同步技术实验指导书

1、电子科技大学通信学院同步技术实验系统指导书同步技术系统实验 班 级 7班 学 生 李孟阳 学 号 2012079070020 教 师 同步技术实验系统指导书同步技术实验系统一、实验目的1. 研究锁相环的基本工作原理，用锁相环实现调制、解调器的工作原理。2. 加深对鉴相器PD、环路滤波器LF、压控振荡器VCO等环路部件在环路中的作用理解。3. 掌握锁相环的三个优良特性，即：载波跟踪特性、调制跟踪特性及低门限特性。4.掌握锁相环实验系统的组成及各功能模块在系统中的作用。5. 熟悉用锁相环实现调制、解调器原理与方法。6. 理解锁系统参数的设置及参数对系统性能的影响。二、实验原理1. 调制跟踪与载波跟

2、踪由于锁相环路的闭环频率响应呈低通特性，那么输入正弦调相信号加到环路上之后，环路输出相位能否跟踪输入相位就取决于调制频率与环路截止频率之间的关系。（1）调制跟踪 当小于 时，即处于闭环低通特性的通带之内时，将跟踪的瞬时变化，压控振荡器的输出电压也就成为一个正弦调相信号 在这种情况下，环内压控振荡器的输出电压跟踪了输入电压的相位调制。这种跟踪状态称为调制跟踪。在调制跟踪状态，误差相位一定是比较小的。工作在调制跟踪状态的锁相环路可用作调频信号的解调器。设有一个角频率为、初相为正弦调制信号 （1）用它来调制一个角频率等于的载波，那么可以得到瞬时角频率为 （2）的已调波。式中 为调制器的灵敏度； 为峰

3、值频偏。已调波的瞬时相位 （3）调频波的完整表达式为 （4）此信号加到调制跟踪锁相环路，环内压控振荡器的输出电压将跟踪输入相位调制，于是得 （5）即输出相位 （6）根据压控振荡器的控制特性 （7）用带入上式得 （8）比较式（1）和式（8）可见，两者幅度成正比例，相位差了一个相移量，所以可作为解调输出。（2）载波跟踪当大于时，即调制频率处于闭环低通特性的通带之外时，已不能跟踪的变化。此时，压控振荡器就没有相位调制，是一个未调载波 （9）当输入信号的载波产生缓慢漂移时，由于环路要维持锁定，压控振荡器输出的未调载波的频率也会跟随着漂移。这种环路输出相位没有跟踪输入的相位调制，而是跟踪了输入信号载频的

4、漂移，这也是一种跟踪状态，称为载波跟踪。由于未跟踪输入的相位调制，据的关系，显然此环路的相位误差一定比较大，恰恰就是 跟踪了的相位调制。这就是误差响应的高通特性。2. 模拟调频信号的调制器与解调器（1）调频信号设幅度为1的单一频率的调制信号 （10）则调频信号为 （11）式中 为载频； 为载波幅度； 为峰值频偏。将式（6）代入式（7）得 已调信号的幅度为常数，其瞬时频率正比于调制信号。（2）调制器压控振荡器可以直接作FM调制器，如图1所示。图1 锁相调制器将调制信号加在VCO输入端，即控制电压端，在VCO的输出端就能得到调频信号FM。（3）解调器调制跟踪的锁相环本身就是一个FM解调器，从压控振

5、荡器输入端得到解调输出。解调系统如图2所示。图2 锁相解调系统 当环路工作在调制跟踪状态时，VCO输出信号的相位可以完全跟踪环路输入信号的相位。当为调频信号时，也为调频信号且其瞬时频率相同，因此VCO的控制电压即为所需的解调输出信号。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补偿，图2中的输出滤波器就是为此目的而设计的。三、实验系统的组成本实验是运用MATLAB软件的集成开发工具SIMULIK搭建了一个锁相环软件仿真实验系统，用以模拟调频调制器与解调器的实现。实验者可以在系统上进行不同参数的设置或更改，研究锁相环路的调制跟踪与载波跟踪特性，并通过计数显示观察载波

6、是否同步。系统框图如图3所示。图3 锁相环路实验仿真系统图 仿真系统由信号发生器模块、调频信号产生模块、锁相环路模块、计数显示模块、波形显示器等模块组成。 信号发生器由两个正弦波发生器和一个直流信号源组成，通过对信号发生器模块的设置：可得到单频正弦波、幅度调制波、纯直流信号，作为实验用的调制信号波形，通过波形显示器可观察到信号的波形。 信号发生器产生的信号加到VCO上，能改变VCO的振荡频率，从而可实现调频调制器。改变VCO振荡频率，就改变了调制载波的频率。改变在调制信号不为0和纯直流的情况下，VCO的输出就是调频波。在波形显示器可观察到VCO输出波形。 将VCO输出信号加入锁相环路，可对输入

7、相位进行调制跟踪或载波跟踪，这取决于环路的参数设置。环路有三个输出端：第1个输出端为鉴相器输出，在波形显示2上，可观察到鉴相器的鉴相特性波形。第2个输出端为环路滤波器输出，即压控振荡器的控制电压端，若锁相环路设置成调制跟踪环，在压控振荡器的控制电压端得到的就是调频信号的解调信号。在显示器1上可观察到调制信号与解调信号的对比波形。第3个输出端为压控振荡器的输出，在调制跟踪的状态下，压控振荡器的输出与相同，两者直接只有一个很小的相位差。若环路工作在载波跟踪状态，则压控振荡器的输出跟踪的是误差相位的变化。在波形显示器3上可观测到调频波与压控振荡器输出波形的对比波形。计数显示模块采用波形过零点检测计数

8、法，分别检测VCO输出信号与压控振荡器输出信号，Display1显示的是压控振荡器输出的脉冲数，也即压控振荡器的输出频率；Display2显示的是VCO输出的脉冲数，也即VCO的输出频率。通过观测Display1与Display2数字，便可分析出输入信号与输出信号是否同步。调频信号输出校正模块由放大器和直流分量补偿器两部分组成，具体参数由系统所设置而定。 四、实验步骤及内容打开仿真系统，设置参数：1. 将正弦波发生器1接0，即将Sine Wave1接0，此时只用一个正波发生器做为调制信号对VCO进行调频。输入数据与输出数据见表1，由实验者操作、记录。要求画出波形显示器的波形、将数据结果填入表1

9、（一个数据对应一组波形）。输入正弦信号频率（rad/s）幅度（V）脉冲计数1脉冲计数2同步分析101683683同步201692692同步301598598同步40112291229同步50110301030同步80119881988同步100117561756同步200114451445同步300118951895同步500115131513同步表1 频率变化实验参数表注：同步分析指的是实验者在实验过程对实验结果的分析，即环路是否同步？锁相环跟踪的是调制信号、还是载波信号？ 2. 系统设置如表2所示，此时频率相同，改变输入信号幅度。要求画出波形显示器的波形，数据结果填入表2。表2 幅度变化实

10、验参数表表2 幅度变化实验参数表输入正弦信号频率（rad/s）幅度（V）脉冲计数1脉冲计数2同步分析251377377同步252515515同步253514514同步25420562057同步25513401341同步251014961463同步2512552512510 3. 将正弦波发生器1接入，即两个Sine Wave都接入，此时VCO输入信号为幅度调制信号。因为：两个Sine Wave信号相加的关系为 这样就形成了一个调幅波，其中包含两个频率，即 与 ，锁相环在做调制跟踪时，只能跟踪一个频率，即锁定的是调幅时，做调制信号的频率。实验参数设置如表3所示。要求同1，2。表3 调幅波变化实验参数表输入正弦信号频率（rad/s）幅度（V）脉冲计数1脉冲计数2同步分析25（1） 40 （2）1606606同步25（1） 80 （2）17797