是數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)，無論相干解調(diào)還是非相干解調(diào)，都必須完成位同步信號(hào)的提取，即從接收信號(hào)中設(shè)法恢復(fù)出與發(fā)端頻率相同的碼元時(shí)鐘信號(hào)，保證解調(diào)時(shí)在最佳時(shí)刻進(jìn)行抽樣判決，以消除噪聲干擾所導(dǎo)致的解調(diào)接收信號(hào)的失真，使接收端能以較低的錯(cuò)誤概率恢復(fù)出被傳輸?shù)臄?shù)字信息。因此，位同步信號(hào)的穩(wěn)定性直接影響到整個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)的工作性能。位同步的實(shí)現(xiàn)方法分為外同步法和自同步法兩類。由于目前的數(shù)字通信系統(tǒng)廣泛采用自同步法來實(shí)現(xiàn)位同步，故在此僅對(duì)位同步中的自同步法進(jìn)行介紹。采用自同步法實(shí)現(xiàn)位同步首先會(huì)涉及兩個(gè)問題：（1）如果數(shù)字基帶信號(hào)中確實(shí)含有位同步信息，即信號(hào)功率譜中含有位同步離散譜，就可以直接用基本鎖相環(huán)提取出位同步信號(hào)，供抽樣判決使用；（2）如果數(shù)字基帶信號(hào)功率譜中并不含有位定時(shí)離散譜，怎樣才能獲得位同步信號(hào)。數(shù)字基帶信號(hào)本身是否含有位同步信息與其碼型有密切關(guān)系。應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，無論數(shù)字基帶信號(hào)的碼型如何，數(shù)字已調(diào)波本身一般不含有位同步信息，因?yàn)橐颜{(diào)波的載波頻率通常要比基帶碼元速率高得多，位同步頻率分量不會(huì)落在數(shù)字已調(diào)波頻帶之內(nèi)，通常都是從判決前的基帶解調(diào)信號(hào)中提取位同步信息。二進(jìn)制基帶信號(hào)中的位同步離散譜分量是否存在，取決于二進(jìn)制基帶矩形脈沖信號(hào)的占空比。若單極性二進(jìn)制矩形脈沖信號(hào)的碼元周期為Ts，脈沖寬度為，則NRZ碼的 Ts，則NRZ碼除直流分量外不存在離散譜分量，即沒有位同步離散譜分量1/Ts；RZ碼的滿足0Ts，且通常占空比為50，此時(shí)的RZ碼含有n為奇數(shù)的n/ Ts離散譜分量，無n為偶數(shù)的離散譜分量，這就是說，RZ碼含有位同步離散譜分量。顯然，為了能從解調(diào)后的基帶信號(hào)中獲取位同步信息，可以采取兩種措施：（1）如原始數(shù)字基帶碼為NRZ碼，若傳輸信道帶寬允許，可將NRZ碼變換為RZ碼后進(jìn)行解調(diào)；（2）如調(diào)制時(shí)基帶碼采用NRZ碼，就必須在接收端對(duì)解調(diào)出的基帶信號(hào)進(jìn)行碼變換，即將NRZ碼變換成RZ碼，碼變換過程實(shí)質(zhì)上是信號(hào)的非線性變換過程，最后再用鎖相環(huán)（通常為數(shù)字鎖相環(huán)）提取出位同步信號(hào)離散譜分量。將NRZ碼變?yōu)镽Z碼的最簡單的辦法是對(duì)解調(diào)出的基帶NRZ碼進(jìn)行微分、整流，即可得到歸零窄脈沖碼序列。x圖1 數(shù)字鎖相環(huán)組成原理框圖下面簡單介紹一下數(shù)字鎖相環(huán)的組成原理。數(shù)字鎖相環(huán)的主要特點(diǎn)是鑒相信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，鑒相輸出也是數(shù)字信號(hào)，即環(huán)路誤差電壓是量化的，沒有模擬環(huán)路濾波器。由于數(shù)字鎖相環(huán)的輸入是經(jīng)過微分和全波整流后的信號(hào)，故這種數(shù)字鎖相環(huán)也稱為微分整流型數(shù)字鎖相環(huán)，其原理框圖如圖1所示。該電路由碼型變換器、鑒相器、控制調(diào)節(jié)器組成，各部分的作用如下： 碼型變換器完成解調(diào)出的基帶NRZ碼到RZ碼的變換，使鑒相輸入信號(hào)X含有位同步離散譜分量。 鑒相器用于檢測信號(hào)X與輸出位同步信號(hào)（分頻輸出D）相位間的超前、滯后關(guān)系，并以量化形式提供表示實(shí)時(shí)相位誤差的超前脈沖F和滯后脈沖G，供控制調(diào)節(jié)器使用。當(dāng)分頻輸出位同步信號(hào)D相位超前與信號(hào)X時(shí)，鑒相器輸出超前脈沖F（低電平有效）；反之，則輸出滯后脈沖G（高電平有效），二者均為窄脈沖。 控制調(diào)節(jié)器的作用是根據(jù)鑒相器輸出的誤差指示脈沖，在信號(hào)D與信號(hào)X沒有達(dá)到同頻與同相時(shí)調(diào)節(jié)信號(hào)D的相位。高穩(wěn)定晶振源輸出180相位差、重復(fù)頻率為nf0的A、B兩路窄脈沖序列作為控制調(diào)節(jié)器的輸入，經(jīng)n分頻后輸出重復(fù)頻率為f0的被調(diào)位同步信號(hào)D，它與信號(hào)X在鑒相器中比相。因超前脈沖F低電平有效并作用于扣除門（與門），平時(shí)扣除門總是讓脈沖序列A通過，故扣除門為常開門，又因滯后脈沖G高電平有效并作用于附加門（與門），平時(shí)附加門總是對(duì)序列B關(guān)閉的，故附加門為常閉門。當(dāng)信號(hào)D的相位超前與信號(hào)X的相位時(shí)，鑒相器輸出窄的低電平超前脈沖F，扣除門（與門）將從脈沖序列A中扣除一個(gè)窄脈沖，則n分頻器輸出信號(hào)D的相位就推遲了Ts /n（相移360/n），信號(hào)D的瞬時(shí)頻率也被調(diào)低；當(dāng)信號(hào)D的相位滯后于信號(hào)X的相位時(shí)，鑒相器輸出窄的高電平滯后脈沖G，附加門（與門）此時(shí)打開讓脈沖序列B（與脈沖序列A保持180固定相差）中的一個(gè)脈沖通過，經(jīng)或門插進(jìn)來自扣除門輸出的脈沖序列A中，則分頻器輸入多插入的這個(gè)脈沖使n分頻器輸出信號(hào)的D相位提前了Ts /n（相移360/n），信號(hào)D的瞬時(shí)頻率則被提高。由此可見，環(huán)路對(duì)信號(hào)D相位和頻率的控制調(diào)節(jié)是通過對(duì)n分頻器輸入脈沖序列步進(jìn)式加、減脈沖實(shí)現(xiàn)的，經(jīng)環(huán)路的這種反復(fù)調(diào)節(jié)，最終可達(dá)到相位鎖定，從而提取出位同步信號(hào)。4.2 性能指標(biāo)位同步系統(tǒng)的性能通常是用相位誤差、建立時(shí)間、保持時(shí)間等指標(biāo)來衡量。數(shù)字鎖相法位同步系統(tǒng)的性能如下。a) 相位誤差e數(shù)字鎖相法提取位同步信號(hào)時(shí)，相位誤差主要是由于位同步脈沖的相位在跳變地調(diào)整所引起的。因?yàn)槊空{(diào)整一步，相位改變2/n（n是分頻器地分頻次數(shù)），故最大的相位誤差為2/n。用這個(gè)最大的相位誤差來表示，可得 （1）上面已經(jīng)求得數(shù)字鎖相法位同步的相位誤差有時(shí)不用相位差而用時(shí)間差Te來表示相位誤差。因每碼元的周期為T，故得 （2）b) 同步建立時(shí)間ts同步建立時(shí)間即為失去同步后重建同步所需的最長時(shí)間。為了求這個(gè)最長時(shí)間，令位同步脈沖的相位與輸入信號(hào)碼元的相位相差T/2秒，而鎖相環(huán)每調(diào)整一步僅能移T/n秒，故所需最大的調(diào)整次數(shù)為 （3）接收隨機(jī)數(shù)字信號(hào)時(shí)，可近似認(rèn)為兩相鄰碼元中出現(xiàn)01、10、11、00的概率相等，其中，有過零點(diǎn)的情況占一半。由于數(shù)字鎖相法中是從數(shù)據(jù)過零點(diǎn)中提取作比相用的標(biāo)準(zhǔn)脈沖的，因此平均來說，每2T秒可調(diào)整一次相位，故同步建立時(shí)間為 Ts=2TN=nT（秒） （4）c) 同步保持時(shí)間tc當(dāng)同步建立后，一旦輸入信號(hào)中斷，由于收發(fā)雙方的固有位定時(shí)重復(fù)頻率之間總存在頻差F，收端同步信號(hào)的相位就會(huì)逐漸發(fā)生漂移，時(shí)間越長，相位漂移量越大，直至漂移量達(dá)到某一準(zhǔn)許的最大值，就算失步了。設(shè)收發(fā)兩端固有的碼元周期分別為T1=1/F和T2=1/F，則 （5）式中的F0為收發(fā)兩端固有碼元重復(fù)頻率的幾何平均值，且有 （6）由式（5）可得 （7）再由式（6），上式可寫為 （8）式（8）說明了當(dāng)有頻差F存在時(shí)，每經(jīng)過T0時(shí)間，收發(fā)兩端就會(huì)產(chǎn)生的時(shí)間漂移。反過來，若規(guī)定兩端容許的最大時(shí)間漂移為T0/K秒（K為一常數(shù)），需要經(jīng)過多少時(shí)間才會(huì)達(dá)到此值呢？這樣求出的時(shí)間就是同步保持時(shí)間tc。代入式（8）后，得解得 （9）若同步保持時(shí)間tc的指標(biāo)給定，也可由上式求出收發(fā)兩端振蕩器頻率穩(wěn)定度的要求為此頻率誤差是由收發(fā)兩端振蕩器造成的。若兩振蕩器的頻率穩(wěn)定度相同，則要求每個(gè)振蕩器的頻率穩(wěn)定度不能低于 （10）圖2 位同步電路原理圖只能從碼速率為15.625KHz、10KHz、8KHz、4KHz（通過撥碼開關(guān)SW501選擇）的NRZ碼中提取出位同步信號(hào)。以碼速率為15.625KHz的NRZ碼為例，將SW501的第一位撥上后，數(shù)字鎖相環(huán)的本振頻率就被設(shè)置在15.625KHz。在圖2中，單片機(jī)U508（89C2051）將輸入的NRZ碼與數(shù)字鎖相環(huán)本振輸出的信號(hào)的相位進(jìn)行鑒相（比較兩個(gè)信號(hào)的上升沿），用將相位差進(jìn)行量化后得到的數(shù)值對(duì)數(shù)字鎖相環(huán)本振輸出的相位進(jìn)行調(diào)整，最后得到正確的位同步信號(hào)。4.3、位同步相關(guān)知識(shí)的簡單介紹數(shù)字通信中，除了有載波同步的問題外，還有位同步的問題。因?yàn)樾畔⑹且淮嗬^的信號(hào)碼元的序列，解調(diào)時(shí)常需知道每個(gè)碼元的起止時(shí)刻。因此，接收端必須產(chǎn)生一個(gè)用作抽樣判決的定時(shí)脈沖序列，它和接收碼元的終止時(shí)刻應(yīng)對(duì)齊。我們把在接收端產(chǎn)生與接收碼元的重復(fù)頻率和相位一致的定時(shí)脈沖序列的過程稱為碼元同步或位同步，而稱這個(gè)定時(shí)脈沖序列為碼元同步脈沖或位同步脈沖。要使數(shù)字通信設(shè)備正常工作，離不開正確的位同步信號(hào)。如果位同步脈沖發(fā)生嚴(yán)重抖動(dòng)或缺位，則使數(shù)字通信產(chǎn)生誤碼；嚴(yán)重時(shí)使通信造成中斷。影響位同步恢復(fù)的主要原因：輸入位同步電路的信號(hào)質(zhì)量；信號(hào)的編碼方式碼元中存在長連“0”或長連“1”。位同步的主要技術(shù)指標(biāo)有靜態(tài)相差；相位抖動(dòng)；同步建立時(shí)間和同步保持時(shí)間。數(shù)字通信中位同步恢復(fù)的方法主要有兩種，一種是發(fā)端專門發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，而另一種是直接從數(shù)字信號(hào)中提取位同步信號(hào)。而直接從數(shù)字信號(hào)中提取位同步信號(hào)也有不止一種方法：濾波法，鎖相法兩種方法。本課程設(shè)計(jì)采用的就是用數(shù)字鎖相環(huán)提取位同步信號(hào)的方法，這種方法又稱為數(shù)字鎖相。數(shù)字鎖電路原理圖PDLFVCOUiUdUcUo數(shù)字鎖相原理方框圖其工作過程如下：（1）壓控振蕩器的輸出Uo經(jīng)過采集并分頻；（2）輸出和基準(zhǔn)信號(hào)同時(shí)輸入鑒相器；（3）鑒相器通過比較上述兩個(gè)信號(hào)的頻率差，然后輸出一個(gè)直流脈沖電壓Ud；（4）Ud進(jìn)入到濾波器里面，濾除高頻成分后得到信息Ue；（5）Ue進(jìn)入到壓控震蕩器VCO里面，控制頻率隨輸入電壓線性地變化；（6）這樣經(jīng)過一個(gè)很短的時(shí)間，VCO的輸出就會(huì)穩(wěn)定于某一期望五、具體設(shè)計(jì)用于提取位同步信號(hào)的數(shù)字環(huán)有超前滯后型數(shù)字環(huán)和觸發(fā)器型數(shù)字環(huán)，系統(tǒng)中的位同步提取模塊用的是觸發(fā)器型數(shù)字環(huán)，它具有捕捉時(shí)間短、抗噪能力強(qiáng)等特點(diǎn)。位同步模塊原理框圖如圖3所示。圖3 位同步器方框圖位同步模塊有以下測試點(diǎn)及輸入輸出點(diǎn)： S-IN 基帶信號(hào)輸入點(diǎn)/測試點(diǎn)（2個(gè)） BS-OUT位同步信號(hào)輸出點(diǎn)/測試點(diǎn)（3個(gè)） 圖3中各單元與電路板上元器件的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下： 晶振 CRY3：晶體；U39：7404 控制器U48：或門7432；U41：計(jì)數(shù)器74190 鑒相器U40：D觸發(fā)器7474 量化器U45：可編程計(jì)數(shù)器8254 數(shù)字環(huán)路濾波器由軟件完成 數(shù)控振蕩 U46、U45：8254 脈沖展寬器U47：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74123 位同步器由控制器、數(shù)字鎖相環(huán)及脈沖展寬器組成，數(shù)字鎖相環(huán)包括數(shù)字鑒相器、量化器、數(shù)字環(huán)路濾波器、數(shù)控振蕩器等單元。 下面介紹位同步器的工作原理。 數(shù)字鎖相環(huán)是一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，主要器件是單片機(jī)89C51及可編程計(jì)數(shù)器8254。環(huán)路中使用了兩片8254，共六個(gè)計(jì)數(shù)器，分別表示為8254A0、8254A1、8254A2、8254B0、8254B1、8254B2。它們分別工作在M0、M1、M2三種工作模式。M0為計(jì)數(shù)中斷方式，M1為單穩(wěn)方式，M2為分頻方式。除地址線、數(shù)據(jù)線外，每個(gè)8254芯片還有時(shí)鐘輸入端C、門控信號(hào)輸入端G和輸出端O。數(shù)字鑒相器電原理圖及波形圖如圖4（a）、圖4（b）所示。輸出信號(hào)寬度正比于信號(hào)ui及uo上升沿之間的相位差，最大值為ui的碼元寬度。稱此鑒相器為觸發(fā)器型鑒相器，稱包含有觸發(fā)器型鑒相器的數(shù)字環(huán)路為觸發(fā)器型數(shù)字鎖相環(huán)。圖4數(shù)字鑒相器量化器把相位誤差變?yōu)槎噙M(jìn)制數(shù)字信號(hào)，它由工作于M0方式、計(jì)數(shù)常數(shù)為N0的8254 B2完成（N0為量化級(jí)數(shù)，此處N0=52）。ud作為8254B2的門控信號(hào)，ud為高電平時(shí)8254B2進(jìn)行減計(jì)數(shù)，ud為低電平時(shí)禁止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)束后從8254B2讀得的數(shù)字為Nd= N0-Nd 式中Nd為ud脈沖寬度的量化值（下面用量化值表示脈沖寬度和時(shí)間間隔），N0Nd，讀數(shù)結(jié)束后再給8254B2寫入計(jì)數(shù)常數(shù)N0。讀數(shù)時(shí)刻由8254A2控制，它工作在M1模式，計(jì)數(shù)常數(shù)為N0，ui作為門控信號(hào)。一個(gè)ui脈沖使8254A2產(chǎn)生一個(gè)寬度為N0的負(fù)脈沖，倒相后變?yōu)檎}沖送到89C51的端，而89C51的外中斷1被設(shè)置為負(fù)跳變中斷申請(qǐng)方式。由于8254A2產(chǎn)生的脈沖寬度不小于ud脈沖寬度且它們的前沿處于同一時(shí)刻，所以可以確保中斷申請(qǐng)后對(duì)8254B2讀數(shù)時(shí)它已停止計(jì)數(shù)。 數(shù)字環(huán)路濾波器由軟件完成?？刹捎迷S多種軟件算法，一種簡單有效的方法是對(duì)一組N0作平均處理。設(shè)無噪聲時(shí)環(huán)路鎖定后ui與uo的相位差為N0/2，則在噪聲的作用下，鎖定時(shí)的相位誤差可能大于N0/2也可能小于N0/2。這兩種情況出現(xiàn)的概率相同，所以平均處理可以減小噪聲的影響，m個(gè)Nd值的平均值為 （11）數(shù)字濾波器的輸出為 Nc = No / 2 + Nd (12）數(shù)控振蕩器由四個(gè)8254計(jì)數(shù)器及一些門電路構(gòu)成，其原理框圖如圖6所示，圖中已注明了各個(gè)計(jì)數(shù)器的工作方式和計(jì)數(shù)常數(shù)。 以下分析環(huán)路的鎖定狀態(tài)及捕捉過程，此時(shí)不考慮噪聲的影響。圖6 數(shù)控振蕩器 環(huán)路開始工作時(shí)，軟件使8254B0和8254B1輸出高電平，從而使8254A1處于計(jì)數(shù)工作狀態(tài)、8254B1處于停止計(jì)數(shù)狀態(tài)，G6處于開啟狀態(tài)，8254A1輸出一個(gè)周期為N0的周期信號(hào)。若環(huán)路處于鎖定狀態(tài)，則Nd=N0/2，由式（11）及式（12）得Nd=N0/2。此時(shí)89c51的P1.4口不輸出觸發(fā)脈沖，8254A0輸出端仍保持初始化時(shí)的高電平，從而使8254B0的門控端G保持低電平、輸出端O保持高電平。這樣可保持8254A1、8254B1的工作狀態(tài)不變、環(huán)路仍處于鎖定狀態(tài)。若環(huán)路失鎖，則NdN0/2，NdN0/2，P1.4口輸出一個(gè)正脈沖u2，在u2作用下，8254A0輸出一個(gè)寬度為N0的負(fù)脈沖，倒相后變?yōu)檎}沖u3送給與門G2。G2的另一個(gè)輸入信號(hào)u1來自8254A1。在G1輸出的寬度為N 0的正脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，8254A1一定有（也只有）一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)輸入，此負(fù)脈沖經(jīng)G4倒相后與G1輸出的正脈沖相與后給8254B0的G端送一個(gè)觸發(fā)信號(hào)u4。在u4的作用下，8254B0輸出一個(gè)寬度為N0-2的負(fù)脈沖。在這段時(shí)間內(nèi)，8254A1停止計(jì)數(shù)工作，8254B1進(jìn)行減計(jì)數(shù)且在此時(shí)間內(nèi)的最后一個(gè)時(shí)鐘周期輸出一個(gè)負(fù)脈沖。8254B0輸出的負(fù)脈沖的后沿重新啟動(dòng)8254A1，使它重新作N0分頻。設(shè)m=1，上述過程的有關(guān)波形如圖7所示，圖中uO為環(huán)路鎖定狀態(tài)下數(shù)控振蕩器的輸出信號(hào)。由圖7可見，不管失鎖時(shí)相位誤差多少（不會(huì)大于N0），只要對(duì)數(shù)控振蕩器作一次調(diào)整，就可使環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)快速捕捉。 程序流程如圖8所示，輸入信號(hào)ui使IE1置“1”，且使8254B2計(jì)數(shù)，對(duì)IE1進(jìn)行位操作時(shí)又使之置“0”。由于量化誤差，故當(dāng)Nd為N02，N0/21或N0/21時(shí)，環(huán)路皆處于鎖定狀態(tài)，不對(duì)數(shù)控振蕩器進(jìn)行調(diào)整。程序中令m=16，進(jìn)行16次鑒相后做一次平均運(yùn)算，若發(fā)現(xiàn)環(huán)路失鎖，則對(duì)數(shù)控振蕩器進(jìn)行一次調(diào)整。 控制器的作用是保證每次對(duì)8254B2進(jìn)行讀操作之前鑒相器只輸出一個(gè)正脈沖，它由或門7432（U5:B）及16分頻器74190（U13）組成。圖7 捕獲過程波形當(dāng)數(shù)字環(huán)輸入信號(hào)的碼速率與數(shù)控振蕩器的固有頻率完全相同時(shí)，環(huán)路鎖定后輸入信號(hào)與反饋信號(hào)（即位同步信號(hào)）的相位關(guān)系是固定的且符合抽樣判決器的要求（當(dāng)然開環(huán)時(shí)它們的相位誤差也是固定的，但不符合抽樣判決器的要求）。輸入信號(hào)碼速率決定于發(fā)送端的時(shí)鐘頻率，數(shù)控振蕩器固有頻率決定于位同步器的時(shí)鐘頻率和數(shù)控振蕩器固有分頻比。由于時(shí)鐘信號(hào)頻率穩(wěn)定度是有限的，故這兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的頻率不可能完全相同，因此鎖相環(huán)輸入信號(hào)碼速率與數(shù)控振蕩器固有頻率不可能完全相等（即環(huán)路固有頻差不為0）。數(shù)字環(huán)位同步器是一個(gè)離散同步器，只有當(dāng)輸入信號(hào)的電平發(fā)生跳變時(shí)才可能對(duì)輸入信號(hào)的相位和反饋信號(hào)的相位進(jìn)行比較從而調(diào)整反饋信號(hào)的相位，在兩次相位調(diào)整的時(shí)間間隔內(nèi)，反饋信號(hào)的相位相對(duì)于輸入信號(hào)的相位是變化的，即數(shù)字環(huán)位同步器提取的位同步信號(hào)的相位是抖動(dòng)的，即使輸入信號(hào)無噪聲也是如此。圖8 鎖相環(huán)程序流程 顯然，收發(fā)時(shí)鐘頻率穩(wěn)定度越高，數(shù)字環(huán)的固有頻差就越小，提取的位同步信號(hào)的相位抖動(dòng)范圍越小。反之，對(duì)同步信號(hào)的相位抖動(dòng)要求越嚴(yán)格，則收發(fā)時(shí)鐘的頻率穩(wěn)定度也應(yīng)越高。 位同步信號(hào)抖動(dòng)范圍還與數(shù)字位同步器輸入信號(hào)的連“1”或“0”個(gè)數(shù)有關(guān)，連“1”或“0”個(gè)數(shù)越多，兩次相位調(diào)整之間的時(shí)間間隔越長，位同步信號(hào)的相位抖動(dòng)越大。 對(duì)于NRZ碼來說，允許其連“1”、連“0”的個(gè)數(shù)決定于數(shù)字環(huán)的同步保持時(shí)間tc。tc與收發(fā)時(shí)鐘頻率穩(wěn)定度e、碼速率RB、允許的同步誤差最大值的關(guān)系為：tC =/（2RB）tC的定義是：位同步器輸入信號(hào)斷開后，收發(fā)位同步信號(hào)相位誤差不超過的時(shí)間。用模擬環(huán)位同步器或模數(shù)環(huán)位同步器提取的位同步信號(hào)的相位抖動(dòng)與固有頻差無關(guān)，但隨信息碼連“1”、連“0”的個(gè)數(shù)增多而增大。六、仿真結(jié)果 輸入環(huán)路增益為30 仿真時(shí)間為5秒 相平面圖 輸入頻率和VCO頻率圖 輸入相位和VCO相位圖 頻率差圖 相位差圖 輸入環(huán)路增益為40 仿真時(shí)間為5秒相平面圖 輸入頻率和VCO頻率圖 相位差圖 頻率差圖 輸入頻率和VCO頻率圖 輸入相位和VCO相位圖 七、心得體會(huì)鎖相提取位同步信號(hào)的設(shè)計(jì)與仿真，在Matlab的操作環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)涉及到對(duì)鎖相環(huán)的原理、參數(shù)選擇及應(yīng)用等各方面的知識(shí)，還要求我們對(duì)Matlab仿真環(huán)境的熟悉和操作能力。鎖相環(huán)具有載波跟蹤特性、調(diào)制跟蹤特性和低門限特性等優(yōu)良特性，已經(jīng)成為電子技術(shù)領(lǐng)域中一種相當(dāng)有效的技術(shù)手段，獲得了了越來越廣泛的應(yīng)用。在電子技術(shù)發(fā)展飛速的今天，掌握鎖相環(huán)的原理及其應(yīng)用，不管是在學(xué)習(xí)上還是在以后的工作上，都會(huì)產(chǎn)生巨大的作用。學(xué)校在強(qiáng)調(diào)提高學(xué)生的理論水平的時(shí)候，也加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力的要求，把學(xué)生對(duì)理論與實(shí)際相結(jié)合的操作能力作為了對(duì)學(xué)生的一項(xiàng)重要考核。由于我們?cè)谝郧耙呀?jīng)有做過Matlab的相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)，對(duì)Matlab的操作環(huán)境還是比較熟悉的。而我們?cè)谠O(shè)計(jì)的過程中碰到的主要困難是，在給定的鎖相環(huán)條件下，如何選擇合適的參數(shù)，以至于在Matlab仿真的條件下，可以得到理想中的結(jié)果。鎖相技術(shù)是這學(xué)期開的課，學(xué)習(xí)的時(shí)間不長，對(duì)鎖相環(huán)的了解頁僅是基于概念的表面理解。要完成該課程設(shè)計(jì)，我們就必須深入地理解鎖相環(huán)的組成、原理及其應(yīng)用。因此要做的準(zhǔn)備工作還是不少。在一個(gè)多星期的摸索中，設(shè)計(jì)完成得不是很好。盡管如此，我還是從中學(xué)到了很多東西。通過這個(gè)設(shè)計(jì)，我進(jìn)一步了解了鎖相的相關(guān)技術(shù)及其應(yīng)用，也進(jìn)一步加深了對(duì)Matlab仿真的了解，在一定程度上提高了自己的邏輯思維能力和解決問題的能力，有助與加深自己對(duì)所學(xué)知識(shí)的了解和使用，增強(qiáng)了自己的動(dòng)手能力，為我今后的學(xué)習(xí)和工作積累了一定的動(dòng)手實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，讓我從中受益匪淺。八、參考文獻(xiàn)1 郭梯云主編，移動(dòng)通信，西安電子科技大學(xué)，20072 樊昌信主編，通信原理， 國防工業(yè)出版社，2007 3 高如云主編，通信電子線路，西安電子科技大學(xué)出版社，2007 4呂廣平主編，集成電路應(yīng)用500例，人民郵電出版社，1983九、附錄程序代碼：% File: c6_nltvde.mw2b=0; w2c=0;% initialize integratorsyd=0; y=0;% initialize differential equationtfinal = 50; % simulation timefs = 100; % sampling frequencydelt = 1/fs; % sampling periodnpts = 1+fs*tfinal; % number of samples simulatedydv = zeros(1,npts); % vector of dy/dt samplesyv = zeros(1,npts); % vector of y(t) samples% beginning of simulation loopfor i=1:nptst = (i-1)*delt; % time if t20 ydd = 4*exp(-t/2)-3*yd*abs(y)-9*y;% de for t=20 end w1b=ydd+w2b;% first integrator - step 1 w2b=ydd+w1b;% first integrator - step 2 yd=w1b/(2*fs); % first integrator output w1c=yd+w2c;% second integrator - step 1 w2c=yd+w1c;% second integrator - step 2 y=w1c/(2*fs); % second integrator output ydv(1,i) = yd;% build dy/dt vector yv(1,i) = y;% build y(t) vector end % end of simulation loopplot(yv,ydv) % plot phase planexlabel(y(t) % label x axisylabel(dy/dt) % label y zxis% End of script file.% File: pllpost.m%kk = 0;while kk = 0k = menu(Phase Lock Loop Postprocessor,. Input Frequency and VCO Frequency,. Input Phase and VCO Phase,. Frequency Error,Phase Error,Phase Plane Plot,. Phase Plane and Time Domain Plots,Exit Program); if k = 1 plot(t,fin,k,t,fvco,k) title(Input Frequency and VCO Freqeuncy) xlabel(Time - Seconds);ylabel(Frequency - Hertz);pause elseif k =2 pvco=phin-phierror;plot(t,phin,t,pvco) title(Input Phase and VCO Phase) xlabel(Time - Seconds);ylabel(Phase - Radians);pause elseif k = 3 plot(t,freqerror);title(Frequency Error) xlabel(Time - Seconds);ylabel(Frequency Error - Hertz);pause elseif k = 4 plot(t,phierror);title(Phase Error) xlabel(Time - Seconds);ylabel(Phase Error - Radians);pause elseif k = 5 ppplot elseif k = 6 subplot(211);phierrn = phierror/pi; plot(phierrn,freqerror,k);grid; title(Phase Plane Plot);xlabel(Phase Error /Pi); ylabel(Frequency Error - Hertz);subplot(212) plot(t,fin,k,t,fvco,k);grid title(Input Frequency and VCO Freqeuncy) xlabel(Time - Seconds);ylabel(Frequency - Hertz);subplot(111) elseif k = 7 kk = 1; end end % End of script file.% File: pllpre.m%clear all % be safedisp( ) % insert blank line fdel = input(Enter the size of the frequency step in Hertz );fn = input(Enter the loop natural frequency in Hertz );lambda = input(Enter lambda, the relative pole offset );disp( )disp(Accept default values:)disp( zeta = 1/sqrt(2) = 0.707,)disp( fs = 200*fn, and)disp( tstop = 1)dtype = input(Enter y for yes or n for no ,s);if dtype = y zeta = 1/sqrt(2); fs = 200*fn; tstop = 1;else zeta = input(Enter zeta, the loop damping factor );fs = input(Enter the sampling frequency in Hertz );tstop = input(Enter tstop, the simulation runtime );end %npts = fs*tstop+1; % number of simulation pointst = (0:(npts-1)/fs; % default time vectornsettle = fix(npts/10); % set nsettle time as 0.1*nptstsettle = nsettle/fs; % set tsettle% The next two lines establish the loop input frequency and phase % deviations.fin = zeros(1,nsettle),fdel*ones(1,npts-nsettle);phin = zeros(1,nsettle),2*pi*fdel*t(1:(npts-nsettle);disp( ) % insert blank line% end of script file pllpre.m % File: pll2sin.mw2b=0; w2c=0; s5=0; phivco=0;%initializetwopi=2*pi;% define 2*pitwofs=2*fs;% define 2*fsG=2*pi*fn*(zeta+sqrt(zeta*zeta-lambda);% set loop gaina=2*pi*fn/(zeta+sqrt(zeta*zeta-lambda);% set filter parametera1=a*(1-lambda); a2 = a*lambda;% define constantsphierror = zeros(1,npts); % initialize vectorfvco=zeros(1,npts);% initialize vector% beginning of simulation loopfor i=1:npts s1=phin(i) - phivco; % phase error s2=sin(s1); % sinusoidal phase detector s3=G*s2; s4=a1*s3; s4a=s4-a2*s5; % loop filter integrator input w1b=s4a+w2b;% filter integrator (step 1) w2b=s4a+w1b;% filter integrator (step 2) s5=w1b/twofs;% generate fiter output s6=s3+s5; % VCO integrator in