锁相论文--调制跟踪环设计.doc

锁相技术课程结业论文题 目: 调制跟踪环设计 院系名称： 信息科学与工程学院 专业班级： 学生姓名： 学 号： 授课教师： 2012 年 4 月 28 日摘 要锁相环技术是一种通信领域十分重要的技术。锁相环（PLL）是一个相位反馈系统，包含鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）以及压控振荡器（VCO）三个基本部件。当锁相环输入信号为调角信号时，环路的输入量i（t）是由正弦信号、语音信号等稳态基带信号产生时，通过环路的频率特性来分析环路对i（t）的响应，可以得到调制跟踪特性。当满足一定条件时，环路既跟踪了输入信号的载波i，又跟踪了输入信号的调制相位i（t），称此环路工作在调制跟踪状态或称这种环路为调制跟踪环。环路工作在调制跟踪状态时，VCO的输出信号u0(t)的相位可以跟踪环路输入信号ui(t)的相位.当ui(t)为调制信号时，u0(t)也为调频信号且其瞬时频率基本相同，因此VCO的控制电压即为我们所需要的解调输出信号。根据这个原理，我们可以提取输入已调信号的载波，也可提取淹没在噪声中的载波信号。关键词：锁相环；VCO；调制相信号；调制跟踪环；解调信号目 次1 绪论 12 基于锁相环的调制跟踪原理 22.1锁相环的基本原理 22.1.1 锁相环的基本组成22.1.2 锁相环的工作原理22.2 锁相环的调制跟踪原理 33 锁相鉴频在调制跟踪环中的工作原理 4结论 5参考文献 61 绪论 锁相环（PLL）是一种闭环的自动跟踪负反馈系统。20世纪50年代后期随着空间技术的发展，锁相环用于对宇宙飞行目标的跟踪、遥测和遥控。60年代初随着数字通信系统的发展，锁相环应用愈广，例如为相干解调提取参考同步、建立位同步等。具有门限扩展能力的调频信号锁相鉴频器也是在60年代初发展起来的。在电子仪器方面，锁相环在频率合成器和相位计等仪器中起了重要作用。锁相环路所以能得到如此广泛的应用，是由于其独特的优良性能所决定的。它具有载波跟踪特性，作为一个窄带跟踪滤波器，可提取淹没在噪声中的信号；用高稳定的参考振荡器锁定，可提供频率高稳定的频率源：可进行高精度的香味与频率测量等等。它具有调制跟踪特性，可制成高性能的调制器和解调器。它具有低门限特性，可大大改善模拟信号和数字信号的解调质量。 数字通信与模拟通信比较，无论是传输质量上还是技术、经济上都有其显著的优点：抗干扰能力强、传输质量与通信线路长短无关、有高的技术指标(即可提高传输的可靠性)、经济性(数字设备体积小、功耗低、价格低廉)、便于加密处理。因此数字通信是现代通信发展的趋势，并在通信系统中的支配地位日益增强。而在数字通信的技术中，数字调制与解调技术占有非常重要的地位，起着关键性的作用。数据信号的传输主要是利用现有通信网来进行的。而几乎所有的现有通信网，对于基带数字信号不能直接进入。实际通信中绝大多数的信道都不能直接传送基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化，即所谓调制。从原理上来说，受调载波的波形可以是任意的，只要调制信号适合信道传输就可以了。但实际上，在大多数数字通信系统中，都选择正弦信号作为载波。这是因为正弦信号形式简单，便于产生及接收。当锁相环输入信号为调角信号时，环路的输入量i（t）往往是由正弦信号、语音信号等稳态基带信号产生的。此时，通过环路的频率特性来分析环路对i（t）的响应是比较方便的，由此可以得到调制跟踪的跟踪特性。大家都知道，调制跟踪时，环路既跟踪了输入信号的载波i，又跟踪了输入信号的调制相位i（t），称此环路工作在调制跟踪状态或称这种环路为调制跟踪环。环路工作在调制跟踪状态时，VCO的输出信号u0(t)的相位可以跟踪环路输入信号ui(t)的相位.当ui(t)为调制信号时，u0(t)也为调频信号且其瞬时频率基本相同，因此VCO的控制电压即为我们所需要的解调输出信号。由于环路的频率特性不够理想，要想得到理想的解调信号，还应对环路控制电压进行频率补偿，也就是需要锁相鉴频。当鉴频输出有失真时，输出滤波器可以补偿失真。2 基于锁相环的调制跟踪原理2.1锁相环基本原理2.1.1锁相环的基本组成 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（PLL）。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。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。锁相环通常由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成，锁相环组成的原理框图如图2.1所示。 PD VCO LF图 2.1 锁相环基本组成锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成uD（t）电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uC（t），对振荡器输出信号的频率实施控制。2.1.2 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，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图2.2所示Ui（t）Uo（t）Ud（t） 图2.2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： （2.1.1）2.2 锁相环的调制跟踪原理一个线性系统的频率特性G（j）是用来表示其输入信号x(t)的傅氏变换x(j)与输出信号y(t)的傅氏变换y(j)之间关系的，即 Y（j）=X(j)G(j)若x(t)=Xsint,则y(t)=XG(j)sint+G(j)。 在锁相环中，虽然实际的输入信号是电压ui(t)，输出信号是电压u0(t)，但在系统的数学模型中，输入信号是i（t），输出信号是0（t）。把环路的开环传递函数、闭环传递函数及误差传递函数中的s换成j，可得其开环频率特性H0（j）、闭环频率特性H（j）及误差频率特性He（j）。H（j）、He（j）分别表示i（t）与0（t）及i（j）与e（j）之间的关系，即 H（j）=0（j）/i（j） （2.1.2） He（j）=e（j）/i（j） （2.1.3） 当基带信号的最低频率Lc时，在i（t）的频率范围内（即在基带信号的频率范围内）有 H（j）100 He（j）0成立，此时环路课完全跟踪i（t），即 0（t）i（t） e（t）0 u0（t）U0cosit+i(t)环路既跟踪了输入信号的载波i，又跟踪了输入信号的调制相位i(t)，称此环路工作在调制跟踪状态或称这种环路为调制跟踪。3 锁相鉴频在调制跟踪环中的工作原理图3.1示出了锁相鉴频原理方框图，其工作原理是：环路工作在调制跟踪状态时，VCO的输出信号u0(t)的相位可以跟踪环路输入信号ui(t)的相位.当ui(t)为调制信号时，u0(t)也为调频信号且其瞬时频率基本相同，因此VCO的控制电压即为我们所需要的解调输出信号。由于环路的频率特性不够理想，要想得到理想的解调信号，还应对环路控制电压进行频率补偿，图3.1的输出滤波器就是为此目的而设置的。当然在要求不甚高的情况下，此滤波器也可以不要。图 3.1PDLF解调滤波器解调输出ui(t)VCO结 论 以上就是本次论文的主要内容。通过本次结课论文的编写，我更加深入的了解了锁相环的基本原理及其应用，对基于锁相环的调制跟踪，使我对调制跟踪环又有了更深的了解。在论文的编写过程中，我发现了很多自身的不足，同时也有很多深刻的感受与启发。首先，对课本知识进行深入的思考是非常重要的，在编写过程中，不断遇到以前没有注意到的细节和不懂的地方，必须深入的思考才能理解那些知识，这样可以让自身对一些理论知识的记忆更加深刻，加强了对理论基础知识的巩固；第二，要用发散思维去学习，比如在学习跟踪环的时候，我们要想到它能在现实生活中得到怎样的应用，怎样去消去它的弊端。为了编