调制跟踪环在通信中的应用

锁相技术锁相技术 课程结业论文课程结业论文 题题 目目 调制跟踪环在通信中的应用调制跟踪环在通信中的应用 院系名称：院系名称： 信息科学与工程学院信息科学与工程学院 专业班级：专业班级： 电子信息工程电子信息工程 学生姓名：学生姓名： 星空星空 学学 号：号： 授课教师：授课教师： 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） ， ，构成了调制跟踪 环，称此环路工作在调制跟踪状态。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：关键词：锁相环；VCO；解调电路；调制跟踪环；锁相鉴频 目录目录 1 1 绪论绪论 .4 4 1.1 课题目的和意义 .4 1.2 课题研究内容 .4 2 2 基于锁相环的调制跟踪原理基于锁相环的调制跟踪原理.5 5 2.1 锁相环.5 2.1.1 锁相环的基本组成.5 2.1.2 锁相环的工作原理 .5 2.1.3 锁相环的解调电路 .6 2.2 锁相环的调制跟踪原理.6 3 3 锁相鉴频在调制跟踪环中的工作原理锁相鉴频在调制跟踪环中的工作原理.7 7 结结 论论 .8 8 参参 考考 文文 献献 .8 8 1 1 绪论绪论 1.11.1 课题目的和意义课题目的和意义 数字通信显著的优点：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。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。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。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。 1.21.2 课题研究内容课题研究内容 锁相环（PLL）是一种闭环的自动跟踪负反馈系统。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。 锁相环路具有载波跟踪特性，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;锁相环路具有调制跟踪特性，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。 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） ，构成了调制跟踪环，称此环路工作在调制跟踪状态。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。 2 2 基于锁相环的调制跟踪原理基于锁相环的调制跟踪原理 2.12.1 锁相环锁相环 2.1.1 锁相环的基本组成 图 1 锁相环基本组成 环路锁定时，鉴相器的两个输入信号频率相等，没有频率误差。 频率跟踪特性：环路锁定时，VCO 输出频率能在一定范围内跟踪输入信号频率的变化。 窄带滤波特性：可以实现高频窄带带通滤波。 2.1.2 锁相环的工作原理 鉴相器（PD）：用以比较、相位， 输出反映相位误差 的电压。 i u o u( ) D ut 环路滤波器（LF）：用以滤除误差信号中的高频分量和噪声，提高系统稳定性。 压控振荡器（VCO）：在控制下输出相应频率。( ) C ut o f 图 2 与的频率和相位之间的关系 o U i U 两个正弦信号的频率和相位之间的关系如图 2 所示，若能保证两个信号之间的相位 差恒定，则这两个信号的频率必相等。 若，则称电路处于失锁状态，和之间产生相位变化，鉴相器输出误 io ( ) i u t( ) o u t 差电压，它与瞬时误差相位成正比，经过环路滤波，滤除了高频分量和噪声而取出( ) D ut 缓慢变化的电压，控制 VCO 的角频率，去接近。最终使，相位误差为( ) C ut o i io 常数，环路锁定，这时的相位误差称为剩余相位误差或稳态相位误差。 2.1.3 锁相环的解调电路 图 3 锁相解调电路原理框图 输入为调频信号，当环路锁定后，压控振荡器的振荡频率就精确地跟踪输入调频信 号的瞬时频率而变化，产生具有相同调制规律的调频信号。只要压控振荡器的频率控制 特性是线性的，压控振荡器的控制电压 uc(t) 就是输入调频信号的原调制信号。 要求：捕捉带 输入调频信号的最大频偏环路带宽大于输入调频信号中调制信号 的频谱宽度 2.22.2 锁相环的调制跟踪原理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） （2.2.1） He（j）=e（j）/i（j） （2.2.2） 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 （2.2.3） He（j）0 （2.2.4） 成立，此时环路可完全跟踪 i（t） ，即 0（t）i（t）（2.2.5） e（t）0（2.2.6） u0（t）U0cosit+i(t) （2.2.7） 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 3 锁相鉴频在调制跟踪环中的工作原理锁相鉴频在调制跟踪环中的工作原理 鉴相器 （PD） 压控振荡器 （VCO） 环路滤波器 （LF） 0 ( )( ) FiFf tK vt ( ) i v t( ) d v t ( ) P vt )(tvo 解调信号的输出解调信号的输出 图 4 锁相鉴频工作原理 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。 结结 论论 1: 锁相鉴频电路 本电路可划分为三个模块：调频信号的产生：环路锁相环：解调输出信号： 2：各模块时域波形： 1）：基带信号： 2）：调频信号 3）：乘法器输出信号 4） ；低通滤波器输出信号 5） ；线性放大信号 6）压控振荡器输出信号 7）：解