《通信原理》课程教学资源（实验指导）实验三载波同步.pdf_大学文库

• 放大整形 N5、N6：3DG6；U26:A：74HC04 • ÷2 U27：D 触发器 7474 • 移相器 U28：单稳态触发器 7474 • 滤波器电感 L2；电容 C30 下面介绍模拟锁相环原理及平方环载波同步原理。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。 uc(t) PD LF VCO uo(t) ui (t) ud(t) 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 K o，则环路的数学模型如图 3-4 所示。 + Udsin( ) F(P) P Ko θi (t) θe(t) uc(t) θo(t) ud(t) + - 图 3-4 模拟环数学模型当 6 ( ) π θ e t ≤ 时， d e Ud e U sinθ (t) = θ ，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。 + Kd F(P) P Ko θi (t) θe(t) θo + (t) - 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ΔωpΔωP 时，环路不能进入锁定状态，环路

锁定后若△，发生变化使|△。>△，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。失横状态下u(t)是一个上下不对称的差拍电压，当山：>d。,4(t)是上宽下窄的差拍电压：反之(t)是一个下宽上窄的差拍电压。 ·环路对日：(t)呈低通特性，即环路可以将0：(t)中的低频成分传递到输出端，0：(t) 中的高频成分被环路滤除。或者说，0。()中只含有，()的低频成分，()中的高频成分变成了相位误差0.(t)。所以当u山：(t)是调角信号时，环路对山(t)等效为一个带通滤波器离ω：较远的频率成分将被环路滤掉。 ·环路自然腊振顷率)。及阻尼系数ζ（具体公式在下文中给出）是两个重要参数。.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越大，环路稳定性越好。 ·当环路输入端有噪声时，0：(t)将发生抖动，“.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2DPSX信号进行平方处理后得 S2(u)=m2(0cos20.1=1+c0s200/2, 此信号中只含有直流和2“。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。对于本模拟环，。、？、环路等效噪声带宽B及等效带通滤波器的品质因数Q的计算公式如下 aR+院G、5=9。,品-是+)，e=么 KaK。 2 式中4.433×10(2)，等于载频的两倍。设计环路时通过测量得到K、K,一般选乙值为0.5-1，根据任务要求选定w.后即可求得环路滤波器的元件值。当固有须差为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U28:A和U28:B构成。U28:A 被设置为上升沿触发，28：B为下降沿触发，故改变U28:A输出信号的宽度即可改变28：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°。在锁定状态

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 ( ) ( ) cos (1 cos 2 ) / 2 2 2 2 S t m t t t = ω c = + ω c ，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。对于本模拟环，ωn、ζ、环路等效噪声带宽 BL及等效带通滤波器的品质因数Q 的计算公式如下： L n n L d n B f B Q R C R R C K K o 68 11 2 25 68 11 o (1 4 ) , 8 , 2 , ( ) = = + = + = ζ ζ ω ω ζ ω 式中 fo=4.433×106 （HZ），等于载频的两倍。设计环路时通过测量得到 Kd、Ko，一般选ζ值为 0.5~1，根据任务要求选定ωn后即可求得环路滤波器的元件值。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 U28:A 和 U28:B 构成。U28:A 被设置为上升沿触发，U28:B 为下降沿触发，故改变 U28:A 输出信号的宽度即可改变 U28: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°。在锁定状态

下微调C也会改变输出信号与输入信号的相位关系（为什么，请思考）。可对相干载波的相位模糊作如下解释。在数学上对c0s2“t进行除2运算的结果是cos ot或-cosω：t。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”。四、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、失铺状态，测量环路的同步带、捕捉带。环路锁定时u.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VC0 信号频率)。环路失锁时山为差拍电压，环路输入信号频率与反馈信号须率不相等。木环路输入信号频率等于2DPSX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w,若为直流，则调节载波同步模块上的可变电容C,山随C减小而减小，随C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CR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C,可使山由直流变为交流，CAR和CAR-OLUT频率不再相等，环路由锁定状态变为失锁。接通电源后山也可能是差拍信号，表示环路己处于失锁状态。失锁时山的最大值和最小值就是锁定状态下：的变化范围（对应于环路的同步范围）。环路处于失锁状态时，CR 和CAR-OUT频率不相等。调节C:使ua的差拍频率降低，当频率降低到某一程度时uu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C,使增大到锁定状态下的最大值（此值不大于 +12V):继续增大C,山变为交流（上宽下窄的周期信号），环路失锁。再反向调节减小C: 山的频率逐渐变低，不对称程度越来越大，直至变为直流。记环路刚列由失锁状态进入锁定状态时鉴相器输出电压为u:继续诚小C3,使uu减小到锁定状态下的最小值：再继续减小C4,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C,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u。令△Vu-u运，△Vu这u“,它们分别为同步范围内及捕捉范围内环路控制电压的变

下微调 C34也会改变输出信号与输入信号的相位关系（为什么，请思考）。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 cos ωct 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”。四、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。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△V>△。设VC0的灵敏度为K(H忆/)，则环路同步带△及捕捉带△ 分别为：△6=Ka△V/2,△6=K。△V/2。应说明的是，由于VC0是晶体压控振荡器，它的频率变化范围比较小，调节C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△f=K(u-6)或△后=K(6-us)、 △=K(一6)或△=K(6-)来计算同步带和捕捉带，式中6为变化范围的中值（单位：V). 作上述观察时应注意： ·u差拍烦率低但幅度大，而CAR和CAR-OUT的顷率高但幅度很小，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，幅度较小。此时向某一方向改变C,可使幅度逐步变大、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，山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。 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C4,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，可以发现山由差拍信号变为直流的变化瞬态过程。山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多使环路锁定，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，五、实验报告要求 1.总结锁相环锁定状态及失锁状态的特点。 2.设K-18皿N,根据实验结果计算环路同步带△后及捕提带△。 KK。且由公式，马R4十见G及5，计环路参数和，式中K 2 V/rad,K=2mX18rad/s.v,R-2X102,Rw=5×102,C=2.2×105F。(f=o./2r应远小于码速率，3应大于0.5)。 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， 5.设VC0固有振荡频率6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

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。 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。五、实验报告要求 1. 总结锁相环锁定状态及失锁状态的特点。 2. 设 K0=18 HZ/V ，根据实验结果计算环路同步带ΔfH及捕捉带ΔfP 。 3. 由公式 25 68 11 o (R R )C Kd K n + ω = 及 n R C ζ ω 2 68 11 = 计算环路参数ωn 和ζ，式中 Kd=6 V/rad，Ko=2π×18 rad/s.v，R25=2×104 Ω，R68=5×103 Ω，C11=2.2×10-6 F 。（fn=ωn/2π应远小于码速率，ζ应大于 0.5)。 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。 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

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