数字鉴相器设计与DSP实现

1、XXXXXX大学研究生DSP公共实验实验报告实验名称： 数字鉴相器设计与DSP实现 学生学号： 学生姓名： 实验地点： 201X年X月一 实验目的(1) 熟悉CCS 集成开发环境，掌握工程的生成方法；(2) 掌握CCS 集成开发环境的调试方法；(3) 在CCS 集成开发环境中设计数字鉴相器，并在DSP硬件平台上实现。二 实验设备(1) TMS320VC5502实验箱一套；(2) 已经安装和配置Matlab以及CCS3.3开发环境的计算机一台。三 算法简介鉴相器是锁相环中重要的组成部件，它是一个相位比较装置，用来检测输入信号相位与反馈信号相位之间的相位差。输出的误差信号是相位差的函数。鉴相特性可

2、以是多种多样的，有正弦形特性，三角形特性，锯齿形特性等等。(1) 正切数字鉴相器通过环路的数学分析来建立数字鉴相器的数学模型，如图1所示为一种常用的数字锁相环。图1 数字锁相环输入：xt=Visinw0+(t)VCO输出：voc=Vocosw0t+'(t)， voc=Vosinw0t+'(t)通过同相、正交相乘器得到：yQt=xtvoct=Visinw0+tVocosw0t+'t=12VOVisine(t)+sin2w0t+t+'(t)yIt=xtvoct=Visinw0+tVosinw0t+'t=12VOVicose(t)-cos2w0t+t+'

3、;(t)经过低通滤波器滤波之后，二倍频项被滤波器滤除，只有低频分量。zQt=12VOViKl sinet，zIt=12VOViKl coset此处假设et= t-'(t)，Kl为低通滤波器的系数，并假设上下支路的滤波器特性相同，鉴相器为二象限正切鉴相器。所以 vdt=zQtzIt=tanet ,et-2,2vdt经过环路滤波器得到控制电压vct：vct=F(p)vdt，vct实现对VCO的载频控制。VCO输出相位可以表示为w0t+'t，'t=K00tvcd(2) 正弦数字鉴相器正弦鉴相器是指鉴相器的输出是正弦函数，利用此函数来控制VCO的输出。zQt=12VOViKl

4、sinet，zIt=12VOViKl coset由上式可得Vdt=zQt*zIt=kdsin(2et)以上推导表明，无论是采用哪一种特性的鉴相器，VCO的输入是受et控制的，环路滤波器输出为跟踪et提供了所需的误差控制电压，但在环路未锁定之时vdt控制VCO的频率、相位，向减小跟踪误差的方向调整。当环路锁定之后，et很小，所以，可以从同相支路获得解调信息。(3) 反正切数字鉴相器反正切法是通过2路正交信号直接得到输入与输出信号的相位差e，作为控制信号输出。其函数表达式为：Vct=atanzQtzIt(4) 消除符号模糊数字鉴相器消除符号模糊鉴相 法消除符号模糊鉴相法以sine作为控制信号。 其

5、函 数表达式为：Vet=zQtsignzIt式中：函数signx为符号函数， 其含义如下：(5) 鉴相特性比较正弦鉴相特性Vdt=zQt*zIt=kdsin(2et)，也就是鉴相器的数学模型，如图2所示。由图可见，正弦鉴相器的输出是连续的，要扩展跟踪频带带宽，必须对图中k1点和k2点进行校正。图2 正弦鉴相特性正切鉴相特性如图3所示。由于正切在2+k处输出为无穷大，所以必须对输出进行限幅，才能保证跟踪的正确性。另外，正切鉴相只是利用它-22的鉴相特性，所以对输出要进行校正，校正方法为，判断相邻两次的输出值，是否发生剧烈变化，否，则判断为在-22范围内，是，则把最后一次取反作为误差信号输出。图3

6、 正切鉴相特性反正切鉴相特性如图四所示。由 反正切函数特性可知，反正切鉴相法的鉴相范围为-22。图4 反正切鉴相特性消除符号鉴相特性如图5所示。由特性图可以看出，只有在区间-22内输入输出才有唯一对应关系，因此消除符号模糊鉴相法的鉴相范围为-22。图5 消除符号鉴相特性通过以上的介绍与分析，现将3种鉴相方法汇总如表1所示：表1 3种常用鉴相方法特性汇总四 实验内容在CCS 集成开发环境中设计该数字鉴相器，并在DSP硬件平台上实现。实验结果仿真图如图6-11所示。 图6 低信噪比下反正切鉴相法跟踪 图7 低信噪比下消除符号切鉴相法跟踪图8 低信噪比下正弦鉴相法跟踪 图9 低信噪比下消除符号鉴相法

7、跟踪图10 低信噪比下消除符号鉴相法跟踪 图11 高信噪比下消除符号鉴相法跟踪由仿真图可以看出，在高信噪比情况下，反正切法在1×104点即稳定， 跟踪误差最大为0.08弧度； 正弦法在2×104点处鉴相误差即为0.05弧度，稳定时， 最大鉴相误差在0.001弧度左右； 消除符号模糊法在0.9×104点处鉴相误差即为0.05弧度，稳定时，最大鉴相误差在0.001弧度 左右。从图中可以明显看出 ， 消除符号模糊法比正弦法先稳定。由低信噪比和高信噪比情况下2组仿真图片分析对比可知：（1）不论是在高信噪比还是低信噪比情况下，反正切法都有较快的频率跟踪速度，但是跟踪精度不如

8、另两种方法。因此，在对跟踪精度要求不高的情况下，采用反正切法最佳。（2）低信噪比情况下，正弦法比另2种方法跟踪精度都要高,且跟踪速度与消除符号模糊法相当。所以，若综合考虑，低信噪比下采用正弦法最佳。（3）高信噪比情况下，消除符号模糊法与反正切鉴相法相比具有较高的跟踪精度，与正弦法相比具有较快的跟踪速度且精度与其相仿。所以，若综合考虑，高信噪比下采用消除符号模糊法最佳。本文对常见的3种鉴相方法进行了分析仿真与总结，得出了在不同条件下3种鉴相方法的使用原则，对设计人员具有一定的帮助。五 实验中的问题通过本次实验，我基本熟悉了CCS的使用环境，对DSP程序的调试手段和调试方法也有所了解，并加深了我对DSP的理解。对于鉴相器的设计也有了较深的认识，但对于深层次的理解与应用还有所欠缺。六 参考文献1戴明桢周建江,TMS320C54x数字信号处理器结构原理及应用,北航出版南京航空航天大学研究生 DSP 综合实验报告 15 社,2001年 2张雄伟等,DSP芯片的原理与开发应用（第二版）,电子