《鎖相技術(shù)》課件第10章

第十章鎖相環(huán)仿真第一節(jié)運(yùn)用SIMULINK仿真鎖相環(huán)第二節(jié)電路級(jí)鎖相環(huán)仿真習(xí)題第一節(jié)運(yùn)用SIMULINK仿真鎖相環(huán)

一、通信同步鎖相環(huán)仿真

SIMULINK通信單元的構(gòu)建庫(kù)中包含壓控振蕩器(VCO)和鎖相環(huán)(PLL)模型。VCO是鎖相環(huán)中的關(guān)鍵部分，在仿真中分為連續(xù)時(shí)間VCO和離散時(shí)間VCO兩種，分別產(chǎn)生連續(xù)和離散形式的信號(hào)。隨輸入壓控信號(hào)幅度的不同，VCO產(chǎn)生不同頻率的正弦信號(hào)輸出。圖10-1模擬帶通型PLL

1.基帶PLL

基帶PLL仿真元件如圖10-2所示。圖10-2基帶PLL仿真元件圖(a)基帶PLL；(b)線性基帶PLL圖10-3基帶PLL元件內(nèi)部組成(a)基帶PLL元件內(nèi)部組成圖；(b)線性基帶PLL元件內(nèi)部組成圖

2.電荷泵PLL

電荷泵PLL仿真既可以是基帶型，也可以是帶通型，如圖10-4是其仿真元件圖。圖10-4電荷泵PLL仿真元件圖圖10-5電荷泵PLL模塊鑒相器圖10-6雙D鑒相器原理圖與真值表(a)雙D鑒相器原理圖；(b)D觸發(fā)器真值表設(shè)ui(t)和uo(t)的頻率分別為fr和fv，根據(jù)電路圖及真值表可得：當(dāng)ui(t)和uo(t)頻率相同時(shí)的三組鑒相狀態(tài)為：u、d同為低電平；u為高電平，d為低電平;u為低電平，d為高電平。這三種狀態(tài)分別稱為n、u和d狀態(tài)。在u狀態(tài)下，u端輸出的脈沖使電荷泵對(duì)環(huán)路充電。在d狀態(tài)下，d端輸出的脈沖使電荷泵對(duì)

環(huán)路放電。在n狀態(tài)下，環(huán)路濾波器既不充電也不放電，故稱為三態(tài)鑒相器。

fr=fv時(shí)的FPD波形如圖10-7所示。圖10-7

fr=fv時(shí)的FPD波形(a)同相；(b)ui(t)超前uo(t);(c)uo(t)超前ui(t)設(shè)電荷泵能提供的充放電電流為Ip，則充放電電流在一個(gè)周期內(nèi)的平均值是

(10-1)

該式反映出電荷泵鑒相器的鑒相特性?？紤]到相位的周期性，式(10-1)如圖10-8所示。圖10-8電流型鑒相器的鑒相特性曲線設(shè)鑒相器是電流型，當(dāng)fr>fo時(shí)的波形如圖10-9所示。圖中id(t)表示電荷泵提供的電流。平均電流id(t)大于0，且頻差越大，id(t)的正值越大。當(dāng)fr<fo時(shí)，只要將電流波形倒相即可，此時(shí)，id(t)平均電流小于0，且頻差越大id(t)越負(fù)。當(dāng)fr=fv時(shí)，id(t)=0。圖10-9

fr>f0時(shí)電流型鑒相器的鑒相波形在設(shè)計(jì)環(huán)路中ui(t)是輸入信號(hào)，其頻率fr是不受環(huán)路控制的，因此在分析鑒頻特性時(shí)fr為定值。而fv決定于VCO的振蕩頻率，它隨環(huán)路控制電壓的變化而變化，因而把它表示為時(shí)

間的函數(shù)fv(t)。令Δw=wr－wv，由上述分析可得下列關(guān)系：

·Δw≈0時(shí)，id(t)決定于鑒相特性；

·Δw=∞時(shí)，id(t)=Ip，Δw=－∞時(shí)，id(t)=－Ip

由分析可得id(t)與Δw之間的關(guān)系近似為

(10-2)因此，電流鑒相器的鑒相增益及鑒頻增益分別為

鑒頻增益(10-3)

鑒相增益(10-4)下面以載波提取的實(shí)例說明PLL仿真過程，尤其是環(huán)路濾波器參數(shù)的選取與計(jì)算。

對(duì)于無離散載波分量的信號(hào)，例如二進(jìn)制等概率PSK信號(hào)，抑制載波的雙邊帶信號(hào)(DSB信號(hào))，可以采用非線性變換的方法從信號(hào)中獲取載頻，平方環(huán)和科斯塔斯環(huán)是有能力獲

取載頻的鎖相環(huán)。下面以平方環(huán)為例來介紹環(huán)路的仿真過程。以等概二進(jìn)制信源的PSK信號(hào)為例，設(shè)信號(hào)表達(dá)式為

(10-5)

其中，m(t)=±1，當(dāng)m(t)取+1和－1等概率時(shí)，此信號(hào)的頻譜中無wc載波頻率分量。將式(10-5)平方可得：

(10-6)設(shè)二進(jìn)制信源等概的PSK通信系統(tǒng)，載波頻率是10kHz，二進(jìn)制符號(hào)速率為1kbaud，采用平方環(huán)提取載波的simulink仿真示意圖如圖10-10所示。圖10-10平方環(huán)提取載波的Simulink仿真圖設(shè)VCO的本振頻率為調(diào)制載波頻率的兩倍頻，即20kHz，壓控靈敏度K0=1000Hz/V，本振初始相位設(shè)定為π/3，鏈路中沒有加入相位延遲環(huán)節(jié)，所以相位差為π/3。［AWGNChannel］設(shè)置噪聲方差為0.001，由正弦調(diào)制信號(hào)幅度為1可知，平方環(huán)輸入信噪比為27dB。理論上，只要環(huán)路濾波器采用一階環(huán)以上都可以獲得0穩(wěn)態(tài)相差。［TransferFcn］濾波模塊的傳遞函數(shù)表示如下：

(10-7)圖10-11在無頻差條件下的一階環(huán)路濾波器輸出圖10-12平方環(huán)二倍頻提取和分頻輸出圖10-13仿真Scope圖像參數(shù)設(shè)置圖10-14環(huán)路濾波器輸出(a)環(huán)路濾波器；(b)二階1型環(huán)環(huán)路濾波器輸出圖10-15低信噪比輸入信號(hào)時(shí)的平方環(huán)濾波器輸出圖10-16低信噪比輸入信號(hào)時(shí)的載波提取在實(shí)際環(huán)境中，接收機(jī)本振頻率和接收信號(hào)頻率存在微小的誤差或漂移，對(duì)于這種情況的仿真，設(shè)置VCO參數(shù)“Quiescentfrequency”偏離20kHz，設(shè)其為20.10kHz，頻差為0.1kHz。噪聲方差σ2n=0.001，在其它參數(shù)不變的條件下，沿用二階1型環(huán)路濾波器參數(shù)，可知K=K0Ud≈1000×1=1000，由RC積分濾波器環(huán)路的捕獲帶

(10-8)圖10-17未捕獲環(huán)路濾波器輸出波形有兩種方法可以提高環(huán)路的捕獲帶，一種是提高環(huán)路增益K值，一種是減小τ1，本仿真實(shí)驗(yàn)采用后者，設(shè)置τ1=0.005，重新計(jì)算捕獲帶：

(10-9)圖10-18進(jìn)入捕獲的環(huán)路濾波器輸出由于在存在頻偏條件下，二階1型環(huán)尚不足以消除同步

信號(hào)的相位偏移，環(huán)路穩(wěn)態(tài)條件下仍然存在穩(wěn)定的相偏。圖10-19仿真驗(yàn)證了該結(jié)果。

(10-10)圖10-19存在穩(wěn)態(tài)相差的載波提取波形仿真結(jié)果圖10-20環(huán)路濾波器輸出

(a)環(huán)路濾波器；(b)二階2型環(huán)環(huán)路濾波輸出圖10-21不存在穩(wěn)態(tài)相差的載波提取波形二、鎖相環(huán)頻率合成器仿真

鎖相頻率合成器是目前應(yīng)用最廣泛的一種產(chǎn)生大范圍、高精確度和穩(wěn)定度頻率源的方法。第八章詳細(xì)給出了頻率合成器的基本原理，下面以simulink仿真軟件自帶的數(shù)字鎖相頻率合成器仿真程序?yàn)槔f明頻率合成器仿真的實(shí)現(xiàn)。圖10-22為系統(tǒng)仿真模塊組成圖。圖10-22數(shù)字鎖相頻率合成器的simulink仿真圖由設(shè)定參數(shù)可知目標(biāo)合成頻率為fo=100MHz，圖10-23所示是頻率合成器捕獲鎖定過程中壓控信號(hào)的變化，鎖定過程持續(xù)了約10ms，輸出穩(wěn)定在7/4幅度，按此計(jì)算VCO的輸出頻率應(yīng)為

(10-11)圖10-23合成器捕獲鎖定過程中VCO控制電壓的變化圖10-24分頻輸出20MHz脈沖波形第二節(jié)電路級(jí)鎖相環(huán)仿真

MATLAB/simulink中鎖相環(huán)仿真偏重于理想構(gòu)件的原理性仿真，如果要搭建實(shí)際的鎖相環(huán)電路，以及調(diào)試電路參數(shù)，則需要電路級(jí)的仿真工具。圖10-25

PSPice中PLL調(diào)頻信號(hào)檢測(cè)跟蹤環(huán)仿真圖

VPWL按以上設(shè)定的參數(shù)經(jīng)過時(shí)間插值處理獲得連續(xù)的模擬波形，該波形為鋸齒斜升信號(hào)。EVALUE元件按輸入的鋸齒斜升信號(hào)產(chǎn)生頻率斜升的調(diào)頻信號(hào)，其參數(shù)表達(dá)式為：

(10-12)其中time是內(nèi)部時(shí)間變量，由V1的最高幅度為500mV可知，EVLAUE的輸出掃頻頻率范圍是0～500kHz。壓控振蕩器的組成包括兩個(gè)部分：積分器(INTEG)和正弦波產(chǎn)生器(ABM1)。

按照壓控振蕩器的原理

(10-13)圖10-26

PSPice仿真腳本參數(shù)設(shè)置圖10-27

FM信號(hào)PLL鑒頻解調(diào)仿真與分析結(jié)果(a)信號(hào)源輸入；(b)EVALUE輸出端斜升掃描信號(hào)；(c)鑒相器輸出；(d)濾波器輸出；(e)VCO輸出；(f)積分器輸出

【習(xí)題】

10-1試說明鎖相環(huán)仿真的重要性。

10-2鎖相環(huán)仿真有幾種主要模式？各有何特點(diǎn)？

10-3模擬基帶PLL與模擬帶通PLL的仿真有何不同？要注意什么問題？