锁相式数字频率合成器设计.docx

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锁相式数字频率合成器设计

信息科学与技术学院

通信原理课程设计

课题名称：

数字频带通信系统的建模与设计

学生姓名：

王太程

2011508199

学院：

信息科学与技术学院

专业年级：

电子信息工程2011级

指导教师：

钟福如

讲师

完成日期：

二○一四年七月十日

第0章引言

锁相环（PhaseLockLoop），简称PLL，是一种利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号反馈控制电路。

他的被控制量是相位，被控对象是压控振荡器。

如果锁相环路中压控振荡器的输出信号频率发生变化，则输入到相位比较器的信号相位θv（t）和θR（t）必然会不同，使相位比较器输出一个与相位误差成比例的误差电压Vd（t），经环路滤波器输出一个缓慢变化的直流电压Vc（t），来控制压控振荡器输出信号的相位，使输入和输出相位差减小，直到两信号之间的相位差等于常数。

此时，压控振荡器的输出信号频率和输入信号频率相等，且环路处于锁定状态。

锁相环是构成频率合成器的核心部件。

主要由相位比较器（PhaseDiscriminator）、压控振荡器（VoltageControlOscillator）、环路滤波器（LoopFilter）组成。

锁相环路是一个能跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统。

锁相环路系统在各个领域都有很多的用途，发展将势不可挡。

锁相环路在宇宙飞行目标的跟踪、遥测和遥控、电视接收机、电动机转速控制、自动跟踪调谐等领域都有更好的发展。

频率合成是电子系统中的关键技术，是决定电子系统性能的主要设备，随着通信、数字电视、卫星定位、航空航天、雷达和电子对抗等技术的发展，频率合成技术提出了越来越高的要求。

频率合成技术是将一个或多个高稳定、高精确度的标准频率经过一定变换，产生同样高稳定度和精确度的大量离散频率的技术。

锁相环是一个相位反馈控制系统，在数字锁相环中，由于误差控制信号是离散的数字信号，而不是模拟电压，因而受控的输出电压的改变是离散的而不是连续的；此外，环路组成部件也全用数字电路实现，故而这种锁相环就称之为数字锁相环（DigitalPhaseLockLoop）。

传统的锁相环由模拟电路实现，而数字锁相环与传统的模拟电路实现的PLL相比，具有精度高且不受温度和电压影响，环路带宽和中心频率编程可调，易于构建高阶锁相环等优点，并且应用在数字系统中时，不需A/D及D/A转换。

随着通讯技术、集成电路技术的飞速发展和系统芯片（SoC）的深入研究，数字锁相环必然会在其中得到更为广泛的应用。

近些年来,由于大规模集成电路制造技术的广泛运用,数字锁相环中的技术指标得到了很大的提高,同时电路的体积也大大减小。

利用这些高性能的器件,可以组成体积小、杂散分量低的频率合成器。

在许多电子设备中，常常需要产生多种频率且精度较高的信号，因此采用数字锁相环的频率合成器是一种比较实际可行的方法。

设计目的：

加深对锁相式频率合成器的理解，了解解调方法以及每种解调方法的模块建立，熟练使用systemview仿真软件。

锻炼动手能力等等，为以后更好的踏入社会打下坚实的基础。

第1章

1.1.1任务要求

锁相式数字频率合成器设计

1.1.2锁相环频率合成的原理

　　许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。

锁相环路是一种反馈控制电路，特点是利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。

因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。

锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。

锁相环通常由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分组成，锁相环组成的原理框图如下图所示。

图1-1锁相环原理图

锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成UD（t）电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压UC（t），对振荡器输出信号的频率实施控制。

锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图所示。

图1-2鉴相器原理图

鉴相器的工作原理是：

设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为：

（2-1）

（2-2）

式中的ω0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。

则模拟乘法器的输出电压uD为：

（2-3）

用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uC（t）。

即uC（t）为：

（2-4）

式中的ωi为输入信号的瞬时振荡角频率，θi（t）和θo（t）分别为输入信号和输出信号的瞬时位相，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为：

（2-5）

 即：

 （2-6）

则，瞬时相位差θd为：

（2-7）

对两边求微分，可得频差的关系式为：

（2-8）

上式等于零，说明锁相环进入相位锁定的状态，此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态，uc（t）为恒定值。

当上式不等于零时，说明锁相环的相位还未锁定，输入信号fi和输出信号fo的频率不相等，uc（t）随时间而变。

因压控振荡器的压控特性如图2-3所示，该特性说明压控振荡器的振荡频率ωu以ω0为中心，随输入信号电压uc（t）的变化而变化。

该特性的表达式为:

图1-3压控振荡器压控特性

上式说明当Uc（t）随时间而变时，压控振荡器的振荡频率ωu也随时间而变，锁相环进入“频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持

的状态不变。

1.1.3锁相环频率的合成与应用（调制与解调）

调制，是对信号源的信息进行处理，使其变为适合于信道传输的形式的过程。

一般来说，信号源的信息（也称为信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。

基带信号往往不能作为传输信号，因此必须把基带信号转变为一个相对基带频率而言频率非常高的信号以适合于信道传输。

这个信号叫做已调信号，而基带信号叫做调制信号。

调制是通过改变高频载波的幅度、相位或者频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化来实现的。

而解调则是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者（也称为信宿）处理和理解的过程。

调制在通信系统中有十分重要的作用。

通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于传播的已调信号，而且它对系统的传输有效性和传输的可靠性有着很大的影响，调制方式往往决定了一个通信系统的性能。

在通信中，常常采用的调制方式有以下几种：

对于模拟调制而言，主要有幅度调制（调幅AM，双边带调制DSB）和角度调制（调频，调相）两种。

对于数字调制而言，主要有脉冲调制（脉幅调制PAM，脉宽调制PWM等）以及增量调制DM等等。

1.1.4锁相环在调制中的应用

调频，就是载频的频率不是一个常数，是随调制信号而在一定范围内变化，其幅值则是一个常数。

与其对应的，调幅就是载频的频率是不变的，其幅值随调制信号而变。

一般干扰信号总是叠加在信号上，改变其幅值。

所以调频波虽然爱到干扰后幅度上也会有变化，但在接收端可以用限幅器将信号幅度上的变化削去，所以调频波的抗干扰性极好，用收音机接收调频广播，基本上听不到杂音。

使载波频率按照调制信号改变的调制方式叫调频。

已调波频率变化的大小由调制信号的大小决定，变化的周期由调制信号的频率决定。

已调波的振幅保持不变。

调频波的波形，就像是个被压缩得不均匀的弹簧，调频波用英文字母FM表示。

调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等，幅度随输入信号幅度的变化而变化；调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，相位随输入信号幅度的变化而变化。

调幅波和调频波的示意图如下图所示。

图1-4调幅波与调频波

上图的（a）是输入信号，又称为调制信号；图（b）是载波信号，图（c）是调幅波和调频波信号。

解调是调制的逆过程，它可将调制波Uo还原成原信号Ui。

1.1.5锁相环在解调中的应用

调频波的特点是频率随调制信号幅度的变化而变化。

由2-8式可知，压控振荡器的振荡频率取决于输入电压的幅度。

当载波信号的频率与锁相环的固有振荡频率ωo相等时，压控振荡器输出信号的频率将保持ωo不变。

若压控振荡器的输入信号除了有锁相环低通滤波器输出的信号uc外，还有调制信号ui，则压控振荡器输出信号的频率就是以ωo为中心，随调制信号幅度的变化而变化的调频波信号。

由此可得调频电路可利用锁相环来组成，由锁相环组成的调频电路组成框图如图2-5所示。

[1]

图1-5锁相环调频电路

根据锁相环的工作原理和调频波的特点可得解调电路组成框图如图2-6所示。

图1-6锁相环调频波解调电路

1.1.6锁相环在频率合成电路中的应用

在现代电子技术中，为了得到高精度的振荡频率，通常采用石英晶体振荡器。

但石英晶体振荡器的频率不容易改变，利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术，可以获得多频率、高稳定的振荡信号输出。

输出信号频率比晶振信号频率大的称为锁相倍频器电路；输出信号频率比晶振信号频率小的称为锁相分频器电路。

锁相倍频和锁相分频电路的组成框图所示。

图中的N大于1时，为分频电路；当0

图1-7锁相环频率合成器

1.2仿真工具SYSTEMVIEW简介

SystemView是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块（Token）去描述程序，无需与复杂的程序语言打交道，不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真，快速地建立和修改系统、访问与调整参数，方便地加入注释。

利用SystemView，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。

用户在进行系统设计时，只需从SystemView配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。

1.3电路的设计与调试

1.3.1三环式锁相环频率合成电路

三环式锁相环由三个锁相环构成，如图所示。

图1-8三环式频率合成器框图

环A和环B是锁相环倍频器，输入信号fi相同，图中为幅度为1V，频率为10Hz（图符0）；环A的输出信号叫做fA（t），环B的输出信号叫做fB（t），其中fA=NA×fi，fB=NB×fi，fC=fA/NC，图中为fA=10×100=1000Hz（输出32），fB=10×50=500Hz（输出33），fC=1000÷20=50Hz；根据锁相环的理论，当环C锁相环稳定时，fo（t）-fB（t）=fC（t），即f0（t）=fB（t）+fC（t），图中f0（t）=fB（t）+fC（t）=500+50=550Hz。

根据锁相环原理，鉴相器为模拟乘法器，模拟乘法器可以使用MainLibraries里面的Multiplier来模拟；环路滤波器是一个滤去两频率和频的低通滤波器，可以用LinearfilterSystem来设置；压控振荡器由MainLibraries里面的FreqMod来模拟。

混频器的作用是将两个信号相乘，故可用Multiplier模拟，然后再次通过一个低通滤波器滤掉和频，输入到鉴相器中[10]。

仿真原理图形如下：

图1-9整体系统仿真图

系统时间设定：

采样时间为0.05S，采样速率为20000HZ。

图符0：

正弦信号，幅度1V，频率为10HZ，相位为0。

图符3：

Bessel低通滤波器，5极点，截频10HZ。

图符4：

压控振荡器，幅度1V，频率990HZ。

图符6：

分频器，N=20。

图符8：

Bessel带通滤波器，5极点，截频=49-51HZ。

图符9：

Bessel低通滤波器，5极点，截频50HZ。

图符12：

压控振荡器，幅度1V，频率500HZ。

图符13：

压控振荡器，幅度1V，频率490HZ。

图符15：

Bessel低通滤波器，5极点，截频10HZ。

图符17：

分频器，N=50。

图符19：

分频器，N=100。

第2章

2.1仿真的结果及分析

图2-1

图2-2

图2-3

图2-4

对比以上4幅图，可以看出，图2-4是由前面三幅的波形叠加而成的。

第3章

本次课程设计主要有以下几个方面收获，以下全部都是在本次课程设计中的解决的问题和学到的东西：

SystemView软件的再次学习。

SystemView在仿真软件中也是具有分出重要的地位的，作为我们通信工程的专业的人来说，熟悉使用一款以上的电路仿真软件是必须的。

电路仿真时我们通信系统在检测我们的设计是一个重要的工具，当我们设计的电路能够在电路上实现时，我们的设计的电路才有可能能够在实际中实现，也许实际更难实现，有很多的环境等因素我们在仿真时很难考虑到。

所以这次对于我来说是一个非常好的机会来学习这款软件，通过自己把这些电路图实现，能够基本掌握了其中一些常用的软件的相关知识。

对于以后进一步去掌握这款软件打下坚实的基础。

提高了动手能力。

在这次课程设计中，我通过由不熟悉这款软件，到自学其中的知识，并且在网络上查找窗口中的界面的介绍，自学这款软件，并独立完成全部的仿真的内容，仿真的结果与预想中的差不太大，符合我们所学的内容。

通过本次设计，更使我明白了学习和实践之间的密切关系，同时也为我在以后的工作岗位上能够更好的发挥自己的能力，累积了不少的经验。

参考文献

[1]樊昌信、曹丽娜.《通信原理》.国防工业出版社.2008.

[2]关青山.《数字调制解调基础》.科学出版社.2002

[3]林理明.数字通信技术[M].高等教育出版社.2006