《锁相技术》课件第10章

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。图10-1模拟带通型PLL

1.基带PLL

基带PLL仿真元件如图10-2所示。图10-2基带PLL仿真元件图(a)基带PLL；(b)线性基带PLL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

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。图10-4电荷泵PLL仿真元件图图10-5电荷泵PLL模块鉴相器图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10-7所示。图10-7

fr=fv时的FPD波形(a)同相；(b)ui(t)超前uo(t);(c)uo(t)超前ui(t)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。图10-8电流型鉴相器的鉴相特性曲线设鉴相器是电流型，当fr>fo时的波形如图10-9所示。图中id(t)表示电荷泵提供的电流。平均电流id(t)大于0，且频差越大，id(t)的正值越大。当fr<fo时，只要将电流波形倒相即可，此时，id(t)平均电流小于0，且频差越大id(t)越负。当fr=fv时，id(t)=0。图10-9

fr>f0时电流型鉴相器的鉴相波形在设计环路中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)。令Δw=wr－wv，由上述分析可得下列关系：

·Δw≈0时，id(t)决定于鉴相特性；

·Δw=∞时，id(t)=Ip，Δw=－∞时，id(t)=－Ip

由分析可得id(t)与Δw之间的关系近似为

(10-2)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)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。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，此信号的频谱中无wc载波频率分量。将式(10-5)平方可得：

(10-6)设二进制信源等概的PSK通信系统，载波频率是10kHz，二进制符号速率为1kbaud，采用平方环提取载波的simulink仿真示意图如图10-10所示。图10-10平方环提取载波的Simulink仿真图设VCO的本振频率为调制载波频率的两倍频，即20kHz，压控灵敏度K0=1000Hz/V，本振初始相位设定为π/3，链路中没有加入相位延迟环节，所以相位差为π/3。［AWGNChannel］设置噪声方差为0.001，由正弦调制信号幅度为1可知，平方环输入信噪比为27dB。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。［TransferFcn］滤波模块的传递函数表示如下：

(10-7)图10-11在无频差条件下的一阶环路滤波器输出图10-12平方环二倍频提取和分频输出图10-13仿真Scope图像参数设置图10-14环路滤波器输出(a)环路滤波器；(b)二阶1型环环路滤波器输出图10-15低信噪比输入信号时的平方环滤波器输出图10-16低信噪比输入信号时的载波提取在实际环境中，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“Quiescentfrequency”偏离20kHz，设其为20.10kHz，频差为0.1kHz。噪声方差σ2n=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=K0Ud≈1000×1=1000，由RC积分滤波器环路的捕获带

(10-8)图10-17未捕获环路滤波器输出波形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τ1，本仿真实验采用后者，设置τ1=0.005，重新计算捕获带：

(10-9)图10-18进入捕获的环路滤波器输出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)图10-19存在稳态相差的载波提取波形仿真结果图10-20环路滤波器输出

(a)环路滤波器；(b)二阶2型环环路滤波输出图10-21不存在稳态相差的载波提取波形二、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。图10-22数字锁相频率合成器的simulink仿真图由设定参数可知目标合成频率为fo=100MHz，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10ms，输出稳定在7/4幅度，按此计算VCO的输出频率应为

(10-11)图10-23合成器捕获锁定过程中VCO控制电压的变化图10-24分频输出20MHz脉冲波形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，以及调试电路参数，则需要电路级的仿真工具。图10-25

PSPice中PLL调频信号检测跟踪环仿真图

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)其中time是内部时间变量，由V1的最高幅度为500mV可知，EVLAUE的输出扫频频率范围是0～500kHz。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)图10-26

PSPice仿真脚本参数设置图10-27

FM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

【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？要注意什么问题？