实验三模拟锁相环与载波同步实验.docx
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实验三模拟锁相环与载波同步实验
实验三 模拟锁相环与载波同步实验
一、实验目的
1.掌握模拟锁相环的工作原理,以及环路的锁定状态、失锁状态、同步带、捕捉带等基本概念
2.掌握用平方环法从2DPSK信号中提取相干载波的原理及模拟锁相环的设计方法
3.了解相干载波相位模糊现象产生的原因
二、实验内容
1.观察模拟锁相环的锁定状态、失锁状态及捕捉过程
2.观察环路的捕捉带和同步带
3.用平方环法从2DPSK信号中提取载波同步信号,观察相位模糊现象
三、基本原理
常用平方环或同相正交环(科斯塔斯环)从2DPSK信号中提取相干载波。
本实验用平方环,其原理方框图及电路原理图如图3-1、图3-2所示。
图3-1 载波同步方框图
载波同步模块上有以下测试点及输入输出点:
2DPSK-IN 2DPSK信号输入点
MU 平方器输出测试点,VP-P>1V
COMP 锁相环输入信号测试点
Ud 锁相环压控电压测试点
VCO 锁相环输出信号测试点,VP-P>0.2V
CAR-OUT 相干载波信号输出点/测试点
图3-1中各单元与图3-2中的主要元器件的对应关系如下:
平方器 U2:
模拟乘法器MC1496
鉴相器 U4:
锁相环HC4046
环路滤波器 U4:
锁相环HC4046
压控振荡器 U4:
锁相环HC4046
÷2 U6:
D触发器74HC74
移相器 U8:
单稳态触发器74LS123
滤波器 电感L1;电容C43
压控振荡器 U5:
锁相环CD4046
锁相环由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)及压控振荡器(VCO)组成,如图3-3所示。
图3-3 锁相环方框图
模拟锁相环中,PD是一个模拟乘法器,LF是一个有源或无源低通滤波器。
锁相环路是一个相位负反馈系统,PD检测ui(t)与uo(t)之间的相位误差并进行运算形成误差电压ud(t),LF用来滤除乘法器输出的高频分量(包括和频及其他的高频噪声)形成控制电压uc(t),在uc(t)的作用下、uo(t)的相位向ui(t)的相位靠近。
设ui(t)=Uisin[ωit+θi(t)],uo(t)=Uocos[ωit+θo(t)],则ud(t)=Udsinθe(t),θe(t)=θi(t)-θo(t),故模拟锁相环的PD是一个正弦PD。
设uc(t)=ud(t)F(P),F(P)为LF的传输算子,VCO的压控灵敏度为Ko,则环路的数学模型如图3-4所示。
图3-4 模拟环数学模型
当
时,
,令Kd=Ud为PD的线性化鉴相灵敏度、单位为V/rad,则环路线性化数学模型如图3-5所示。
图3-5 环路线性化数学模型
由上述数学模型进行数学分析,可得到以下重要结论:
当uI(t)是固定频率正弦信号(θI(t)为常数)时,在环路的作用下,VCO输出信号频率可以由固有振荡频率ωo(即环路无输入信号、环路对VCO无控制作用时VCO的振荡频率),变化到输入信号频率ωI,此时θo(t)也是一个常数,ud(t)、uc(t)都为直流。
我们称此为环路的锁定状态。
定义Δωo=ωI-ωo为环路固有频差,Δωp表示环路的捕捉带,ΔωH表示环路的同步带,模拟锁相环中Δωp<ΔωH。
当|Δωo|<ΔωP时,环路可以进入锁定状态。
当|Δωo|<ΔωH时环路可以保持锁定状态。
当|Δωo|>ΔωP时,环路不能进入锁定状态,环路锁定后若Δωo发生变化使|Δωo|>ΔωH,环路不能保持锁定状态。
这两种情况下,环路都将处于失锁状态。
失锁状态下ud(t)是一个上下不对称的差拍电压,当ωI>ωo,ud(t)是上宽下窄的差拍电压;反之ud(t)是一个下宽上窄的差拍电压。
环路对θI(t)呈低通特性,即环路可以将θI(t)中的低频成分传递到输出端,θI(t)中的高频成分被环路滤除。
或者说,θo(t)中只含有θI(t)的低频成分,θI(t)中的高频成分变成了相位误差θe(t)。
所以当uI(t)是调角信号时,环路对uI(t)等效为一个带通滤波器,离ωI较远的频率成分将被环路滤掉。
环路自然谐振频率ωn及阻尼系数ζ(具体公式在下文中给出)是两个重要参数。
ωn越小,环路的低通特性截止频率越小、等效带通滤波器的带宽越窄;ζ越大,环路稳定性越好。
当环路输入端有噪声时,θI(t)将发生抖动,ωn越小,环路滤除噪声的能力越强。
实验一中的电荷泵锁相环4046的性能与模拟环相似,所以它可以将一个周期不恒定的信号变为一个等周期信号。
有关锁相环理论的详细论述,请读者参阅文献[3]。
对2DPSK信号进行平方处理后得
,
此信号中只含有直流和2ωc频率成分,理论上对此信号再进行隔直流和二分频处理就可得到相干载波。
锁相环似乎是多余的,当然并非如此。
实际工程中考虑到下述问题必须用锁相环:
平方电路不理想,其输出信号幅度随数字基带信号变化,不是一个标准的二倍频正弦信号。
即平方电路输出信号频谱中还有其它频率成分,必须滤除。
接收机收到的2DPSK信号中含有噪声(本实验系统为理想信道,无噪声),因而平方电路输出信号中也含有噪声,必须用一个窄带滤波器滤除噪声。
锁相环对输入电压信号和噪声相当于一个带通滤波器,我们可以选择适当的环路参数使带通滤波器带宽足够小。
Vcc PH1
16 14
PH2 2 PHo1
3 PHo2
13 R
VCO1 4 9 VCO2
C 6 C
Vss 7 10
11
Vss 12 R2 R1
inh 15
Vss
Vss
当固有频差为0时,模拟环输出信号的相位超前输入相位90,必须对除2电路输出信号进行移相才能得到相干载波。
移相电路由两个单稳态触发器U56:
A和U56:
B构成。
U56:
A被设置为上升沿触发,U56:
B为下降沿触发,故改变U56:
A输出信号的宽度即可改变U56:
B输出信号的相位,从而改变相干载波的相位。
此移相电路的移相范围小于90。
可对相干载波的相位模糊作如下解释。
在数学上对cos2ωct进行除2运算的结果是cosωct或-cosωct。
实际电路也决定了相干载波可能有两个相反的相位,因二分频器的初始状态可以为“0”也可以是“1”。
在本套实验装置中,鉴相器、环路滤波器、压控振荡器采用数字集成琐相环芯片CD4046,现对此芯片介绍如下:
CD4046是一数字集成锁相环,它包括鉴相器和压控振荡器。
它的组成框图如上图所 示。
该片内有两个鉴相器供选择,一个是异或门鉴相器,一个是鉴频-鉴相器。
四、实验步骤
本实验使用数字信源(EL-TS-M6)、数字调制(EL-TS-M4)、载波同步及模拟锁相环(EL-TS-M4)两个模块。
1.熟悉上述四个单元的工作原理。
2.将信源模块的BS-OUT、NRZ-OUT、CLK分别连接到数字调制模块的BS-IN、NRZ-IN和CLK,再将调制模块的2DPSK连接到载波同步模块的2DPSK-IN。
将模拟锁相环及载波同步单元的KEY波动开关拨到上方,用示波器顺序观察2DPSK,MU,VCO,COMP,Ud,CAR-OUT信号,结合原理图理解从2DPSK信号中提取载波的过程。
3.用示波器观察锁相环的锁定状态、失锁状态。
环路锁定时,环路输入信号频率等于反馈信号频率,即COMP与VCO的频率相等,这时如观察ud为近似锯型波的稳定波形。
环路失锁时环路输入信号频率与反馈信号频率不相等,即此时COMP与VCO的频率不相等,这时如观察ud为不稳定波形。
根据上述特点可判断环路的工作状态,具体实验步骤如下:
1)观察锁定状态与失锁状态
向下拨动开关KEY,接通电源后用示波器观察ud,若ud为稳定波形,则调节载波同步模块上的电位器R128,ud随R128减小而减小,随R128增大而增大,这说明环路处于锁定状态。
用示波器两路探头同时观察COMP和VCO,可以看到两个信号频率相等。
也可以用频率计分别测量COMP和VCO频率。
在锁定状态下,向某一方向变化R128,可使ud由稳定的波形变为不稳定,COMP和VCO频率不再相等,环路由锁定状态变为失锁。
接通电源后ud也可能是不稳定的差拍信号,表示环路已处于失锁状态。
失锁时ud的最大值和最小值就是锁定状态下ud的变化范围(对应于环路的同步范围)。
环路处于失锁状态时,COMP和VCO频率不相等。
调节R128使ud的差拍频率降低,当频率降低到某一程度时ud会突然变成稳定的信号,环路由失锁状态变为锁定状态。
2)测量同步带与捕捉带
将双踪示波器两路探头分别接在COMP(锁相环输入频率fi)和VCO端,调节R128,使环路处于良好的锁定状态,即示波器上两路波形不但清晰稳定,而且要尽可能地保持很小的相位差。
a)同步带测量:
缓慢调节R128使COMP端的频率fi向下,直到刚好出现失锁现象时停止调节R128,记下此时的锁相环输入频率fi1;缓慢调节R128使COMP端的频率fi向上,使环路重新锁定,直到再次出现失锁现象时停止调节R128,记下此时的信号源输出频率fi2,则环路的同步带为fi1-fi2。
(2)捕捉带测量:
缓慢调节R128,使COMP端的频率fi向下出现失锁现象,向上缓慢调节fi,直到环路刚好入锁,记下此时的信号源输出频率fi3;然后向上调节fi,使环路重新失锁后,再向下缓慢调节fi直到环路刚好入锁,记下此时的信号源输出频率fi4则环路的捕捉带为fi4-fi3。
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