試驗(yàn)三模擬鎖相環(huán)與載波同步試驗(yàn)

1、20綜合通信I型實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書（通信原理部分）實(shí)驗(yàn)三模擬鎖相環(huán)與載波同步實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握模擬鎖相環(huán)的工作原理，以及環(huán)路的鎖定狀態(tài)、失鎖狀態(tài)、同步帶、捕捉帶 等基本概念2.掌握用平方環(huán)法從2DPSK言號中提取相干載波的原理及模擬鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)方法3.了解相干載波相位模糊現(xiàn)象產(chǎn)生的原因二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容觀察模擬鎖相環(huán)的鎖定狀態(tài)、失鎖狀態(tài)及捕捉過程觀察環(huán)路的捕捉帶和同步帶3.用平方環(huán)法從2DPSK言號中提取載波同步信號，觀察相位模糊現(xiàn)象三、基本原理常用平方環(huán)或同相正交環(huán)（科斯塔斯環(huán)）從2DPSK信號中提取相干載波。本實(shí)驗(yàn)用平方環(huán)，其原理方框圖及電路原理圖如圖3-1、圖3-2所示。2DPSK-IN 廣方圖3

2、-1 載波同步方框圖載波同步模塊上有以下測試點(diǎn)及輸入輸出點(diǎn): 2DPSK-IN2DPSK言號輸入點(diǎn)* MU平方器輸出測試點(diǎn)，Vp-P 1V COMP鎖相環(huán)輸入信號測試點(diǎn)* Ud鎖相環(huán)壓控電壓測試點(diǎn) VCO鎖相環(huán)輸出信號測試點(diǎn)，Vp-p0. 2V CAR-OUT相干載波信號輸出點(diǎn)/測試點(diǎn)21綜合通信I型實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書（通信原理部分）-圖理原電步同波載23圖口 一ME匕mLL5UHrnnu 舄de 息.hs-s - IEL 自1i p節(jié) u。哈叵境等沂卑膽囊器通一君.二一丁1=Xa.s-KB亭ai3i-SW京LLrL4蛆22綜合通信I型實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(通信原理部分)圖3-1中各單元與圖3-2中的主要元器件

3、的對應(yīng)關(guān)系如下:平方器U2 :模擬乘法器MC1496鑒相器U4:鎖相環(huán)HC4046環(huán)路濾波器U4:鎖相環(huán)HC4046壓控振蕩器U4:鎖相環(huán)HC4046 +2U6 :D觸發(fā)器74HC74移相器U8 :單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123濾波器電愿&L1;電容C43壓控振蕩器U5:鎖相環(huán)CD4046鎖相環(huán)由鑒相器(PD、環(huán)路濾波器(LF)及壓控振蕩器(VCO組成，如圖3-3所 示。ui(t)I1 ud(t) |1 Uc(t) 1pd| lf|v vco- u。圖3-3 鎖相環(huán)方框圖模擬鎖相環(huán)中，PD是一個(gè)模擬乘法器，LF是一個(gè)有源或無源低通濾波器。鎖相環(huán)路是一個(gè)相位負(fù)反饋系統(tǒng)，PD檢測u(t)與uo(t)之

4、間的相位誤差并進(jìn)行運(yùn)算形成誤差電壓Ud(t) , LF用來濾除乘法器輸出的高頻分量(包括和頻及其他的高頻噪聲)形成控制電壓Uc(t),在Uc(t)的作用卜、Uo (t)=U ocos C0it+ 0 o(t) 的PD是一個(gè)正弦 PD設(shè)Ko,則環(huán)路的數(shù)學(xué)模型如圖依t) -當(dāng)網(wǎng)2時(shí)，U6Uo(t)的相位向 Ui (t)的相位靠近。設(shè) Ui(t)=U isin w it+ 0 i (t) ,則Ud(t) = UdSinee(t), 0e(t)=0 i (t)- 0o(t),故模擬鎖相環(huán)Uc(t)=u d(t)F(P) , F(P)為LF的傳輸算子，VCO勺壓控靈敏度為 3-4所示。叵口網(wǎng)名罟丁 口(

5、t)圖3-4模擬環(huán)數(shù)學(xué)模型dSin9e(t)=Ud9e,令 依=口為PD的線性化鑒相靈敏度、單位綜合通信I型實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(通信原理部分)23為V/rad ,則環(huán)路線性化數(shù)學(xué)模型如圖3-5所示。圖3-5 環(huán)路線性化數(shù)學(xué)模型由上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，可得到以下重要結(jié)論：當(dāng)ui 是固定頻率正弦信號(。| 為常數(shù))時(shí)，在環(huán)路的彳用下，VCO輸出信號 頻率可以由固有振蕩頻率 coo (即環(huán)路無輸入信號、環(huán)路對VCO6控制彳用時(shí) VCO勺振蕩頻率)，變化到輸入信號頻率 coi,此時(shí)。也是一個(gè)常數(shù)，Ud(t)、uc(t)都為直流。我 們稱此為環(huán)路的鎖定狀態(tài)。定義A 3 o= 3 I- 3 o為環(huán)路固有頻差，

6、A 3 P表示環(huán)路的捕捉帶，A 3 H表示環(huán)路的同步帶，模擬鎖相環(huán)中 A 3 P A 3 %當(dāng)| A 3 o| A 3 P時(shí)，環(huán)路可以進(jìn)入 鎖定狀態(tài)。當(dāng)| A 3 o| A 3 P時(shí)，環(huán)路不能進(jìn) 入鎖定狀態(tài)，環(huán)路鎖定后若A 3 o發(fā)生變化使| A 3o| A 3 H,環(huán)路不能保持鎖定狀態(tài)。這兩種情況下，環(huán)路都將處于失鎖狀態(tài)。失鎖狀態(tài)下Ud(t)是一個(gè)上下不對稱的差拍電壓，當(dāng)3I3o, Ud(t)是上寬下窄的差拍電壓；反之Ud(t)是一個(gè)下寬上窄的差拍電壓。環(huán)路對0 I(t)呈低通特性，即環(huán)路可以將 0 I(t)中的低頻成分傳遞到輸出端，0I(t)中的高頻成分被環(huán)路濾除?；蛘哒f，0 o(t)中只

7、含有0 I(t)的低頻成分，0 I(t)中的高頻成分變成了相位誤差 9 e(t)。所以當(dāng)UI(t)是調(diào)角信號時(shí)，環(huán)路對UI (t)等效為一個(gè)帶 通濾波器，離3 I較遠(yuǎn)的頻率成分將被環(huán)路濾掉。環(huán)路自然諧振頻率COn及阻尼系數(shù)(具體公式在下文中給出)是兩個(gè)重要參數(shù)。 COn越小，環(huán)路的低通特性截止頻率越小、等效帶通濾波器的帶寬越窄；I越大，環(huán)路穩(wěn)定性越好。當(dāng)環(huán)路輸入端有噪聲時(shí)，0 I(t)將發(fā)生抖動(dòng)，3 n越小，環(huán)路濾除噪聲的能力越強(qiáng)。 實(shí)驗(yàn)一中的電荷泵鎖相環(huán) 4046的性能與模擬環(huán)相似， 所以它可以將一個(gè)周期不恒定的信 號變?yōu)橐粋€(gè)等周期信號。有關(guān)鎖相環(huán)理論的詳細(xì)論述，請讀者參閱文獻(xiàn)3。對2DPS

8、K言號進(jìn)行平方處理后得S2 (t) = m2 (t) cos2 Klet = (1 + cos 20ct) /2，此信號中只含有直流和2co c頻率成分，理論上對此信號再進(jìn)行隔直流和二分頻處理就可24綜合通信I型實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書（通信原理部分）得到相干載波。鎖相環(huán)似乎是多余的，當(dāng)然并非如此。實(shí)際工程中考慮到下述問題必須用鎖相環(huán)：平方電路不理想，其輸出信號幅度隨數(shù)字基帶信號變化，不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的二倍頻正弦信號。即平方電路輸出信號頻譜中還有其它頻率成分，必須濾除。接收機(jī)收到的2DPSK信號中含有噪聲（本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為理想信道，無噪聲），因而平方電路輸出信號中也含有噪聲，必須用一個(gè)窄帶濾波器濾除噪聲。鎖相環(huán)對輸

9、入電壓信號和噪聲相當(dāng)于一個(gè)帶通濾波器，我們可以選擇適當(dāng)?shù)沫h(huán)路參數(shù)使帶通濾波器帶寬足夠小。當(dāng)固有頻差為0時(shí)，模擬環(huán)輸出信號的相位超前輸入相位90口，必須對除2電路輸出信號進(jìn)行移相才能得到相干載波。移相電路由兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U56:A和U56:B構(gòu)成。U56:A被設(shè)置為上升沿觸發(fā)，U56:B為下降沿觸發(fā)，故改變 U56:A輸出信號的寬度即可改 變U56:B輸出信號的相位，從而改變相干載波的相位。此移相電路的移相范圍小于90:可對相干載波的相位模糊作如下解釋。在數(shù)學(xué)上對cos2 cod進(jìn)行除2運(yùn)算的結(jié)果是cos 3 ct或-COSco ct。實(shí)際電路也決定了相干載波可能有兩個(gè)相反的相位，因二分頻器的

10、 初始狀態(tài)可以為“ 0”也可以是“ 1”。在本套實(shí)驗(yàn)裝置中，鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器采用數(shù)字集成瑣相環(huán)芯片CD4046,現(xiàn)對此芯片介紹如下：CD4046是一數(shù)字集成鎖相環(huán)，它包括鑒相器和壓控振蕩器。它的組成框圖如上圖所綜合通信I型實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書（通信原理部分）25示。該片內(nèi)有兩個(gè)鑒相器供選擇，一個(gè)是異或門鑒相器，一個(gè)是鑒頻-鑒相器。四、實(shí)驗(yàn)步驟 本實(shí)驗(yàn)使用數(shù)字信源（EL-TS-M6）、數(shù)字調(diào)制（EL-TS-M4）、載波同步及模擬鎖相環(huán)（EL-TS-M4）兩個(gè)模塊。1,熟悉上述四個(gè)單元的工作原理。.將信源模塊的 BS-OUT NRZ-OUT CLK分別連接到數(shù)字調(diào)制模塊的BS-IN、NRZ-I

11、N和CLK,再將調(diào)制模塊的2DPSK1接到載波同步模塊的 2DPSK-IN。將模擬鎖相環(huán)及載 波同步單元的KEY波動(dòng)開關(guān)撥到上方，用示波器順序觀察2DPSK, MU,VCO,COMP,Ud,CAR-OUT號，結(jié)合原理圖理解從 2DPSK（言號中提取載波的過程。.用示波器觀察鎖相環(huán)的鎖定狀態(tài)、失鎖狀態(tài)。環(huán)路鎖定時(shí)，環(huán)路輸入信號頻率等于反饋信號頻率，即COM內(nèi)VCOW頻率相等，這時(shí)如觀察Ud為近似鋸型波的穩(wěn)定波形。環(huán)路失鎖時(shí)環(huán)路輸入信號頻率與反饋信號 頻率不相等，即此時(shí) COM酉VCO勺頻率不相等，這時(shí)如觀察Ud為不穩(wěn)定波形。根據(jù)上述特點(diǎn)可判斷環(huán)路的工作狀態(tài)，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下： 1）觀察鎖定狀態(tài)與

12、失鎖狀態(tài)向下?lián)軇?dòng)開關(guān) KEY,接通電源后用示波器觀察Ud,若Ud為穩(wěn)定波形，則調(diào)節(jié)載波同步模塊上的電位器R128, Ud隨R128減小而減小，隨 R128增大而增大，這說明環(huán)路處于鎖定狀態(tài)。用示波器兩路探頭同時(shí)觀察COM儕口 VCO可以看到兩個(gè)信號頻率相等。也可以用頻率計(jì)分別測量COM林口 VCO1率。在鎖定狀態(tài)下，向某一方向變化R128,可使Ud由穩(wěn)定的波形變?yōu)椴环€(wěn)定，COM儕口 VCO1率不再相等，環(huán)路由鎖定狀態(tài)變?yōu)槭фi。接通電源后 Ud也可能是不穩(wěn)定的差拍信號，表示環(huán)路已處于失鎖狀態(tài)。失鎖時(shí) Ud的最大值和最小值就是鎖定狀態(tài)下Ud的變化范圍（對應(yīng)于環(huán)路的同步范圍）。環(huán)路處于失鎖狀態(tài)時(shí)，C

13、OM林口 VCO頻率不相等。調(diào)節(jié) R128使Ud的差拍頻率降低，當(dāng)頻 率降低到某一程度時(shí) Ud會(huì)突然變成穩(wěn)定的信號，環(huán)路由失鎖狀態(tài)變?yōu)殒i定狀態(tài)。 2）測量同步帶與捕捉帶將雙蹤示波器兩路探頭分別接在 COMP（鎖相環(huán)輸入頻率 fi ）和VCO端，調(diào)節(jié) R128,使環(huán)路處于良好的鎖定狀態(tài)， 即示波器上兩路波形不但清晰穩(wěn)定， 而且要盡可 能地保持很小的相位差。a）同步帶測量：緩慢調(diào)節(jié) R128使COM端的頻率fi向下，直到剛好出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象26綜合通信I型實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(通信原理部分)時(shí)停止調(diào)節(jié) R128,記下此時(shí)的鎖相環(huán)輸入頻率 fi 1 ; 緩慢調(diào)節(jié)R128使COM端 的頻率fi向上，使環(huán)路重新鎖定，直到再次出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象時(shí)停止調(diào)節(jié) R128,記 下此時(shí)的信號源輸出頻率 fi 2 ,則環(huán)路的同步帶為 fi 1fi 2。(2)捕捉帶測量：緩慢調(diào)節(jié) R128,使COM%的頻率fi向下出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象，向上緩慢調(diào)節(jié)fi ,直到環(huán)路剛好入鎖，記下此時(shí)的信號源輸出