模擬鎖相環(huán)與載波同步實(shí)驗(yàn)

??? 1. 掌握模擬鎖相環(huán)的工作原理，以及環(huán)路的鎖定狀態(tài)、失鎖狀態(tài)、同步帶、捕捉帶等基本概念。
??? 2. 掌握用平方環(huán)法從2DPSK信號(hào)中提取相干載波的原理及模擬鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)方法。
3. 了解相干載波相位模糊現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

二、?實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

??? 1. 觀察模擬鎖相環(huán)的鎖定狀態(tài)、失鎖狀態(tài)及捕捉過(guò)程。
??? 2. 觀察環(huán)路的捕捉帶和同步帶。
3. 用平方環(huán)法從2DPSK信號(hào)中提取載波同步信號(hào)，觀察相位模糊現(xiàn)象。

三、?基本原理

通信系統(tǒng)中常用平方環(huán)或同相正交環(huán)（科斯塔斯環(huán)）從2DPSK信號(hào)中提取相干載波。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的載波同步提取模塊用平方環(huán)，原理方框圖如圖3-1所示，電原理圖如圖3-2所示（見附錄）。模塊內(nèi)部使用+5V、+12V、-12V電壓，所需的2DPSK輸入信號(hào)已在實(shí)驗(yàn)電路板上與數(shù)字調(diào)制單元2DPSK輸出信號(hào)連在一起。

圖3-1? 載波同步方框圖

??? 本模塊上有以下測(cè)試點(diǎn)及輸入輸出點(diǎn)：
??? ? MU?????平方器輸出測(cè)試點(diǎn)，VP-P＞1V
??? ? VCO????VCO輸出信號(hào)測(cè)試點(diǎn)，VP-P＞0.2V
??? ? Ud?????鑒相器輸出信號(hào)測(cè)試點(diǎn)
??? ? CAR-OUT???相干載波信號(hào)輸出點(diǎn)/測(cè)試點(diǎn)
??? 圖3-1中各單元與電路板上主要元器件的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：
??? ? 平方器????U25：模擬乘法器MC1496
??? ? 鑒相器????U23：模擬乘法器MC1496；U24：運(yùn)放UA741
??? ? 環(huán)路濾波器???電阻R25、R68；電容C11
??? ? 壓控振蕩器???CRY2：晶體；N3、N4：三極管3DG6
? 放大整形???N5、N6：3DG6；U26:A：74HC04
??? ? ÷2????U27：D觸發(fā)器7474
??? ? 移相器????U28：?jiǎn)畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器7474
??? ? 濾波器????電感L2；電容C30
??? 下面介紹模擬鎖相環(huán)原理及平方環(huán)載波同步原理。
鎖相環(huán)由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）及壓控振蕩器（VCO）組成，如圖3-3所示。

圖3-3? 鎖相環(huán)方框圖

??? 模擬鎖相環(huán)中，PD是一個(gè)模擬乘法器，LF是一個(gè)有源或無(wú)源低通濾波器。鎖相環(huán)路是一個(gè)相位負(fù)反饋系統(tǒng)，PD檢測(cè)ui(t)與uo(t)之間的相位誤差并進(jìn)行運(yùn)算形成誤差電壓ud(t)，LF用來(lái)濾除乘法器輸出的高頻分量（包括和頻及其他的高頻噪聲）形成控制電壓uc(t)，在uc(t)的作用下、uo(t)的相位向ui(t)的相位靠近。設(shè)ui(t)=Uisin[ωit+θi(t)]，uo(t)=Uocos[ωit+θo(t)]，則ud(t)=Udsinθe(t)，θe(t)=θi(t)-θo(t)，故模擬鎖相環(huán)的PD是一個(gè)正弦PD。設(shè)uc(t)=ud(t)F(P)，F(xiàn)(P)為L(zhǎng)F的傳輸算子，VCO的壓控靈敏度為K o，則環(huán)路的數(shù)學(xué)模型如圖3-4所示。

圖3-5? 環(huán)路線性化數(shù)學(xué)模型
??? 由上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，可得到以下重要結(jié)論：
??? ? 當(dāng)ui(t)是固定頻率正弦信號(hào)(θi(t)為常數(shù))時(shí)，在環(huán)路的作用下，VCO輸出信號(hào)頻率可以由固有振蕩頻率ωo（即環(huán)路無(wú)輸入信號(hào)、環(huán)路對(duì)VCO無(wú)控制作用時(shí)VCO的振蕩頻率），變化到輸入信號(hào)頻率ωi，此時(shí)θo(t)也是一個(gè)常數(shù)，ud(t)、uc(t)都為直流。我們稱此為環(huán)路的鎖定狀態(tài)。定義Δωo=ωi-ωo為環(huán)路固有頻差，Δωp表示環(huán)路的捕捉帶，ΔωH表示環(huán)路的同步帶，模擬鎖相環(huán)中Δωp<ΔωH。當(dāng)|Δωo|<ΔωP時(shí)，環(huán)路可以進(jìn)入鎖定狀態(tài)。當(dāng)|Δωo|<ΔωH時(shí)環(huán)路可以保持鎖定狀態(tài)。當(dāng)|Δωo|>ΔωP時(shí)，環(huán)路不能進(jìn)入鎖定狀態(tài)，環(huán)路鎖定后若Δωo發(fā)生變化使|Δωo|>ΔωH，環(huán)路不能保持鎖定狀態(tài)。這兩種情況下，環(huán)路都將處于失鎖狀態(tài)。失鎖狀態(tài)下ud(t)是一個(gè)上下不對(duì)稱的差拍電壓，當(dāng)ωi>ωo，ud(t)是上寬下窄的差拍電壓；反之ud(t)是一個(gè)下寬上窄的差拍電壓。
??? ? 環(huán)路對(duì)θi(t)呈低通特性，即環(huán)路可以將θi(t)中的低頻成分傳遞到輸出端，θi(t)中的高頻成分被環(huán)路濾除。或者說(shuō)，θo(t)中只含有θi(t)的低頻成分，θi(t)中的高頻成分變成了相位誤差θe(t)。所以當(dāng)ui(t)是調(diào)角信號(hào)時(shí)，環(huán)路對(duì)ui(t)等效為一個(gè)帶通濾波器，離ωi較遠(yuǎn)的頻率成分將被環(huán)路濾掉。
??? ? 環(huán)路自然諧振頻率ωn及阻尼系數(shù)ζ(具體公式在下文中給出)是兩個(gè)重要參數(shù)。ωn越小，環(huán)路的低通特性截止頻率越小、等效帶通濾波器的帶寬越窄；ζ越大，環(huán)路穩(wěn)定性越好。
??? ? 當(dāng)環(huán)路輸入端有噪聲時(shí)，θi(t)將發(fā)生抖動(dòng)，ωn越小，環(huán)路濾除噪聲的能力越強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)一中的電荷泵鎖相環(huán)4046的性能與模擬環(huán)相似，所以它可以將一個(gè)周期不恒定的信號(hào)變?yōu)橐粋€(gè)等周期信號(hào)。
??? 有關(guān)鎖相環(huán)理論的詳細(xì)論述，請(qǐng)讀者參閱文獻(xiàn)[3]。
對(duì)2DPSK信號(hào)進(jìn)行平方處理后得
?，
此信號(hào)中只含有直流和2ωc頻率成分，理論上對(duì)此信號(hào)再進(jìn)行隔直流和二分頻處理就可得到相干載波。鎖相環(huán)似乎是多余的，當(dāng)然并非如此。實(shí)際工程中考慮到下述問(wèn)題必須用鎖相環(huán)：
??? ? 平方電路不理想，其輸出信號(hào)幅度隨數(shù)字基帶信號(hào)變化，不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的二倍頻正弦信號(hào)。即平方電路輸出信號(hào)頻譜中還有其它頻率成分，必須濾除。
??? ? 接收機(jī)收到的2DPSK信號(hào)中含有噪聲（本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為理想信道，無(wú)噪聲），因而平方電路輸出信號(hào)中也含有噪聲，必須用一個(gè)窄帶濾波器濾除噪聲。
??? ? 鎖相環(huán)對(duì)輸入電壓信號(hào)和噪聲相當(dāng)于一個(gè)帶通濾波器，我們可以選擇適當(dāng)?shù)沫h(huán)路參數(shù)使帶通濾波器帶寬足夠小。
??? 對(duì)于本模擬環(huán)，ωn、ζ、環(huán)路等效噪聲帶寬BL及等效帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù) 的計(jì)算公式如下：

設(shè)計(jì)環(huán)路時(shí)通過(guò)測(cè)量得到Kd、Ko，一般選ζ值為0.5~1，根據(jù)任務(wù)要求選定ωn后即可求得環(huán)路濾波器的元件值。
當(dāng)固有頻差為0時(shí)，模擬環(huán)輸出信號(hào)的相位超前輸入相位90?，必須對(duì)除2電路輸出信號(hào)進(jìn)行移相才能得到相干載波。移相電路由兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U28:A和U28:B構(gòu)成。U28:A被設(shè)置為上升沿觸發(fā)，U28:B為下降沿觸發(fā)，故改變U28:A輸出信號(hào)的寬度即可改變U28:B輸出信號(hào)的相位，從而改變相干載波的相位。此移相電路的移相范圍小于90?。在鎖定狀態(tài)下微調(diào)C34也會(huì)改變輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的相位關(guān)系（為什么，請(qǐng)思考）。
可對(duì)相干載波的相位模糊作如下解釋。在數(shù)學(xué)上對(duì)cos2ωct進(jìn)行除2運(yùn)算的結(jié)果是cosωct或-cosωct。實(shí)際電路也決定了相干載波可能有兩個(gè)相反的相位，因二分頻器的初始狀態(tài)可以為“0”也可以是“1”。

四、?實(shí)驗(yàn)步驟

?? 本實(shí)驗(yàn)使用數(shù)字信源單元、數(shù)字調(diào)制單元和載波同步單元。
??? 1.熟悉載波同步單元的工作原理。接好電源線，打開實(shí)驗(yàn)箱電源開關(guān)。
??? 2.檢查數(shù)字信源單元和數(shù)字調(diào)制單元是否正常工作（用示波器觀察NRZ(AK)和2DPSK信號(hào)有無(wú)，兩者邏輯關(guān)系正確與否）。
??? 3. 用示波器觀察載波同步模塊鎖相環(huán)的鎖定狀態(tài)、失鎖狀態(tài)，測(cè)量環(huán)路的同步帶、捕捉帶。
??? 環(huán)路鎖定時(shí)ud為直流、環(huán)路輸入信號(hào)頻率等于反饋信號(hào)頻率（此鎖相環(huán)中即等于VCO信號(hào)頻率）。環(huán)路失鎖時(shí)ud為差拍電壓，環(huán)路輸入信號(hào)頻率與反饋信號(hào)頻率不相等。本環(huán)路輸入信號(hào)頻率等于2DPSK載頻的兩倍，即等于調(diào)制單元CAR信號(hào)頻率的兩倍。環(huán)路鎖定時(shí)VCO信號(hào)頻率等于CAR-OUT信號(hào)頻率的兩倍。所以環(huán)路鎖定時(shí)調(diào)制單元的CAR和載波同步單元的CAR-OUT頻率完全相等。
根據(jù)上述特點(diǎn)可判斷環(huán)路的工作狀態(tài)，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：
（1）觀察鎖定狀態(tài)與失鎖狀態(tài)
打開電源后用示波器觀察ud，若ud為直流，則調(diào)節(jié)載波同步模塊上的可變電容C34，ud隨C34減小而減小，隨C34增大而增大（為什么？請(qǐng)思考），這說(shuō)明環(huán)路處于鎖定狀態(tài)。用示波器同時(shí)觀察調(diào)制單元的CAR和載波同步單元的CAR-OUT，可以看到兩個(gè)信號(hào)頻率相等。若有頻率計(jì)則可分別測(cè)量CAR和CAR-OUT頻率。在鎖定狀態(tài)下，向某一方向變化C34，可使ud由直流變?yōu)榻涣鳎珻AR和CAR-OUT頻率不再相等，環(huán)路由鎖定狀態(tài)變?yōu)槭фi。
接通電源后ud也可能是差拍信號(hào)，表示環(huán)路已處于失鎖狀態(tài)。失鎖時(shí)ud的最大值和最小值就是鎖定狀態(tài)下ud的變化范圍（對(duì)應(yīng)于環(huán)路的同步范圍）。環(huán)路處于失鎖狀態(tài)時(shí)，CAR和CAR-OUT頻率不相等。調(diào)節(jié)C34使ud的差拍頻率降低，當(dāng)頻率降低到某一程度時(shí)ud會(huì)突然變成直流，環(huán)路由失鎖狀態(tài)變?yōu)殒i定狀態(tài)。
（2）測(cè)量同步帶與捕捉帶
環(huán)路處于鎖定狀態(tài)后，慢慢增大C34，使ud增大到鎖定狀態(tài)下的最大值ud1（此值不大于+12V）；繼續(xù)增大C34，ud變?yōu)榻涣鳎ㄉ蠈捪抡闹芷谛盘?hào)），環(huán)路失鎖。再反向調(diào)節(jié)減小C34，ud的頻率逐漸變低，不對(duì)稱程度越來(lái)越大，直至變?yōu)橹绷?。記環(huán)路剛剛由失鎖狀態(tài)進(jìn)入鎖定狀態(tài)時(shí)鑒相器輸出電壓為ud2；繼續(xù)減小C34，使ud減小到鎖定狀態(tài)下的最小值ud3；再繼續(xù)減小C34，ud變?yōu)榻涣鳎ㄏ聦捝险闹芷谛盘?hào)），環(huán)路再次失鎖。然后反向增大C34，記環(huán)路剛剛由失鎖狀態(tài)進(jìn)入鎖定狀態(tài)時(shí)鑒相器輸出電壓為ud4。
令ΔV1=ud1- ud3，ΔV2=ud2- ud4，它們分別為同步范圍內(nèi)及捕捉范圍內(nèi)環(huán)路控制電壓的變化范圍，可以發(fā)現(xiàn)ΔV1＞ΔV2。設(shè)VCO的靈敏度為K0(HZ/V)，則環(huán)路同步帶ΔfH及捕捉帶ΔfP分別為：ΔfH =K0ΔV1/2 ，ΔfP =K0ΔV2/2 。
應(yīng)說(shuō)明的是，由于VCO是晶體壓控振蕩器，它的頻率變化范圍比較小，調(diào)節(jié)C34時(shí)環(huán)路可能只能從一個(gè)方向由鎖定狀態(tài)變化到失鎖狀態(tài)，此時(shí)可用ΔfH =K0(ud1-6）或ΔfH =K0(6-ud3）、ΔfP =K0(ud2-6）或ΔfP =K0(6-ud4）來(lái)計(jì)算同步帶和捕捉帶，式中6為ud變化范圍的中值（單位：V）。
作上述觀察時(shí)應(yīng)注意：
? ud差拍頻率低但幅度大，而CAR和CAR-OUT的頻率高但幅度很小，用示波器觀察這些信號(hào)時(shí)應(yīng)注意幅度旋鈕和頻率旋鈕的調(diào)整。
? 失鎖時(shí)，CAR和CAR-OUT頻率不相等，但當(dāng)頻差較大時(shí)，在鑒相器輸出端電容的作用下，ud幅度較小。此時(shí)向某一方向改變C34，可使ud幅度逐步變大、頻率逐步減小、最后變?yōu)橹绷?，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。
??? ? 環(huán)路鎖定時(shí)，ud不是一個(gè)純凈的直流信號(hào)，在直流電平上疊加有一個(gè)很小的交流信號(hào)。這種現(xiàn)象是由于環(huán)路輸入信號(hào)不是一個(gè)純凈的正弦信號(hào)所造成的。
??? 4. 觀察環(huán)路的捕捉過(guò)程
??? 先使環(huán)路處于失鎖定狀態(tài)，慢慢調(diào)節(jié)C34，使環(huán)路剛剛進(jìn)入鎖定狀態(tài)后，關(guān)閉電源開關(guān)，然后再打開電源，用示波器觀察ud，可以發(fā)現(xiàn)ud由差拍信號(hào)變?yōu)橹绷鞯淖兓矐B(tài)過(guò)程。ud的這種變化表示了環(huán)路的捕捉過(guò)程。
??? 5. 觀察相干載波相位模糊現(xiàn)象
使環(huán)路鎖定，用示波器同時(shí)觀察調(diào)制單元的CAR和載波同步單元的CAR-OUT信號(hào)，調(diào)節(jié)電位器P1或微調(diào)電容C34使兩者成為反相或同相。反復(fù)斷開、接通電源可以發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)信號(hào)有時(shí)同相、有時(shí)反相。

五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求
1.?總結(jié)鎖相環(huán)鎖定狀態(tài)及失鎖狀態(tài)的特點(diǎn)。
2.?設(shè)K0=18 HZ/V ，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算環(huán)路同步帶ΔfH及捕捉帶ΔfP 。

4.?總結(jié)用平方環(huán)提取相干載波的原理及相位模糊現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。
5.?設(shè)VCO固有振蕩頻率f0 不變，環(huán)路輸入信號(hào)頻率可以改變，試擬訂測(cè)量環(huán)路同步帶及捕捉帶的步驟。

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