基于SystemView锁相环的仿真与分析(2)

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5. 多速率系统和并行系统 6. 完备的滤波器和线性系统设计 7. 先进的信号分析和数据块处理 8. 可扩展性

9．完善的自我诊断功能

总之，SystemView的设计者希望它成为一种强有力的基于个人计算机的动态通信系统仿真工具，以达到在不具备先进仪器的条件下同样也能完成复杂的通信系统设计与仿真的目的。

ELANIX公司创建于1991年，主要从事高级的硬件和软件信号处理与通信系统的设计和开发。ELANIX公司的技术力量雄厚，其设计工作可以依据所采用的处理器及其环境的状况，使用DSP、MPS、ASIC、VLSI神经网络和其他当前领先的技术，包括所有的用于商业和军用的信号处理在内，公司在理论分析、软件开发、仿真与测试、硬件设计和微处理器等的方面有着丰富的经验。公司开发的SystemView 软件虽小，但功能强大，使用方便，是迄今为止专用于动态系统仿真的优秀软件，特别是在通信系统分析和设计领域具有广阔的应用前景。

1.2 锁相环路与频率合成概述

锁相环路（PLL）是一个能跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统。它在无线电技术的各个领域得到了很广泛的应用。到70年代，随着集成电路技术的发展，逐渐出现了集成的环路部件、通用单片集成锁相环路以及多种专用集成锁相环路，锁相环路逐渐变成了一个成本低、使用简单的多功能组件，这就为锁相技术在更广泛的领域应用提供了条件。至今，普遍应用锁相技术的主要有调制解调、频率合成、电视机彩色副载波提取、FM立体声解码等等。随着数字技术的发展，相应出现了各种数字锁相环路，它们在数字信号传输的载波同步、位同步、相干解调等方面发挥了重要的作用。

锁相环路所以能得到如此广泛的应用，是由其独特的优良性能所决定的。它具有载波跟踪特性，作为一个窄带跟踪滤波器，可提取淹没在噪声

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之中的信号；用高稳定的参考振荡器锁定，可提供一系列频率高稳定的频率源；可进行高精度的相位与频率测量等等。它具有调制跟踪特性，可制成高性能的调制器和解调器。它具有低门限特性，可大大改善模拟信号和数字信号的解调质量。

目前，频率合成器的应用已十分广泛，使得从大量频率中选择某一工作频率变的极其精确又方便。从必要性方面看，频率合成技术的发展首先是由频谱资源日益紧张，要求系统工作的准确度和稳定十分高；从可能性方面看，随着微电子技术和微机应用的发展，频率合成器已成为一个高可靠性、低成本、控制灵活和使用方便的多功能部件，大大促进了频率合成器性能的完善和应用的普及。

频率合成技术从早期的直接合成到60年代70年代初发展的锁相频率合成，是一次技术上的飞跃，到80年代末90年代初出现直接数字频率合成又将完成一次新的技术飞跃。直接合成、锁相合成（间接合成）和直接数字合成三者构成了现代频率合成的完整体系，使频率合成技术日臻完善。目前，应用最为广泛的仍是锁相频率合成。锁相频率合成技术涉及的技术领域较广，但主要的基础仍为锁相技术。

1.3 论文主要内容介绍

SystemView软件的主要特点、作用在本文的第1章有简要阐述，第2章介绍了锁相环路的基本工作原理及特性，并分析了锁相频率合成器的组成原理。另外，第3、4章分别提出了在SystemView环境下的包括锁相频率合成器在内的各种锁相环路模型的全面设计方案，作者根据这些方案进行了成功的调试，并在最后的结论中提出了关于本次设计的若干设想。

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第2章 锁相环路

2.1 锁相环基本原理

锁相环(PLL)是一个相位跟踪系统。图2-1示出了最基本的锁相环方框图。它包括三个基本部件：鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)。

ur(t)参考信号PDud(t)LFuc(t)VCOuo(t)输出信号

图2-1 基本锁相环框图

设参考信号

ur(t)?Ursin[?rt??r(t)] （2-1）

式中 Ur 为参考信号的幅度

?r 为参考信号的载波角频率

?r(t) 为参考信号以其载波相位?rt为参考时的瞬时相位。若参考信号是未调载波时，?r(t)??r?常数。 设输出信号

uo(t)?Uocos[?ot??o(t)] （2-2）

式中 Uo 为输出信号的幅度

为压控振荡器的自由振荡角频率 ?o

?o(t)为输出信号以其载波相位?ot为参考的瞬时相位。在VCO未受控之前它是常数，受控后它是时间的函数。

则两信号之间的瞬时相位差为

?e(t)?[?rt??r(t)]?[?ot??o(t)]

?(?r??o)t??r??o(t) （2-3）

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由频率和相位之间的关系可得两信号之间的瞬时频差为

d?e(t)d?(t)??r??o?o （2-4） dtdt 现在我们简述图2-1中三个部件的工作原理。鉴相器是相位比较装置。它把输出信号uo(t)和参考信号ur(t)的相位进行比较，产生对应于两信号相位差?e(t)的误差电压ud(t)。

环路滤波器的作用是滤除误差电压ud(t)中的高频成份和噪声，以保证环路所要求的性能，提高系统的稳定性。

压控振荡器受控制电压uc(t)的控制，uc(t)使压控振荡器的频率向参考信号的频率靠近，也就是使两者频率之差越来越小，直至消除频差而锁定。

鉴相器把输出信号uo(t)和参考信号ur(t)的相位进行比较，产生一个反映两信号相位差?e(t)大小的误差电压ud(t)。ud(t)经过环路滤波器的过滤得到控制电压uc(t)。uc(t)调整VCO的频率向参考信号的频率靠拢，直至最后两者频率相等而相位同步实现锁定。锁定后两信号之间的相位差表现为一固定的稳态值。即

limd?e(t)?0 (2-5)

t??dt此时，输出信号的频率已偏离了原来的自由振荡频率?o(控制电压uc(t)=0时的频率)，其偏移量由式(3.5)和式(3.4)得到为

d?0(t)??r??o (2-6) dt这时输出信号的工作频率已变为

d?(t)d[?ot??o(t)]??o?0??r (2-7) dtdt由此可见，通过锁相环路的相位跟踪作用，最终可以实现输出信号与参考信号同步，两者之间不存在频差而只存在很小的稳态相差。

2.2 锁相环路的组成

2.2.1 鉴相器

一、鉴相器的工作原理

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鉴相器(PD)又称相位比较器，它是用来比较两个输入信号之间的相位差?e(t)。

鉴相器输出的误差信号ud(t)是相差?e(t)的函数，即

ud(t)=f[?e(t)]

鉴相器的形式很多，按其鉴相特性f[?e(t)]分，有正弦形，三角形和锯齿形等。作为原理分析，通常总是使用正弦型，较为典型的正弦鉴相器可用模拟相乘器与低通滤波器的串接为模型，如图2-2所示。

ur(t)uo(t)图2-2 正弦鉴相器模型

LPFud(t)

设参考信号ur(t)为式(2-1)，反馈信号uo(t)为式(2-2)。一般情况下，两信号的频率是不同的。为了便于比较，简化运算，现统一以压控振荡器的载波相位的?ot为参考，重新定义参考信号的相位

[?rt??r(t)]??ot?[(?r??o)t??r(t)]

??ot??1(t) 式中

?1(t)?(?r??o)t??r(t)???o(t)??r(t) (2-8) 是以?ot为参考的输入瞬时相位．其中??o??r??o称为环路固有频差。

输出瞬时相位的写法不变，只是为统一起见，将?o(t)用?2(t)代之，即

?o(t)??o( ( ) (2-9) t)??ot(?)2?t式中?2(t)即是以?ot为参考的输出瞬时相位

在统一以?ot为共同参考的情况下，ur(t)和uo(t)可分别写成

ur(t)?Un[o?t?1rsi? u0(t)?U?so[?t?0co经过相乘器之后的输出为

2 t( ) ] (2-10) ( ) ] (2-11) tKmur(t)uo(t)?KmUrsin[?ot??1(t)]?Uocos[?ot??2(t)]

?11KmUrUosin[2?ot??1(t)??2(t)]?KmUrUosin[?1(t)??2(t)] 226

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