实验十一 锁相频率合成器.doc

频率合成器实验十一 锁相一、实验目的1了解接收机一本振及发射机振荡源锁相频率合成器原理。2了解锁相调频原理。3了解锁相频率合成器性能指标。二、实验内容1测量发射机锁相频率合成器输出频率与计算值比较，熟悉锁相频率合成原理及输出频率及频道间隔的计算。2测量发射机锁相频率合成作为锁相调频器的调制频率特性，熟悉锁相调频原理。3观察锁相频合频道切换捕捉过程，了解环路捕捉过程机理。三、基本原理1锁相频率合成器原理及电路移动通信系统必须配置多个无线频道，允许多个用户同时通话，这样系统才能容纳大量用户。因而移动通信系统中的收发信机工作频率（对应于接收机一本振及发射机的主振频率）必须能在系统配置的多个频率间切换。这些众多频率点的产生通常用频率合成技术来实现。当前应用最广的是锁相频率合成器（简称锁相频合或PLL频合），常用的单环锁相频合方框图见图11.1。图11.1 常用的单环锁相频率合成器方框图图中，PD为鉴相器；LF为环路滤波器；VCO为压控振荡器，其振荡频率fv受控制电压uc的控制而改变，一般有fV=f0+K0uc (11-1)式中，f0为VCO的固有振荡频率，K0为压控灵敏度(单位Hz/V或radSV)；N为程序分频器，其分频比由CPU程序设置可变；R为参考分频器，将稳定的晶体振荡器频率fR分频得到环路的参考频率fr（一般为5KHz、6.25KHz、12.5KHz或25KHz等）。环路锁定时，PD的两个输入信号相差为0或固定值，则频差为0，即fr=ff=fv/N故fv=Nfr (11-2)由式(11-2)可见，由CPU程序改变N的取值就改变了环路的输出频率，且所有频率都与晶振频率具有相同的准确度与稳定度。由式(11-2)还可见，频道间隔f最小可以等于fr，其实际值由系统要求决定。一般模拟调频通信系统频道间隔f =25KHz，若锁相频合的fr=5KHz，则N变化步长N=5。实际锁相频合集成电路包含了图11-1电路框图中除LF及VCO以外的全部电路，有的甚至包含两个这样的电路，分别用于接收机及发射机，称为双PLL频合，例如MCl45160、MCl45161、MCl45162等。本实验系统实验仪使用高集成度的VHF通用单片收发信机集成电路U1/U201，其内部集成了除发信VCO、发射机射频功放外的所有收发信机电路，包括收信/发信频率合成器、收信一本振VCO、二本振、第一级混频器、第二级混频器、中放、鉴频器、FSK比较器、音频功放、MIC放大等，可方便地构成VHF双工收发信机，用于话音或低速FSK数据通信。本实验系统实验仪有两套收发信机：TRx-BS及TRx-MS，每套收发信机都采用了一片VHF通用单片收发信机集成电路U1/U201，其内部的收信/发信频率合成器部分与双PLL频合MCl45162等十分相似，只是它将RX VCO也集成在内，构成接收机一本振及发射机主振PLL频合更方便。下面以附图2(a)BS收发信机为例对照框图11.1加以详细说明。附图2(a)中U1为VHF通用单片收发信机集成电路，同MCl45162等双PLL频合IC一样，其参考分频器分频比R及收发两个环路的程序分频器分频比N由CPU通过串行方式由其7、8、9脚送入。实际选取参考分频器分频比R=2049，则fr=10.245MHz2049=5KHz。二个环路各频道的程序分频器分频比按照见表11.1，11.2。接收环VCO集成在U1内部，U1的39、40脚接外部LC回路（L2、C7），与内部变容二极管等构成接收机一本振，振荡频率由RX VCO电压控制。VCO的输出信号在U1内部分成二路，一路作为一本振信号送入U1内部的一混频器；另一路送入接U1内部的N程序分频器分频后送给PD，与fr=5KHz的参考信号鉴相，U1的45脚为PD输出端，输出误差电流流经外接C9、R4、C8及R3、C13构成的环路滤波器得到控制电压uc，经R2、U1的41脚回送至U1内部的RX VCO，形成图11.1所示闭合环路。表11.1 MS收发信机频率（fr=5.00KHz，f1IF=10.700MHz）CHTx频率(MHz)Tx环NRx频率(MHz)Rx本振频率（MHz）Rx本振环N149.000980046.00035.3007060249.025980546.02535.3257065349.050981046.05035.3507070449.075981546.07535.3757075549.100982046.10035.4007080649.125982546.12535.4257085749.150983046.15035.4507090849.175983546.17535.4757095949.200984046.20035.50071001049.225984546.22535.52571051149.250985046.25035.55071101249.275985546.27535.57571151349.300986046.30035.60071201449.325986546.32535.62571251549.350987046.35035.65071301649.375987546.37535.67571351749.400988046.40035.70071401849.425988546.42535.72571451949.450989046.45035.75071502049.475989546.47535.7757155表11.2 BS收发信机频率（fr=5.00KHz，f1IF=10.700MHz）CHTx频率(MHzx)Tx环NRx频率(MHz)Rx本振频率（MHz）Rx本振环N146.000920049.00038.3007660246.025920549.02538.3257665346.050921049.05038.3507670446.075921549.07538.3757675546.100922049.10038.4007680646.125922549.12538.4257685746.150923049.15038.4507690846.175923549.17538.4757695946.200924049.20038.50077001046.225924549.22538.52577051146.250925049.25038.55077101246.275925549.27538.57577151346.300926049.30038.60077201446.325926549.32538.62577251546.350927049.35038.65077301646.375927549.37538.67577351746.400928049.40038.70077401846.425928549.42538.72577451946.450929049.45038.75077502046.475929549.47538.7757755图11.2 VHF通用单片收发信机集成电路内部框图发射机主振锁相频合同时又是单点注入式锁相调频环路，其框图如图11.3所示。Q2、L8、D1等构成发信VCO。衰减后的音频调制信号um（正弦单音、话音、信令数据）加在变容二极管D1的下端，环路控制电压uc 经R8加在D6的上端，总控制电压uc=uc-um=uc+(-um)，忽略括号中的负号并不影响工作原理及性能的分析，故得到图11.3中发信VCO输入端等效电路。VCO的输出信号分成两路，一路送入Q1等构成的功放，功率放大后经双工器FL2送至天线ANT1发射出去；另一路由U1的48脚送入U1内部的发射环N程序分频器，分频后送发射环PD与参考信号鉴相后由U1的1脚输出误差电流，流经R6、C20及R13、C18构成的环路滤波器得到控制电压uc，经R8送VCO变容二极管D1的上端。当环路设计成载波跟踪环时，uc为直流，控制VCO中心频率使环路锁定；um对VCO调频，实现了锁相调频。图11.3 发射机锁相调频频合器方框图2锁相频率合成器环路参数设计2.1 环路参数设计公式U1内部的鉴相器PD采用电荷泵PD输出，图11.4是单端三态电流型电荷泵及外接的环路滤波器电路。图中，两只场效应管工作于开关状态：IP为恒流源；R2、Cl为环路滤波器；环路按照理想二阶环设计，有关设计公式如下。(1) 环路自然谐振频率n=IpK0/(2NC1)1/2 (11-3)式中K0为压控灵敏度，N为分频比。(2) 环路阻尼系数=R2C1n/2 (11-4)要保证环路稳定余量足够大及瞬态响应快应选取=0.61.0 (11-5)图11.4 单端三态电流型电荷泵及环路滤波器(3) 锁相调频当锁相频合器作为调频发射机的主振时，其电路框图如图11.3所示，基带调制信号um由VCO前单点注入环路，与环路控制电压uc相加后去控制VCO的频率。当环路设计成载波跟踪环时，uc为直流，um无畸变地到达VCO输入端，实现了理想调频。图11.3锁相调频频合器的相位模型如图11.5所示，则基带调制信号um至VCO调制频偏0之间的传递函数为图11.5 锁相调频频合器的相位模型框图则 (11-6)式中，He(S)为误差传递函数，He(j)为误差频率特性。由式（11-6）可见，单点注入锁相调频的调制频率特性为环路的误差频率特性He(j)乘以常数。容易导出，理想的二阶环误差频率特性的截止频率c为 (11-7)把常用代入式(11-7)得表14-3。可见近似有(11-8)表11.3 理想二阶环误差频率特性He(j)截止频率0.5000.7071.000c/n0.791.001.55故得理想二阶环误差频率特性He(j)如图11.6所示，呈现高通特性。图中亦标出基带调制信号um的频谱um(j)，它占据的频带为LH。若环路设计成载波跟踪状态即nL，如图11.5中所示，则可见在Um(j)为非0值范围内，恒有He(j)=1，代入式(11-6)得0(j)=K0Um(j)，求付里叶反变换得do/dt=Koum(t)，实现了理想调频。工程上，为保证单点注入式锁相调频环实现理想调频，应选取nL/3 (11-9)图11.6 理想二阶环误差频率特性及载波跟踪条件2.2 环路参数设计方法进行环路参数设计前IP、Ko、N及fr等己确定，再按以下步骤进行设计：(1) 按式(11-5)选定；(2) 由式(11-9)折衷选取n；(3 )将、n值代入式(11-3)、(11-4)，求出环路滤波器元件值： (11-10) (11-11)2.3 环路参数设计举例实验系统中BS发射机锁相频合的VCO压控特性实测结果如表11.4所示：表11.4 BS发射机VCO压控特性CH120fTx（MHz）46.00046.475uct(V)0.780.98电荷泵PD充放电电流IP=2.5mA；各频道分频比N见表11.1；环路参考信号频率fr=5KHz。根据以下步骤可设计出环路参数。(1) 按式(11-5)选择=l；已知话音信号最低频率fL=300Hz，按式(11-9)选择n=2100rad/s。(2) 由已知条件求VCO压控灵敏度平均值为 （3）由表11.1求环路分频比平均值为（4）将IP、K0、N及n代入式（11-10）得C1=2.510-31.49107/(29248(2100)2)=1.62 (uF)实际可取C1=1uF。将、n及C1代入式（11-11）得R2=21/(110-62100) =3.18K实际可取R2=3.3K。为进一步滤除鉴相纹波，在实际的环路中通常在滤波器前或后串联第二个附加低通滤波器，但其截止频率要远高于R2、C1组成的低通滤波器的截止频率。实际的环路滤波器电路及元件参数见附图2。由以上介绍可见，锁相环路性能参数、n的设计，就是对环路滤波器几只电阻、电容的设计，由此可见环路滤波器对环路性能的重大影响。3锁相频率合成器环路测量方法3.1 误差频率特性He(j)发射机输出调频信号由调频接收机解调后得到基带信号，其系统框图及数学模型如图11.7所示。图中，调频发射机的数学模型见式(11-6)，Kdm是接收机Rx的鉴频增益。由此得图11.7 调频收发信系统电路框图(a)及数学模型(b) (11-12)式中，k=K0Kdm。由式(11-14)可见，图11.7的调频收发信系统的解调输出与调制输入之间的频率特性就是发射环的误差频率特性。因而通过测量调频发信-收信系统间的传输函数的频率特性就可得出发射环的误差频率特性。3.2 环路捕捉时间CPU控制锁相环切换频道，环路重新捕捉，锁定于切换后的新频道上。捕捉过程中环路控制电压uc发生变化，其瞬态过程时间即环路捕捉时间。为便于观测，CPU以50ms为周期循环往复在两个频道间切换环路频率，uc波形为图11.8所示周期信号，可用示波50ms50ms器观测环路捕捉时间TP。图11.8 循环切换频道时环路控制电压波形环路捕捉时间TP按捕捉过程是否处于快捕带内而不同。捕捉过程处于快捕带内的实验标志是捕捉过程中PD向LF充电/放电脉冲宽度未超过两个鉴相信号中周期(Tr或Tf)较短者，即相差|e|未超过2，如图11.9所示；反之，处于快捕带外。图11.9 捕捉过程uc波形细节（处于快捕外带的情况）四、实验器材1移动通信实验系统1台；220M双踪示波器1 台3100M数字频率计1台4万用表或电压表1 台五、实验步骤(一) 测量实验仪发射机锁相频合工作频率1按单台实验仪配置实验，将数字频率计电缆接至BS（或MS）收发信机输出端Tx（TP102）（或MTx（TP200），去掉发射机音频调制（电位器W001左旋到底）。利用“前”或“后”键、“确认”键进入实验十一操作界面，如图11.10所示。图11.10 实验操作界面2利用“前”或“后”键选择“频道”，利用“+”或“-”键改变频道值，利用“清除”键选定BS发射机。按一下“PTT”键该发射机发射，数字频率计测量出被测发射机在该频道的发射信号频率。3重复2，测出被测发射机在20个频道上发射信号频率。4利用“清除”键选定MS发射机，重复2-3，测量MS发射机20个频道发射信号频率。5测量结束再按一下“PTT”键关闭发射机。将测量结果与表11-1、11-2设计标称值比较。(二) 测量发射机VCO调制灵敏度1利用“前”或“后”键选择“调制”，利用“+”或“-”键选择“1000Hz”。2利用“前”或“后”键选择“频道”，利用“+”或“-”键选择某一频道，利用“清除”键选定BS发射机。按一下“PTT”键该发射机发射，用示波器观测MS接收机解调输出TP207。调节电位器W001，使解调输出端TP207输出的1KHz音频信号幅度小于3Vp-p。同时，用示波器另一通道（置为DC方式）或高输入阻抗电压表测量BS发射机环路控制电压uct1及MS接收机一本振环路控制电压ucr2。3重复2，测量BS发射机及MS接收机在各频道下的锁相频合环路控制电压，记录在表11-5中。4利用“清除”键选定MS发射机，按以上方法，测量MS发射机及BS接收机在各频道下的锁相频合环路控制电压，记录在表11-5中。表11-5 收发信机工作频率及锁相频合控制电压CHTx-BS及Rx-MS发射、接收频率（MHz）Tx-BS环Uct1(V)Rx-MS-本振环Ucr2(V)Tx-MS及Rx-BS发射、接收频率（MHz）Tx-MS环Uct2(V)Rx-BS-本振环Ucr1(V)12345678910111213141516171819205按下式计算出四个锁相频VCO的平均压控灵敏度及各频道压控灵敏度K0。 (11-16) (11-17)7利用“清除”键选定BS或MS发射机，按一下“PTT”键该发射机发射。将示波器两个测量探头分别接在该发射机和对方接收机（MS或BS）的锁相频合环路控制电压输出端uct及ucr，示波器扫描时间置于20ms/格。利用“前”或“后”键选择“扫描”，收发信机自动扫描20个信道，示波器显示两个环路控制电压自动步进跳变，直观地显示锁相频合输出频率的控制变化过程。(三) 测量发射机锁相环调制频率特性及环路自然谐振频率n1将示波器的CH2测量探头接在BS侧调制输入TP106端（MOD1）；示波器CH1测量探头接至MS接收机输出TP207端（Dem2），用于监测调制输入及解调输出音频信号的幅度。2利用“前”或“后”键选择“频道”，利用“+”或“-”键置收发信机工作在某一频道（如CH10），利用“清除”键选定BS发射机。按一下“PTT”键BS发射机发射。3利用“前”或“后”键选择“调制”，利用“+”或“-”键选择“1000Hz”。通过电位器W001调整调制信号幅度使示波器CH1测量的MS接收机解调输出音频信号幅度为3Vp-p，此时发射机调制频偏约为3KHz。4保持调制输入音频信号幅度不变（由示波器CH2监测），利用“+”或“-”键改变调制信号频率，测量接收机解调输出TP207端音频信号幅度，记录在表11-6中。表11-6 测量发射机锁相环调制频率特性（MOD1= Vp-p）Fin(Hz)3400300020001000800600fcDem2 (Vp-p)32.1Dem2/ Dem2|1kHz10.7注：Dem2|1kHz表示1KHz时MS接收机解调输出音频信号幅度。测量完毕后，将Dem2幅度对1KHz时的幅度进行归一化，得BS发射机锁相环归一化调制频率特性，即环路误差频率特性He(j)。其中，归一化幅度等于所对应的频率为3dB截止频率fc，亦即环路自然谐振频率fn=n/2(见式11-8)。5将示波器CH1测量探头接至BS接收机输出TP107端（Dem1），利用“清除”键选定MS发射机。重复3-4，测量MS发射机锁相环调制频率特性数据记录在如表11-6所示格式的另一张表格中，求出环路误差频率特性及环路自然谐振频率fn。8测量结束再按一下“PTT”键关闭发射机。将环路自然谐振频率fn测量值与