锁相技术第10章

1、1 1 第十章 锁 相 环 仿 真 第十章 锁 相 环 仿 真 第一节运用SIMULINK仿真锁相环 第二节电路级锁相环仿真 习题 2 2 第十章 锁 相 环 仿 真 第一节运用SIMULINK仿真锁相环 一、通信同步锁相环仿真 SIMULINK通信单元的构建库中包含压控振荡器(VCO)和 锁相环(PLL)模型。VCO是锁相环中的关键部分，在仿真中分 为连续时间VCO和离散时间VCO两种，分别产生连续和离散 形式的信号。随输入压控信号幅度的不同，VCO产生不同频率 的正弦信号输出。 3 3 第十章 锁 相 环 仿 真 图10-1模拟带通型PLL 4 4 第十章 锁 相 环 仿 真 5 5 第十

2、章 锁 相 环 仿 真 1. 基带PLL 基带PLL仿真元件如图10-2所示。 6 6 第十章 锁 相 环 仿 真 图10-2基带PLL仿真元件图 (a) 基带PLL；(b) 线性基带PLL 7 7 第十章 锁 相 环 仿 真 图10-3基带PLL元件内部组成 (a) 基带PLL元件内部组成图；(b) 线性基带PLL元件内部组成图 8 8 第十章 锁 相 环 仿 真 2. 电荷泵PLL 电荷泵PLL仿真既可以是基带型，也可以是带通型，如图 10-4是其仿真元件图。 9 9 第十章 锁 相 环 仿 真 图10-4电荷泵PLL仿真元件图 10 10 第十章 锁 相 环 仿 真 图 10-5电荷泵P

3、LL模块鉴相器 11 11 第十章 锁 相 环 仿 真 图10-6双D鉴相器原理图与真值表 (a) 双D鉴相器原理图；(b) D触发器真值表 12 12 第十章 锁 相 环 仿 真 设ui(t)和uo(t)的频率分别为fr和fv，根据电路图及真值表可 得：当ui(t)和uo(t)频率相同时的三组鉴相状态为：u、d同为低 电平；u为高电平，d为低电平; u为低电平，d为高电平。这三 种状态分别称为n、u和d状态。在u状态下，u端输出的脉冲使 电荷泵对环路充电。在d状态下，d端输出的脉冲使电荷泵对 环路放电。在n状态下，环路滤波器既不充电也不放电，故称 为三态鉴相器。 fr=fv时的FPD波形如图

4、10-7所示。 13 13 第十章 锁 相 环 仿 真 图10-7fr=fv时的FPD波形 (a) 同相；(b) ui(t)超前uo(t); (c) uo(t)超前ui(t) 14 14 第十章 锁 相 环 仿 真 设电荷泵能提供的充放电电流为Ip，则充放电电流在一个 周期内的平均值是 (10-1) 该式反映出电荷泵鉴相器的鉴相特性。考虑到相位的周期性， 式(10-1)如图10-8所示。 15 15 第十章 锁 相 环 仿 真 图10-8电流型鉴相器的鉴相特性曲线 16 16 第十章 锁 相 环 仿 真 设鉴相器是电流型，当frfo时的波形如图10-9所示。图中 id(t)表示电荷泵提供的电流

5、。平均电流id(t)大于0，且频差越大， id(t)的正值越大。当frf0时电流型鉴相器的鉴相波形 18 18 第十章 锁 相 环 仿 真 在设计环路中ui(t)是输入信号，其频率fr是不受环路控制的， 因此在分析鉴频特性时fr为定值。而fv决定于VCO的振荡频率， 它随环路控制电压的变化而变化，因而把它表示为时 间的函数fv(t)。 19 19 第十章 锁 相 环 仿 真 令w=wrwv，由上述分析可得下列关系： w0时，id(t)决定于鉴相特性； w=时，id(t)=Ip，w=时，id(t)=Ip 由分析可得id(t)与w之间的关系近似为 (10-2) 2020 第十章 锁 相 环 仿 真

6、 因此，电流鉴相器的鉴相增益及鉴频增益分别为 鉴频增益 (10-3) 鉴相增益 (10-4) 21 21 第十章 锁 相 环 仿 真 下面以载波提取的实例说明PLL仿真过程，尤其是环路滤 波器参数的选取与计算。 对于无离散载波分量的信号，例如二进制等概率PSK信号， 抑制载波的双边带信号(DSB信号)，可以采用非线性变换的方 法从信号中获取载频，平方环和科斯塔斯环是有能力获 取载频的锁相环。下面以平方环为例来介绍环路的仿真过程。 2222 第十章 锁 相 环 仿 真 以等概二进制信源的PSK信号为例，设信号表达式为 (10-5) 其中，m(t)=1，当m(t)取+1和1等概率时，此信号的频谱中

7、 无wc载波频率分量。将式(10-5)平方可得： (10-6) 2323 第十章 锁 相 环 仿 真 设二进制信源等概的PSK通信系统，载波频率是10 kHz， 二进制符号速率为1 kbaud，采用平方环提取载波的simulink仿 真示意图如图10-10所示。 2424 第十章 锁 相 环 仿 真 图10-10 平方环提取载波的Simulink仿真图 2525 第十章 锁 相 环 仿 真 设VCO的本振频率为调制载波频率的两倍频，即20 kHz， 压控灵敏度K0=1000 Hz/V，本振初始相位设定为/3，链路中 没有加入相位延迟环节，所以相位差为/3。AWGN Channel 设置噪声方差

8、为0.001，由正弦调制信号幅度为1可知，平方环 输入信噪比为27 dB。 2626 第十章 锁 相 环 仿 真 理论上，只要环路滤波器采用一阶环以上都可以获得0稳 态相差。Transfer Fcn滤波模块的传递函数表示如下： (10-7) 2727 第十章 锁 相 环 仿 真 图10-11 在无频差条件下的一阶环路滤波器输出 2828 第十章 锁 相 环 仿 真 图10-12平方环二倍频提取和分频输出 2929 第十章 锁 相 环 仿 真 图10-13 仿真Scope图像参数设置 3030 第十章 锁 相 环 仿 真 图10-14环路滤波器输出 (a) 环路滤波器；(b) 二阶1型环环路滤波

9、器输出 31 31 第十章 锁 相 环 仿 真 图10-15低信噪比输入信号时的平方环滤波器输出 3232 第十章 锁 相 环 仿 真 图10-16低信噪比输入信号时的载波提取 3333 第十章 锁 相 环 仿 真 在实际环境中，接收机本振频率和接收信号频率存在微小 的误差或漂移，对于这种情况的仿真，设置VCO参数 “Quiescent frequency”偏离20 kHz，设其为20.10 kHz，频差为 0.1 kHz。噪声方差2n=0.001，在其它参数不变的条件下，沿用 二阶1型环路滤波器参数，可知K=K0Ud10001=1000，由RC 积分滤波器环路的捕获带 (10-8) 3434

10、 第十章 锁 相 环 仿 真 图 10-17未捕获环路滤波器输出波形 3535 第十章 锁 相 环 仿 真 有两种方法可以提高环路的捕获带，一种是提高环路增益 K值，一种是减小1，本仿真实验采用后者，设置1=0.005，重 新计算捕获带： (10-9) 3636 第十章 锁 相 环 仿 真 图 10-18进入捕获的环路滤波器输出 3737 第十章 锁 相 环 仿 真 由于在存在频偏条件下，二阶1型环尚不足以消除同步 信号的相位偏移，环路稳态条件下仍然存在稳定的相偏。图 10-19仿真验证了该结果。 (10-10) 3838 第十章 锁 相 环 仿 真 图10-19存在稳态相差的载波提取波形仿真

11、结果 3939 第十章 锁 相 环 仿 真 图10-20环路滤波器输出 (a) 环路滤波器；(b) 二阶2型环环路滤波输出 4040 第十章 锁 相 环 仿 真 图10-21不存在稳态相差的载波提取波形 41 41 第十章 锁 相 环 仿 真 二、锁相环频率合成器仿真 锁相频率合成器是目前应用最广泛的一种产生大范围、高 精确度和稳定度频率源的方法。第八章详细给出了频率合成器 的基本原理，下面以simulink仿真软件自带的数字锁相频率合 成器仿真程序为例，说明频率合成器仿真的实现。图10-22为 系统仿真模块组成图。 4242 第十章 锁 相 环 仿 真 图10-22数字锁相频率合成器的sim

12、ulink仿真图 4343 第十章 锁 相 环 仿 真 由设定参数可知目标合成频率为fo=100 MHz，图10-23所 示是频率合成器捕获锁定过程中压控信号的变化，锁定过程持 续了约10 ms，输出稳定在7/4幅度，按此计算VCO的输出频率 应为 (10-11) 4444 第十章 锁 相 环 仿 真 图10-23合成器捕获锁定过程中VCO控制电压的变化 4545 第十章 锁 相 环 仿 真 图10-24分频输出20MHz脉冲波形 4646 第十章 锁 相 环 仿 真 第二节电路级锁相环仿真 MATLAB/simulink中锁相环仿真偏重于理想构件的原理性 仿真，如果要搭建实际的锁相环电路，以

13、及调试电路参数，则 需要电路级的仿真工具。 4747 第十章 锁 相 环 仿 真 图 10-25PSPice中PLL调频信号检测跟踪环仿真图 4848 第十章 锁 相 环 仿 真 VPWL按以上设定的参数经过时间插值处理获得连续的模 拟波形，该波形为锯齿斜升信号。EVALUE元件按输入的锯齿 斜升信号产生频率斜升的调频信号，其参数表达式为： (10-12) 4949 第十章 锁 相 环 仿 真 其中time是内部时间变量，由V1的最高幅度为500 mV可 知，EVLAUE的输出扫频频率范围是0500 kHz。压控振荡器 的组成包括两个部分：积分器(INTEG)和正弦波产生器(ABM1)。 按照压控振荡器的原理 (10-13) 5050 第十章 锁 相 环 仿 真 图10-26PSPice仿真脚本参数设置 51 51 第十章 锁 相 环 仿 真 图10-27FM信号PLL鉴频解调仿真与分析结果 (a) 信号源输入；(b) EVALUE输出端斜升扫描信号；(c) 鉴相器输出； (d) 滤波器输出；(e) VCO输出；(f) 积分器输出 5252 第十章 锁 相 环 仿 真 【习题】 10-1试说明锁相环仿真的重要性。 10-2锁相环仿真有几种主要模式？各有何特点？ 10-3模拟基带PLL与模拟带通PLL的仿真有何不同？