实验三模拟锁相环与载波同步_精品文档.docx
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实验三:
模拟锁相环与载波同步
一、实验目的
1.模拟锁相环工作原理以及环路锁定状态、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、实验步骤
本实验使用数字信源单元、数字调制单元和载波同步单元。
1.熟悉载波同步单元的工作原理。
接好电源线,打开实验箱电源开关。
2.检查要用到的数字信源单元和数字调制单元是否工作正常(用示波器观察信源NRZ-OUT(AK)和调制2DPSK信号有无,两者逻辑关系正确与否)。
3.用示波器观察载波同步模块锁相环的锁定状态、失锁状态,测量环路的同步带、捕捉带。
环路锁定时ud为直流、环路输入信号频率等于反馈信号频率(此锁相环中即等于VCO信号频率)。
环路失锁时ud为差拍电压,环路输入信号频率与反馈信号频率不相等。
本环路输入信号频率等于2DPSK载频的两倍,即等于调制单元CAR信号频率的两倍。
环路锁定时VCO信号频率等于CAR-OUT信号频率的两倍。
所以环路锁定时调制单元的CAR和载波同步单元的CAR-OUT频率完全相等。
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
打开电源后用示波器观察ud,若ud为直流,则调节载波同步模块上的可变电容C34,ud随C34减小而减小,随C34增大而增大(为什么?
请思考),这说明环路处于锁定状态。
用示波器同时观察调制单元的CAR和载波同步单元的CAR-OUT,可以看到两个信号频率相等。
若有频率计则可分别测量CAR和CAR-OUT频率。
在锁定状态下,向某一方向变化C34,可使ud由直流变为交流,CAR和CAR-OUT频率不再相等,环路由锁定状态变为失锁。
环路锁定,Ud随C34增大而增大:
频率相等:
直流变交流,环路由锁定状态变为失锁:
接通电源后ud也可能是差拍信号,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,CAR和CAR-OUT频率不相等。
调节C34使ud的差拍频率降低,当频率降低到某一程度时ud会突然变成直流,环路由失锁状态变为锁定状态。
(2)测量同步带与捕捉带
环路处于锁定状态后,慢慢增大C34,使ud增大到锁定状态下的最大值ud1(此值不大于+12V);继续增大C34,ud变为交流(上宽下窄的周期信号),环路失锁。
再反向调节减小C34,ud的频率逐渐变低,不对称程度越来越大,直至变为直流。
记环路刚刚由失锁状态进入锁定状态时鉴相器输出电压为ud2;继续减小C34,使ud减小到锁定状态下的最小值ud3;再继续减小C34,ud变为交流(下宽上窄的周期信号),环路再次失锁。
然后反向增大C34,记环路刚刚由失锁状态进入锁定状态时鉴相器输出电压为ud4。
令ΔV1=ud1-ud3,ΔV2=ud2-ud4,它们分别为同步范围内及捕捉范围内环路控制电压的变化范围,可以发现ΔV1>ΔV2。
设VCO的灵敏度为K0(HZ/V),则环路同步带ΔfH及捕捉带ΔfP分别为:
ΔfH=K0ΔV1/2,ΔfP=K0ΔV2/2。
应说明的是,由于VCO是晶体压控振荡器,它的频率变化范围比较小,调节C34时环路可能只能从一个方向由锁定状态变化到失锁状态,此时可用ΔfH=K0(ud1-6)或ΔfH=K0(6-ud3)、ΔfP=K0(ud2-6)或ΔfP=K0(6-ud4)来计算同步带和捕捉带,式中6为ud变化范围的中值(单位:
V)。
作上述观察时应注意:
·ud差拍频率低但幅度大,而CAR和CAR-OUT的频率高但幅度很小,用示波器观察这些信号时应注意幅度旋钮和频率旋钮的调整。
·失锁时,CAR和CAR-OUT频率不相等,但当频差较大时,在鉴相器输出端电容的作用下,ud幅度较小。
此时向某一方向改变C34,可使ud幅度逐步变大、频率逐步减小、最后变为直流,环路进入锁定状态。
·环路锁定时,ud不是一个纯净的直流信号,在直流电平上叠加有一个很小的交流信号。
这种现象是由于环路输入信号不是一个纯净的正弦信号所造成的。
环路失锁:
环路再次失锁:
失锁状态进入锁定状态:
4.观察环路的捕捉过程
先使环路处于失锁定状态,慢慢调节C34,使环路刚刚进入锁定状态后,关闭电源开关,然后再打开电源,用示波器观察ud,可以发现ud由差拍信号变为直流的变化瞬态过程。
ud的这种变化表示了环路的捕捉过程。
5.观察相干载波相位模糊现象
使环路锁定,用示波器同时观察调制单元的CAR和载波同步单元的CAR-OUT信号,反复断开、接通电源可以发现这两个信号有时同相、有时反相。
图3-2同相
图3-3信号反相
四、实验结果讨论
1. 总结锁相环锁定状态及失锁状态的特点。
答:
模拟锁相环锁定的特点:
输入信号频率与反馈信号的频率相等,鉴相器输出电压为直流。
模拟锁相环失锁的特点:
鉴相器输出电压为不对称的差拍电压。
2. 设K0=18HZ/V,根据实验结果计算环路同步带ΔfH及捕捉带ΔfP。
1.答:
代入指导书“3式”计算得:
v,则;v,则
3.由公式及计算环路参数ωn和ζ,式中Kd=6V/rad,Ko=2π×18rad/s.v,R25=2×104W,R68=5×103W,C11=2.2×10-6F。
(fn=ωn/2π应远小于码速率,ζ应大于0.5)。
答:
;远小于码速率170.5(波特);
4. 总结用平方环提取相干载波的原理及相位模糊现象产生的原因。
答:
平方运算输出信号中有离散谱,模拟环输出信号频率等于,二分频,滤波后得到干扰波;电路有两个初始状态,导致提取的相干载波有两种相反的相位状态。
5. 设VCO固有振荡频率f0不变,环路输入信号频率可以改变,试拟订测量环路同步带及捕捉带的步骤。
答:
环路处于锁定状态后,慢慢增大C34,使ud增大到锁定状态下的最大值ud1(此值不大于+12V);
①ud增大到锁定状态下的最大值ud1值为:
4.8V
②继续增大C34,ud变为交流(上宽下窄的周期信号)。
③环路失锁。
再反向调节减小C34,ud的频率逐渐变低,不对称程度越来越大。
④直至变为直流。
记环路刚刚由失锁状态进入锁定状态时鉴相器输出电压为ud2;继续减小C34,使ud减小到锁定状态下的最小值ud3;
环路刚刚由失锁状态进入锁定状态时鉴相器输出电压为ud2为:
2.4V
ud减小到锁定状态下的最小值ud3为:
1.6V
⑤再继续减小C34,ud变为交流(下宽上窄的周期信号),环路再次失锁。
然后反向增大C34,记环路刚刚由失锁状态进入锁定状态时鉴相器输出电压为ud4。
环路刚刚由失锁状态进入锁定状态时鉴相器输出电压为ud4的值为:
4.4V
五、实验心得体会
在本次实验中我进一步学习了载波同步提取的各种方法及原理,包括导频插入法和直接法。
直接法又包括平方变换法和平方环法以及科斯塔斯环法。
我们重点进行了科斯塔斯环法的学习,了解了它的提取同步载波的工作过程。
它的解调环路的优点是:
该解调环在载波恢复的同时,即可解调出数字信息;该解调环电路结构简单,整个载波恢复环路可用模拟和数字集成电路实现。
但该解调环路的缺点是:
存在相位模糊。
采用相位比较法可以克服相位模糊。
通过本次实验我再次感受到具备细心、信心、耐心等心理素质对于我们理工科学生的重要性。
只有具备良好的心态我们才能在错误中吸取教训,在不断更正中逐渐逼近真相事实,进而取得进步。
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- 实验 模拟 锁相环 载波 同步 精品 文档
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