毕业设计（论文）-数字频率合成器的仿真研究.doc

宁夏大学新华学院本科毕业论文 I 摘摘 要要 随着通信、雷达、宇航和遥控遥测技术的迅速发展，越来越需要高频率稳定度、高频 谱纯度和频率范围大的频率源。然而高稳定度的晶体振荡器产生的频率往往是单一的或者 只能在极小的范围内微调，而且频率通常都不是很高。目前大量采用频率合成技术，频率 合成技术是将一个高稳定度和高精度的标准频率源经过加、减、乘、除的四则运算，以产 生同样稳定度和精度的大量离散频率。 本文首先详细介绍了频率合成技术和锁相环的基础理论，并对数字锁相环频率合成器 及其实现技术进行了深入的探讨。其次，在 SystemView 设计环境下对数字锁相环频率合成 器进行了设计，建立了典型的直接式数字频率合成器的模型，通过调试输出了稳定的波形。 最后对仿真所得到的频谱图进行了对比及分析，得出结论，达到设计要求。 关键词：关键词：锁相环；频率合成器；SystemView；仿真 宁夏大学新华学院本科毕业论文 II Abstract With the rapid development of communication,radar,space flight and remote telemetry technology.it is imperative for a frequency source of high frequency stability,high spectral purity and a vast frequency range.However,the crystal oscillator with high stability always generates a single frequency or trimming in a very small range.At the precent day ,people mostly take the frequency synthesis technology,the adoption of frequency synthesis technology pass the high stability and high precision standard frequency source through four operations such as add,subtract,multiply and division.Meanwhile it generates a great deal of the same characteristic discrete frequencies. This article firstly introduced the basic theory of the frequency synthesis technology and phase- locked loop in detail, and discussed the digital phase-locked loop frequency synthesizer and its implementation,and confirmed the digital phase-locked loop frequency synthesizers performance in the design intensively .Secondly,the paper carried on the design of the digital phase-locked loop frequency synthesizer under the design environment of SystemView, established the typical model of direct digital frequency synthesizer,and output a stable waveform through the debugging. Finally, through the contrast and analysis of the spectrograph which obtains from the simulation ，the paper drawed the conclusion, achieved the design requirements. Key words: Phase-locked loop;Frequency synthesizer;SystemView;Simulation 宁夏大学新华学院本科毕业论文 III 目录目录 第第 1 1 章章 绪论绪论.1 1 1.1 频率合成技术的概念及发展现状.1 1.2 锁相环的概念及发展现状 .1 1.3 锁相环频率合成器的发展现状.2 1.4 本论文的主要工作.2 第第 2 2 章章 频率合成器的概述频率合成器的概述.3 3 2.1 频率合成器及其技术指标.3 2.2 频率合成器的分类.4 2.2.1 直接模拟式频率合成器（DS）.4 2.2.2 间接式频率合成器（IS）.4 2.2.3 直接数字式频率合成器（DDS） .5 2.3 锁相环频率合成器.6 2.3.1 单环锁相频率合成器 .6 2.3.2 集成锁相环频率合成器 .8 2.4 小结.8 第第 3 3 章章 锁相环锁相环.9 9 3.1 锁相环路的组成与特性.9 3.1.1 锁相环路的组成 .9 3.1.2 锁相环路的基本特性 .10 3.2 锁相环的工作原理.10 3.3 锁相环路的应用.11 3.3.1 锁相倍频、分频和混频 .12 3.3.2 锁相调频与鉴频 .12 3.3.3 调幅波的同步解调 .13 3.3.4 锁相接收机 .14 3.4 小结.14 第第 4 4 章章 数字锁相环频率合成器的设计仿真数字锁相环频率合成器的设计仿真.1515 4.1 SystemView 的软件介绍.15 4.1.1 SystemView 软件的概述.15 4.1.2 SystemView 仿真系统的特点.15 宁夏大学新华学院本科毕业论文 IV 4.2 模型搭建.17 4.3 系统仿真.23 4.3.1 仿真结果.23 4.3.2 结果分析 .26 4.4 小结.26 第第 5 5 章章 结束语结束语.2828 参考文献参考文献.2929 致致 谢谢.3030 宁夏大学新华学院本科毕业论文 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 当前，随着数字技术的迅速发展及微控制器在电子系统中的广泛应用，在很大程 度上改变了传统的设计方法，数字频率合成技术对信号的频率稳定度和准确度要求越 来越高，一般振荡器已不能满足其要求，而频率合成技术是现代通信的重要组成部分， 它是将一个高稳定度和高准确度的基准频率经过四则运算，产生同样稳定度和准确度 的任意频率。随着大规模集成电路的发展，利用锁相环频率合成技术研制出了很多频 率合成集成电路。数字锁相环频率合成器应用于通信设备中，使得工作频率的选择变 得极为简单而又精确。锁相环路是一个相位反馈自动控制系统。锁相环频率合成器的 稳定度和准确度与基准频率相当，不产生额外的误差，它在移动通信等领域有着广泛 的应用，具有实际意义。 1.11.1 频率合成技术的频率合成技术的概念及发展现状概念及发展现状 随着通信、雷达、宇航和遥控遥测技术的不断发展，对频率源的频率稳定度、频 谱纯度、频率范围和输出频率的个数提出越来越高的要求。为了提高频率稳定度，经 常采用晶体振荡器等方法来解决，但它不能满足频率个数多的要求，因此，目前大量 采用频率合成技术。 频率合成技术是现代通信的重要组成部分，它是将一个高稳定度和高准确度的基 准频率经过四则运算，产生同样稳定度和准确度的任意频率。随着大规模集成电路的 发展，利用锁相环频率合成技术研制出了很多频率合成集成电路。 频率合成器是电子系统的心脏，是决定电子系统性能的关键设备，随着通信、数字 电视、卫星定位、航空航天、雷达和电子对抗等技术的发展，对频率合成器提出了越 来越高的要求。 频率合成理论自 20 世纪 30 年代提出以来，已取得了迅速的发展，逐渐形成了目 前的 4 种技术：直接模拟式频率合成技术、锁相环频率合成技术、直接数字式频率合 成技术和混合式频率合成技术【1】。 1.21.2 锁相环的锁相环的概念及发展现状概念及发展现状 锁相环是一种相位负反馈系统，它利用环路的窄带跟踪与同步特性将鉴相器一端 VCO 的输出相位与另一端晶振参考的相位保持同步，实现锁定输出频率的功能，同时可 以得到和参考源相同的频率稳定度。 锁相环路具有许多优良特性，它可用于频率合成与交换、自动频率调谐、模拟和 数字信号的相干解调、AM 波信号的同步检波、数字通信中的位同步提取、锁相稳频、 锁相倍频与分频、锁相测速与测距、锁相 FM (PM)调制与解调、微波锁相频率源及微波 锁相功率放大器等。目前，各种各样的锁相环电路已被广泛应用于电子技术和自动控 制的各个方面。从普通的无线接收机到精密的导弹，几乎都有锁相环的影子。锁相环 主要用于通信系统中的 FM 解调、数字频率合成以及低信噪比情况下的载波恢复。 宁夏大学新华学院本科毕业论文 2 锁相原理在数学理论方面，早在 30 年代无线电技术发展的初期就己出现。1930 年 己建立了同步控制理论的基础。1932 年贝尔赛什(Bellescize)第一次公开发表了锁相 环路的数学描述，用锁相环路提取相干载波来完成同步检波。到了 40 年代，电视接收 机的同步扫描电路中开始广泛地应用锁相技术，使电视图像的同步性能得到很大改善。 进入 50 年代，随着空间技术的发展，由杰斐(Jaffe)和里希廷(Rechtin)利用锁相环路 作为导弹信标的跟踪滤波器获得成功，并首次发表了包含噪声效应的锁相环路线性理 论分析的文章，同时解决了锁相环路最佳化设计问题。在 60 年代，维特比(Viterbi) 研究了无噪声锁相环路的非线性理论问题，并发表了相干通信原理一书。到 70 年 代林特塞(Lindscy)和查利斯(Charles)进行了有噪声的一阶、二阶及高阶锁相环路的 非线性理论分析，并作了大量实验以充实理论分析。 1.1.3 3 锁相环频率合成器的发展现状锁相环频率合成器的发展现状 频率合成器有多种方法实现, 目前最常用的是锁相环频率合成技术。利用锁相环 的相位锁定特性, 获得与基准频率成一定倍数的新频率的电路, 称为锁相环频率合器。 由于锁相环具有良好的窄带滤波特性, 输出的波形纯净, 并且在环路锁定后输出频率 的温度稳定度和时间稳定度与基准频率相同。这些优点使其成为当前最主要的频率合 成器, 尤其是把大规模数字锁相集成电路和微处理器结合起来, 使频率合成器实现更 方便,性能更好。 目前，锁相环频率合成器的研究趋势是频率更高、系统功能更强、制作工艺更先 进、集成度更高、成本更低、功耗更低的双环或多环锁相式频率合成器。 频率合成器的产品在国外已经发展的比较成熟，形成了各种类型的锁相环整数频 率合成器，满足了通信、数字电视等领域的需要，形成了巨大的频率合成器市场。在 国内，频率合成器主要应用在数字电视、频率源、通信等领域，仅就数字电视而言， 国内市场就十分巨大。国内市场对锁相环式频率合成器的大量需求，使得许多原来采 用分频器的厂商大多转向使用频率合成器来设计整机系统。这是开拓锁相环频率合成 器市场的巨大商机【2】。 1.41.4 本论文的主要工作本论文的主要工作 本文首先详细介绍了频率合成技术和锁相环的基础理论，并对数字锁相环频率合 成器及其实现技术进行了深入的探讨，并在设计中对数字锁相环频率合成器的性能进 行了验证。其次，在 SystemView 设计环境下基于对数字锁相环频率合成器的设计，建 立典型的直接式数字频率合成器的模型，通过调试输出稳定的波形。此方案的提出简 单易行且易于调试，具有较高的实用价值。最后对仿真所得频谱图进行了对比及分析， 得出结论，达到设计要求。 宁夏大学新华学院本科毕业论文 3 第第 2 2 章章 频率合成器的概述频率合成器的概述 无线电通信技术的迅速发展，对振荡信号源的要求在不断提高，不但要求它的频 率稳定度、准确度高，而且要求能方便地改换频率，频率合成技术就能满足上述要求。 频率合成器是电子系统的心脏，是决定电子系统性能的关键设备，随着通信、数字电 视、卫星定位、航空航天、雷达和电子对抗等技术的发展，对频率合成器提出了越来 越高的要求。现代频率合成器一般是由锁相环路(PLL)构成的。 2.12.1 频率合成器及其技术指标频率合成器及其技术指标 频率合成器是利用一个或多个标准信号，通过各种技术途径产生大量离散频率信 号的设备。它用高精度晶体振荡器作为基准，通过合成技术能产生一系列具有一定频 率间隔的高清度频率源。它有以下 5 个技术指标： (1)频率范围 频率范围是指频率合成器输出的最低频率 0 min和最高频率 0 max之间的变化范围, 也可用覆盖系数 k=0 min/0 max表示（k 又称之为波段系数） 。如果覆盖系数 k23 时, 整个频段可以划分为几个分波段。在频率合成器中,分波段的覆盖系数一般取决于压控 振荡器的特性。 (2)频率间隔（频率分辨率） 频率合成器的输出是不连续的。两个相邻频率之间的最小间隔,就是频率间隔。频 率间隔又称为频率分辨率。不同用途的频率合成器,对频率间隔的要求是不相同的。对 短波单边带通信来说,现在多取频率间隔为 100Hz,有的甚至取 10Hz、1Hz 乃至 0.1Hz。 对超短波通信来说,频率间隔多取 50kHz、25kHz 等。在一些测量仪器中,其频率间隔可 达兆赫兹量级 (3)频率转换时间 频率转换时间是指频率合成器从某一个频率转换到另一个频率,并达到稳定所需要 的时间。它与采用的频率合成方法有密切的关系。 (4)准确度与频率稳定度 频率准确度是指频率合成器工作频率偏离规定频率的数值,即频率误差。而频率稳 定度是指在规定的时间间隔内,频率合成器频率偏离规定频率相对变化的大小【3】。 (5)频谱纯度 影响频率合成器频谱纯度的因素主要有两个,一是相位噪声,二是寄生干扰。相位 噪声是瞬间频率稳定度的频域表示,在频谱上呈现为主谱两边的连续噪声,如图 2-1 所 示。 宁夏大学新华学院本科毕业论文 4 图 2-1 频率合成器的频谱 2.22.2 频率合成器的频率合成器的分类分类 将一个标准频率（如晶振参考源） ，经过加、减、乘、除运算，变成多个具有同一 稳定度和准确度所需频率的技术，称为频率合成技术。频率合成的方法很多，但大致 可分为直接模拟式频率合成器,间接式频率合成器和直接式数字频率合成器【4】。 2.2.12.2.1 直接模拟式频率合成器（直接模拟式频率合成器（DSDS） 直接式模拟式频率合成器【5】是最先出现的一种合成器类型的频率信号源。这种 频率合成器原理简单,易于实现。直接模拟式频率合成器是由一个高稳定、高纯度的晶 体参考频率源,通过倍频器、分频器、混频器,对频率进行加、减、乘、除运算,得到各种 所需频率。直接合成法的优点是频率转换时间短,并能产生任意小的频率增量。但用这 种方法合成的频率范围将受到限制。更重要的是,直接模拟式频率合成器不能实现单片 集成,而且输出端的谐波、噪声及寄生频率难以抑制。因此,直接模拟式频率合成器已逐 渐被间接式频率合成器、直接数字式频率合成器取代。 2.2.22.2.2 间接式频率合成器（间接式频率合成器（ISIS） 间接式频率合成器又称为锁相环频率合成器。锁相环频率合成器是目前应用最广 的频率合成器【6】。 直接式频率合成器中所固有的那些缺点,如体积大、成本高、输出端出现寄生频率 等,在锁相环频率合成器中就大大减少了。基本的锁相环频率合成器如图 22 所示。 当锁相环锁定后,相位检波器两输入端的频率是相同的,即 (2-1) dr ff 宁夏大学新华学院本科毕业论文 5 图 2-2 基本锁相环频率合成器 VCO 输出频率经分频得到：of (2-2) o d f f N 所以输出频率是参考频率的整数倍：rf (2-3)orfNf 转换时间取决于锁相环的非线性性能，精确的表达式目前还难以导出，工程上常st 用的经验公式： (2-4) 固定分频器的工作频率明显高于可变分频比,超高速器件的上限频率可达千兆赫兹 以上。若在可变分频器之前串接一固定分频器的前置分频器,则可大大提高 VCO 的工作 频率,如图 23 所示。前置分频器的分频比为 M,则可得： (2-5)()orfN Mf 图 2-3 有前置分频器的锁相频率合成器 2.2.32.2.3 直接数字式频率合成器（直接数字式频率合成器（DDSDDS） 直接数字式频率合成器是近年来发展非常迅速的一种器件,它采用全数字技术,具 有分辨率高、频率转换时间短、相位噪声低等特点,并具有很强的调制功能和其它功能。 当最低有效位为 1 加到相位累加器时,产生最低的频率,在时钟的作用下,经过了cf N 位累加器的个状态,输出频率为。加任意的 M 值到累加器,则 DDS 的输出频率2N2 N cf 为： 宁夏大学新华学院本科毕业论文 6 (2-6) N c Mf f 2 0 DDS 有如下特点: （1）频率转换时间短,可达毫微秒级,这主要取决于累加器中数字电路的门延迟时 间； （2）分辨率高,可达到毫赫兹级,这取决于累加器的字长 N 和参考时钟； cf （3）频率变换时相位连续； （4）有非常小的相位噪声； （5）输出频带宽,一般其输出频率约为的 40以内； cf （6）具有很强的调制功能。 在锁相环（PLL）频率合成器中,设计时要考虑的因素有： （1）频率分辨率及频率步长； （2）建立时间； （3）调谐范围（带宽） ； （4）相位噪声和杂散（谱纯度） ； （5）成本、复杂度和功能。 DDS 和 PLL 这两种频率合成方式不同,各有其独有的特点,不能相互代替,但可以相 互补充。将这两种技术相结合,可以达到单一技术难以达到的结果【7】。 2.32.3 锁相锁相环频率合成器环频率合成器 锁相环(PLL)是构成频率合成器的核心部件。主要由相位比较器(PD)、压控振荡器 (VCO)、环路滤波器(LP)和参考频率源组成。 2.3.12.3.1 单环锁相频率合成器单环锁相频率合成器 基本的单环锁相频率合成器的构成如图 24 所示。 图 2-4 单环锁相频率合成器原理框图 混频后用低通滤波器取出差频分量，分频其输出频率为： N ff ff rd 10 宁夏大学新华学院本科毕业论文 7 (2-7) r Nfff 10 环中的N 分频器采用可编程的程序分频器,合成器输出频率为： (2-8) r Nff 0 式中为参考频率,通常是用高稳定度的晶体振荡器产生,经过固定分频比的参考rf 分频之后获得的。这种合成器的分辨率为。设鉴相器的增益为,环路滤波器的传递rfdk 函数为,压控振荡器的增益系数为,则可得单环锁相频率合成器的线性相位模型,( )F sok 如图 25 所示。图中, N s s d )( )( 2 (2-9) N s ssss de )( )()()()( 2 11 图 2-5 单环频率合成器线性相位模型 由输出相位 2（s）和输入相位 1(s)，可得闭环传递函数： 式中k=kdk0/N。因为相位是频率的时间积分,故同样的传递函数也可说明输 入频率（即参考频率）r(s)和输出频率0(s)之间的关系。 误差传递函数: (2-11) )( )( 1 1 )( )( )( 1 2 sFks s N sFkk s s sH s od e 由前四式相比较,单环锁相频率合成器的传递函数与线性锁相环的传递函数有如下 关系: （2-12）)()( sNHsH 宁夏大学新华学院本科毕业论文 8 2.3.22.3.2 集成锁相环频率合成器集成锁相环频率合成器 集成锁相频率合成器是一种专用锁相电路。它是发展很快、采用新工艺多的专用 集成电路。它将参考分频器、参考振荡器、数字鉴相器、各种逻辑控制电路等部件集 成在一个或几个单元中,以构成集成频率合成器的电路系统【8】。 2.42.4 小结小结 本章对频率合成器进行了一个概述，主要介绍了频率合成器的技术指标、分类， 并详细介绍了间接式频率合成器（锁相频率合成器）中的单环锁相频率合成器，为下 章所要介绍的锁相环以及后面的数字锁相环频率合成器做了一个铺垫。 宁夏大学新华学院本科毕业论文 9 第第 3 3 章章 锁相环锁相环 许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利 用锁相环路就可以实现这个目的。锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环 Phase- Locked Loop。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频 率和相位【9】。 因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用 于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等 时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住， 这就是锁相环名称的由来【10】。 3.l3.l 锁相环路的组成与特性锁相环路的组成与特性 3.1.13.1.1 锁相环路的组成锁相环路的组成 锁相环路由 3 部分组成：鉴相器 PD(Phase Detector)、环路滤波器 LF(Loop Fillter)和压控振荡器 VCO(Voltage-Controlled Oscillator) 【11】。组成框图如图 3-1 所示： 图 3-1 锁相环路的组成框图 鉴相器 PD 通常鉴相器由模拟相乘器和低通滤波器组成；作用是将输入信号的相位 与 VCO 的输出信号相位进行比较，并比较结果转化为误差电压 Ud(t)；该电压是两个信 号相位差的函数。 环路滤波器 LF 通常使用低通滤波器，作用是滤除误差电压 Ud(t)中的高频分量后 得到控制电压 Uc(t)，并加给压控振荡器。 压控振荡器 VCO 通常由变容二极管和电抗管等组成振荡电路；VCO 的输出频率受 Uc(t)的控制。 当输入信号和输出信号频率相同相差恒定时，鉴相器输出中的低频分量为零，环 路滤波器的输出也为零，压控振荡器的振荡频率不发生变化。如果二者的频率不一致， 则鉴相器将产生低频分量，并通过环路滤波器使压控振荡器的频率发生变化。环路设 计得恰当，这种变化将不断使输出信号的频率与输入信号的频率趋于一致，最终二者 频率相等相位差恒定，Ud(t)，Uc(t)均为直流电压，VCO 的输出频率将停止变化，环路 处于“锁定”状态。当输入信号的频率发生变化时(VCO 的控制范围)，VCO 的输出就能 跟上这个变化，实施跟踪和捕捉的过程，达到频率相等的要求。 宁夏大学新华学院本科毕业论文 10 3.1.23.1.2 锁相环路的基本特性锁相环路的基本特性 正常工作时锁相环路具有以下基本特性： (1)良好的窄带特性：当环路处于锁定状态时，鉴相器输出的误差电压 Ud(t)是一 个能顺利通过环路滤波器的直流电压，如果此时输入信号中有干扰成分，则干扰信号 与 VCO 的输出信号在鉴相器 PD 中比较所形成的误差电压受到环路滤波器的抑制(处于 低通的通频带外)，于是 VCO 的输出信号中的干扰成分大为减少，此时环路相当于一个 滤除噪声的高频窄带滤波器，其通频带可以做得很窄，如在几十兆赫兹至几百兆赫兹 的中心频率上实现几赫兹至几十赫兹的窄带滤波。这种窄带滤波特性是 LC，RC、石英 晶体等滤波器很难达到的。 (2)锁定后没有频差：在环路处于锁定状态时，环路的输出信号和输入信号的频率 相等，没有剩余频差，只有剩余相位差。它比 AFC 系统更好地实现了频率控制，因而 在自动频率控制、频率合等技术方面获得了广泛的应用。 (3)自动跟踪特性：一个已经处于锁定状态的环路，当输入信号的频率稍有变化时， VCO 的频率立即发生相应的变化，使输出频率与输入频率接近并最终达到相等。有时环 路虽未达到锁定状态，经过自身的调节作用可以捕捉到输入信号并最终锁定。 (4)易于集成化：组成锁相环路的基本部件都易于采用集成电路，随着集成技术的 发展，整个环路包括一些放大元件、控制元件等均可集成在 1 块芯片上，目前常用的 主要有 L562，L565，L564，CD4046 等集成锁相环。集成化可以减小设备体积、降低成 本、提高设备的可靠性和稳定性，大大提高整机性能。 3.23.2 锁相环的工作原理锁相环的工作原理 锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，鉴相器的工作原理是：设外界输入的 信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为： （3-1）( )sin( )imiiu tUtt （3-2）( )cos( )oomoou tUtt 式中的为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为o 电路的固有振荡角频率。则模拟乘法器的输出电压为：DU （3-3） ( )( )sin( )cos( ) 1 sin( )( ) 2 1 sin( )( ) 2 Diomomiioo momiioo momiioo uku t u tkU Utttt ku utttt ku utttt 用低通滤波器 LF 将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输 入控制电压。即为：( )CU t( )CU t 1 ( )sin( )( ) 2 sin()( )( ) cmomiioo dmioio u tkU Utttt Uttt （3-4） 宁夏大学新华学院本科毕业论文 11 式中的为输入信号的瞬时振荡角频率，和分别为输入信号和输出信号i( )it( )ot 的瞬时相位，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时相位的关系为： ( ) ( ) dt t dt 即 （3-5）( )( )dott dt 则，瞬时相位差为d ()( )( )dioiottt （3-6） 对两边求微分，可得频差的关系式为 ()( )( )dioioddtdtt dtdtdt （3-7） 上式等于零，说明锁相环进入相位锁定的状态，此时输出和输入信号的频率和相 位保持恒定不变的状态，为恒定值。当上式不等于零时，说明锁相环的相位还未( )CU t 锁定，输入信号和输出信号的频率不等，随时间而变。( )CU t 图 3-2 压控振荡器的压控特性图 因压控振荡器的压控特性如图 3-2 所示，该特性说明压控振荡器的振荡频率以u 为中心，随输入信号电压的变化而变化。该特性的表达式为o( )CU t ( )( )uoctk u t （3-8） 上式说明当随时间而变时，压控振荡器的振荡频率也随时间而变，锁相环( )CU tu 进入“频率牵引” ，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持 的状态不变【12】。 oi 3.33.3 锁相环路的应用锁相环路的应用 由于锁相环路性能优越，现广泛用于无线电通信技术中，可实现滤波、模拟和数 字信号的调制与解调，并且可运用在锁相倍频、分频、混频及频率合成等方面【13】。 3.3.13.3.1 锁相倍频、分频和混频锁相倍频、分频和混频 在基本锁相环路中，若将 VCO 的振荡频率锁定在所需要的频率上，就可进行倍频、 宁夏大学新华学院本科毕业论文 12 分频和混频。 (1)倍频：在反馈环路中接入一分频器，当环路处于锁定状态时，i=on，输 出的频率 o=ni为输入信号频率的 n 倍。如图 3-3 所示。 图 3-3 锁相倍频框图 (2)分频：同理要在反馈环路中接入一倍频器，当环路处于锁定状态时， i=no，o=in，VCO 输出的频率为输入频率的 1n。 (3)混频：在反馈环路中加入混频器或中频放大器，就可实现混频功能。如图 3-4 所示。 当环路处于锁定状态时 i=o-L，o=L+i。 图 3-4 锁相混频框图 3.3.23.3.2 锁相调频与鉴频锁相调频与鉴频 （1）调频 用锁相环路调频，能够得到中心频率高度稳定的调频信号如图 3-5 所示。 图 3-5 锁相调频框图 锁相环路的 VCO 中心频率稳定在晶振频率上，同时调制信号也加到 VCO 上，从而 实现频率调制获得所需的调频信号。调制信号的频谱应处于 LF 的带通之外，并且调频 系数不能太大，因此不形成调制信号的环路，锁相环路仅是载波的跟踪环，调制频率 宁夏大学新华学院本科毕业论文 13 对锁相环路无影响，只对 VCO 的中心频率不稳定起作用。这样锁定后 VCO 的中心频率 就锁定在晶振频率上，输出的调频波中心频率稳定度很高。克服了直接调频中心频率 稳定度不高的缺点 （2）鉴频 根据锁相环路的频率跟踪特性，在系统处于调频跟踪状态时，可用于调频信号的 解调，其框图如图 3-6 所示。 图 3-6 调频波的锁相鉴频框图 若输入为调频波，且其最大瞬时频率满足跟踪条件，则当输入调频波的频率发生 变化时，经过 PD 和 LF 后，将产生一个与输入信号频率变化规律相对应的控制电压， 以保证 VCO 的输出频率与输入频率相同，经环路滤波输出的控制电压就是解调信号。 3.3.33.3.3 调幅波的同步解调调幅波的同步解调 对于 DSB 和 SSB 调幅信号进行解调时，必须使用同步检波，即保证本振产生的载 波信号与调幅信号中的载波信号同频同相，此外在数字通信中还有位同步、帧同步、 网同步等，可见同步信号的产生非常重要。利用滤波法、导频法、重生法所产生的本 振信号很难做到与载波信号同频同相。而利用载波跟踪型的锁相环路就能得到这样的 信号，再将其移相 90与输入的调幅信号相乘，通过低通滤波就可解调出调制信号。 如图 3-7 所示。 图 3-7 DSB 和 SSB 信号解调框图同步解调 3.3.43.3.4 锁相锁相接收机接收机 锁相接收机实质是一个窄带跟踪锁相环路，其框图如图 3-8 所示。 宁夏大学新华学院本科毕业论文 14 图 3-8 锁相接收机工作原理图 对于一般的超外差接收机，当接收机的信号载波频率不稳定，而本振频率又不能 自动跟踪时，必将引起混频器输出的中频信号频率的变动，为了适应这种变化，中频 放大器的频带应有一定的带宽。 对在空间技术中应用的通信机，这个问题就更显得突出，当地面接收站接收卫星 发送到无线电信号时，由于卫星离地距离远，再加上卫星发射功率小，天线在增益低， 地面接收站收到的信号是极微弱的。卫星环绕地球飞行时，由于多普勒效应，地面接 收站收到的信号频率将偏离卫星发射的信号频率，并且其值往往在较大范围内变化。 对于这种中心频率在较大范围内变化的微弱信号若采用普通接收机，势必要求有足够 的带宽，这样接收机的输出信噪比将严重下降，无法有效地检出信号，若采用锁相接 收机，利用环路的窄带跟踪特性，就可有效地提高输出信噪比，获得满意的接收效果。 3.4 小结小结 本章从锁相环路的组成和特性出发，详细介绍了锁相环路的工作原理，并对其在 滤波、模拟和数字信号的调制与解调方面以及锁相倍频、分频、混频和频率合成等方 面的广泛应用进行了详细的探讨。 宁夏大学新华学院本科毕业论文 15 第第 4 4 章章 数字锁相环频率合成器的设计仿真数字锁相环频率合成器的设计仿真 4.14.1 SystemViewSystemView 的软件介绍的软件介绍 4.1.14.1.1 SystemViewSystemView 软件的概述软件的概述 SystemView是美国ELANIX公司设计和开发【14】，专门用于对工程和科技系统进行 仿真和设计的一种综合性的动态系统分析环境。SystemView提供了一种先进的系统分 析引擎，分析的对象非常广泛，从模拟、数字信号处理，到滤波器、控制系统和通信 系统，以及各种通用数学模型的仿真、设计和验证等。SystemView基于微软公司视窗 操作系统的软件平台，有非常友好的界面，用户只需用鼠标就能很好地完成各种复杂 的应用处理。 而无需进行另外的编程、调试及烦琐的错误追踪。SystemView提供了一 种可视的动态系统模型，并用功能模块（Token）来表示进程和用一个时间基台（Time Base）来表示系统抽样的特性。用户在系统窗口下可以对整个系统或者子系统进行仿 真和设计，以及从SystemView的各种模型库中选择不同的功能模块，并把它们连接起 来。用户还可以通过界面、友好的对话窗口对功能模块参数进行定义，如定义仿真的 起始时间和结束时间，以及系统的抽样频率等【15】。 SystemView 的设计窗口是在系统内选择定位输出呈现为一系列图形窗口矩阵。它 可以放大缩小，快速滚动并且还可以创建比实际窗口大的虚拟窗口。分析窗口还提供 一个完成系统仿真生成数据的先进的块处理操作的接收端计算器。功能包括自相关和 互相关、窗口化的谱分析、算术操作、面图、柱状图、统计表和层叠显示。 System View 分析窗口是一个能够提供系统波形详细检查的交互式可视环境。在分 析窗口内块操作被叠起来以便产生复杂的处理结果。自动块计算宏将显示块计算结果 和自动地重新产生新的仿真数据结果。 4.1.24.1.2 SystemViewSystemView 仿真系统的特点仿真系统的特点 System View 是一种强有力的基于个人计算机的动态通信系统仿真工具，已达到在 不具备先进仪器的条件下也能完成复杂的通信系统设计与仿真的目的，其主要特点是： 1. 能仿真大量的应用系统 能在 DSP、通讯和控制系统应用中构造复杂的模拟、数 字、混合和多速率系统。具有大量可选择的库，允许用户有选择地增加通讯、逻辑、 DSP 和射频模拟功能模块。特别适合无线电话（GSM，CDMA，FDMA，TDMA，DSSS） 、无 绳电话、寻呼机和调制解调器以及卫星通信系统（GPS，DVBS，LEOS）等的设计；能够 仿真（C3x，C4x 等）DSP 结构；可进行各种系统时域/频域分析和谱分析；对射频模 拟电路（混合器，放大器，RLC 电路和运放电路）进行理论分析和失真分析。 2. 快速方便的动态系统设计与仿真 使用熟悉的 Windows 界面和功能键（单击、 宁夏大学新华学院本科毕业论文 16 双击鼠标的左右键） ，SystemView 可以快速建立和修改系统，并在对话框内快速访问和 调整参数，实时修改实时显示。只需简单用鼠标点击图符即可创建连续线性系统、DSP 滤波器，并输入输出基于真实系统模型的仿真数据。不用写一行代码即可建立用户 习惯的子系统库（MetaSystem） 。 SystemView 图标库包括几百种信号源、接收端、操 作符和功能块，提供从 DSP、通信、信号处理、自动控制、直到构造通用数学模型等的 应用。信号源和接收端图标允许在 SystemView 内部生成和分析信号，并提供可外部处 理的各种文件格式和输入/输出数据接口。 3. 在报告中方便地加入 SystemView 的结论 SystemView 通过 Notes（注解）很容 易在屏幕上描述系统；生成的 SystemView 系统和输出的波形图可以很方便地使用复制 （copy）和粘贴（paste）命令插入微软 word 等文字处理器。 4. 提供基于组织结构图方式的设计 通过利用 SystemView 中的图符和 MetaSystem（子系统）对象的无限制分层结构功能，SystemView 能很容易地建立复杂 的系统。首先可以定义一些简单的功能组，再通过对这些简单功能组的连接进而实现 一个大系统。这样，单一的图符就可以代表一个复杂系统。MetaSystem 的连接使用也 与系统提供的其他图符同样简单，只要单击一下鼠标器，就会出现一个特定的窗口显 示出复杂的 MetaSystem。但是在学习版中没有 MetaSystem 图符功能，必须升级到专业 版才有此功能。 5. 多速率系统和并行系统 SystemView 允许合并多种数据采样率输入的系统，以 简化 FIR 滤波器的执行。这种特性尤其适合于同时具有低频和高频部分的通信系统的 设计与仿真，有利于提高整个系统的仿真速度，而在局部又不会降低仿真的精度。同 时还可降低对计算机硬件配置的要求。 6. 完备的滤波器和线性系统设计 SystemView 包含一个功能强大的、很容易使用 的图形模板设计模拟和数字以及离散和连续时间系统的环境，还包含大量的 FIR/IIR 滤波类型和 FFT 类型，并提供易于用 DSP 实现滤波器或线性系统的参数。 7. 先进的信号分析和数据块处理 SystemView 提供的分析窗口是一个能够提供系 统波形详细检查的交互式可视环境。分析窗口还提供一个能对仿真生成数据进行先进 的块处理操作的接收计算器。 接收计算器块处理功能十分