通信原理实验二

1、通信原理实验二 数字锁相环 一 实验目的1、了解数字锁相环的基本概念2、熟悉数字锁相环与模拟锁相环的指标3、掌握全数字锁相环的设计二 实验仪器1、JH5001 通信原理综合实验系统2、20MHz 双踪示波器3、函数信号发生器 三 实验原理和电路说明数字锁相环的结构如图 2.2.1 所示，其主要由四大部分组成：参考时钟、多模分频器（一般为三种模式：超前分频、正常分频、滞后分频）、相位比较（双路相位比较）、高倍时钟振荡器（一般为参考时钟的整数倍，此倍数大于20）等。数字锁相环均在FPGA 内部实现，其工作过程如图2.2.2 所示。在图 2.2.1，采样器1、2 构成一个数字鉴相器，时钟信号E、F

2、对D 信号进行采样，如果采样值为01，则数字锁相环不进行调整（64）；如果采样值为00，则下一个分频系数为（1/63）；如果采样值为11，则下一分频系数为（65）。数字锁相环调整的最终结果使本地分频时钟锁在输入的信道时钟上。在图 2.2.2 中也给出了数字锁相环的基本锁相过程与数字锁相环的基本特征。在锁相环开始工作之前的T1 时该，图2.2.2 中D 点的时钟与输入参考时钟C 没有确定的相关系，鉴相输出为00，则下一时刻分频器为63 模式，这样使D 点信号前沿提前。在T2 时刻，鉴相输出为01，则下一时刻分频器为64 模式。由于振荡器为自由方式，因而在T3 时刻，鉴相输出为11，则下一时刻分频

3、器为65 模式，这样使D 点信号前沿滞后。这样，可变分频器不断在三种模式之间进行切换，其最终目的使D 点时钟信号的时钟沿在E、F 时钟上升沿之间，从而使D点信号与外部参考信号达到同步。在该模块中，各测试点定义如下：1、TPMZ01：本地经数字锁相环之后输出时钟（56KHz）2、TPMZ02：本地经数字锁相环之后输出时钟（16KHz）3、TPMZ03：外部输入时钟4 分频后信号（16KHz）4、TPMZ04：外部输入时钟4 分频后延时信号（16KHz）5、TPMZ05：数字锁相环调整信号四 实验内容以及观测结果准备工作：用函数信号发生器产生一个 64KHz 的TTL 信号送入数字数字信号测试端口

4、J007（实验箱左端）。1. 锁定状态测量用示波器同时测量 TPMZ03、TPMZ02 的相位关系，测量时用TPMZ03 同步； 由上图可看出，将64KHz 的TTL 信号送入端口J007时，TPMZ03、TPMZ02上升沿对齐，环路锁定。2. 数字锁相环的相位抖动特性测量数字锁相环在锁定时，输出信号存在相位抖动是数字锁相环的固有特征。测量时，以TPMZ03 为示波器的同步信号，用示波器测量TPMZ02，仔细调整示波器时基，使示波器刚好容纳TPMZ02 的一个半周期，观察其上升沿。可以观察到其上升较粗（抖动），其宽度与TPMZ02 周期的比值的一半即为数字锁相环的时钟抖动。由上图可看出上升较粗

5、（抖动）宽度约为0.45格，整个周期约是6.2格，因而数字锁相环的时钟抖动为0.45/(6.2*2)=0.0363。3. 锁定过程观测 用示波器同时观测TPMZ03、TPMZ02 的相位关系，测量时用TPMZ03 同步；复位通信原理综合实验系统，则FPGA 进行初始化，数字锁相环进行重锁状态。此时，观察它们的变化过程（锁相过程）。 在第一项实验内容锁相状态测量时，观测TPMZ03、TPMZ02 的波形上升沿对齐，环路锁定。复位通信原理综合实验系统，波形随即变为两直线，如上图，然后几秒后又重新恢复锁定状态。4. 同步带测量（1） 用函数信号发生器产生一个64KHz 的TTL 信号送入数字信号测试

6、端口J007。用示波器同时测量TPMZ03、TPMZ02 的相位关系，测量时用TPMZ03 同步；正常时环路锁定，该两信号应为上升沿对齐。（2） 缓慢增加函数信号发生器输出频率，直至TPMZ03、TPMZ02 两点波形失步，记录下失步前的频率。（3） 调整函数信号发生器频率，使环路锁定。缓慢降低函数信号发生器输出频率，直至TPMZ03、TPMZ02 两点波形失步，记录下失步前的频率。（4） 计算同步带。同步带=66.12KHz-61.88 KHz=4.24 KHz。5. 捕捉带测量（1） 用函数信号发生器产生一个64KHz 的TTL 信号送入数字信号测试端口J0007。用示波器同时测量TPMZ

7、03、TPMZ02 的相位关系，测量时用TPMZ03同步；在理论上，环路锁定时该两信号应为上升沿对齐。（2） 增加函数信号发生器输出频率，使TPMZ03、TPMZ02 两点波形失步；然后缓慢降低函数信号发生器输出频率，直至TPMZ03、TPMZ02 两点波形同步。记录下同步一刻的频率。上图同步一刻的频率是66.03KHz。（3） 降低函数信号发生器输出频率，使TPMZ03、TPMZ02 两点波形失步；然后缓慢增加函数信号发生器输出频率，直至TPMZ03、TPMZ02 两点波形同步。记录下同步一刻的频率。（4） 计算捕捉带。捕捉带=66.03-62.07=3.96KHz。六 实验总结（1）分析总结数字锁相环与模拟锁相环同步带和捕捉带的大致关系。对于这次数字锁相环实验，由实验内容2，还有查阅相关资料，可以了解到数字锁相环在锁定时，输出信号存在相位抖动是数字锁相环的固有特征。也正是由于这个相位抖动特性，使得数字锁相环的同步带和捕捉带的带宽相对较窄，有实验内容4、5加以验证，而且同步带与捕捉带大致相等。 第一次实验模拟锁相环，同步带，捕捉带的宽度都很大，而且我测得的同步带带宽要比捕捉带带宽大了约5KHz，数字