數(shù)字鑒相器設(shè)計與DSP實現(xiàn)

1、XXXXXX大學(xué)研究生DSP公共實驗實驗報告實驗名稱： 數(shù)字鑒相器設(shè)計與DSP實現(xiàn) 學(xué)生學(xué)號： 學(xué)生姓名： 實驗地點： 201X年X月一 實驗?zāi)康?1) 熟悉CCS 集成開發(fā)環(huán)境，掌握工程的生成方法；(2) 掌握CCS 集成開發(fā)環(huán)境的調(diào)試方法；(3) 在CCS 集成開發(fā)環(huán)境中設(shè)計數(shù)字鑒相器，并在DSP硬件平臺上實現(xiàn)。二 實驗設(shè)備(1) TMS320VC5502實驗箱一套；(2) 已經(jīng)安裝和配置Matlab以及CCS3.3開發(fā)環(huán)境的計算機一臺。三 算法簡介鑒相器是鎖相環(huán)中重要的組成部件，它是一個相位比較裝置，用來檢測輸入信號相位與反饋信號相位之間的相位差。輸出的誤差信號是相位差的函數(shù)。鑒相特性可

2、以是多種多樣的，有正弦形特性，三角形特性，鋸齒形特性等等。(1) 正切數(shù)字鑒相器通過環(huán)路的數(shù)學(xué)分析來建立數(shù)字鑒相器的數(shù)學(xué)模型，如圖1所示為一種常用的數(shù)字鎖相環(huán)。圖1 數(shù)字鎖相環(huán)輸入：xt=Visinw0+(t)VCO輸出：voc=Vocosw0t+'(t)， voc=Vosinw0t+'(t)通過同相、正交相乘器得到：yQt=xtvoct=Visinw0+tVocosw0t+'t=12VOVisine(t)+sin2w0t+t+'(t)yIt=xtvoct=Visinw0+tVosinw0t+'t=12VOVicose(t)-cos2w0t+t+'

3、;(t)經(jīng)過低通濾波器濾波之后，二倍頻項被濾波器濾除，只有低頻分量。zQt=12VOViKl sinet，zIt=12VOViKl coset此處假設(shè)et= t-'(t)，Kl為低通濾波器的系數(shù)，并假設(shè)上下支路的濾波器特性相同，鑒相器為二象限正切鑒相器。所以 vdt=zQtzIt=tanet ,et-2,2vdt經(jīng)過環(huán)路濾波器得到控制電壓vct：vct=F(p)vdt，vct實現(xiàn)對VCO的載頻控制。VCO輸出相位可以表示為w0t+'t，'t=K00tvcd(2) 正弦數(shù)字鑒相器正弦鑒相器是指鑒相器的輸出是正弦函數(shù)，利用此函數(shù)來控制VCO的輸出。zQt=12VOViKl

4、sinet，zIt=12VOViKl coset由上式可得Vdt=zQt*zIt=kdsin(2et)以上推導(dǎo)表明，無論是采用哪一種特性的鑒相器，VCO的輸入是受et控制的，環(huán)路濾波器輸出為跟蹤et提供了所需的誤差控制電壓，但在環(huán)路未鎖定之時vdt控制VCO的頻率、相位，向減小跟蹤誤差的方向調(diào)整。當(dāng)環(huán)路鎖定之后，et很小，所以，可以從同相支路獲得解調(diào)信息。(3) 反正切數(shù)字鑒相器反正切法是通過2路正交信號直接得到輸入與輸出信號的相位差e，作為控制信號輸出。其函數(shù)表達(dá)式為：Vct=atanzQtzIt(4) 消除符號模糊數(shù)字鑒相器消除符號模糊鑒相 法消除符號模糊鑒相法以sine作為控制信號。 其

5、函 數(shù)表達(dá)式為：Vet=zQtsignzIt式中：函數(shù)signx為符號函數(shù)， 其含義如下：(5) 鑒相特性比較正弦鑒相特性Vdt=zQt*zIt=kdsin(2et)，也就是鑒相器的數(shù)學(xué)模型，如圖2所示。由圖可見，正弦鑒相器的輸出是連續(xù)的，要擴展跟蹤頻帶帶寬，必須對圖中k1點和k2點進(jìn)行校正。圖2 正弦鑒相特性正切鑒相特性如圖3所示。由于正切在2+k處輸出為無窮大，所以必須對輸出進(jìn)行限幅，才能保證跟蹤的正確性。另外，正切鑒相只是利用它-22的鑒相特性，所以對輸出要進(jìn)行校正，校正方法為，判斷相鄰兩次的輸出值，是否發(fā)生劇烈變化，否，則判斷為在-22范圍內(nèi)，是，則把最后一次取反作為誤差信號輸出。圖3

6、 正切鑒相特性反正切鑒相特性如圖四所示。由 反正切函數(shù)特性可知，反正切鑒相法的鑒相范圍為-22。圖4 反正切鑒相特性消除符號鑒相特性如圖5所示。由特性圖可以看出，只有在區(qū)間-22內(nèi)輸入輸出才有唯一對應(yīng)關(guān)系，因此消除符號模糊鑒相法的鑒相范圍為-22。圖5 消除符號鑒相特性通過以上的介紹與分析，現(xiàn)將3種鑒相方法匯總?cè)绫?所示：表1 3種常用鑒相方法特性匯總四 實驗內(nèi)容在CCS 集成開發(fā)環(huán)境中設(shè)計該數(shù)字鑒相器，并在DSP硬件平臺上實現(xiàn)。實驗結(jié)果仿真圖如圖6-11所示。 圖6 低信噪比下反正切鑒相法跟蹤 圖7 低信噪比下消除符號切鑒相法跟蹤圖8 低信噪比下正弦鑒相法跟蹤 圖9 低信噪比下消除符號鑒相法

7、跟蹤圖10 低信噪比下消除符號鑒相法跟蹤 圖11 高信噪比下消除符號鑒相法跟蹤由仿真圖可以看出，在高信噪比情況下，反正切法在1×104點即穩(wěn)定， 跟蹤誤差最大為0.08弧度； 正弦法在2×104點處鑒相誤差即為0.05弧度，穩(wěn)定時， 最大鑒相誤差在0.001弧度左右； 消除符號模糊法在0.9×104點處鑒相誤差即為0.05弧度，穩(wěn)定時，最大鑒相誤差在0.001弧度 左右。從圖中可以明顯看出 ， 消除符號模糊法比正弦法先穩(wěn)定。由低信噪比和高信噪比情況下2組仿真圖片分析對比可知：（1）不論是在高信噪比還是低信噪比情況下，反正切法都有較快的頻率跟蹤速度，但是跟蹤精度不如

8、另兩種方法。因此，在對跟蹤精度要求不高的情況下，采用反正切法最佳。（2）低信噪比情況下，正弦法比另2種方法跟蹤精度都要高,且跟蹤速度與消除符號模糊法相當(dāng)。所以，若綜合考慮，低信噪比下采用正弦法最佳。（3）高信噪比情況下，消除符號模糊法與反正切鑒相法相比具有較高的跟蹤精度，與正弦法相比具有較快的跟蹤速度且精度與其相仿。所以，若綜合考慮，高信噪比下采用消除符號模糊法最佳。本文對常見的3種鑒相方法進(jìn)行了分析仿真與總結(jié)，得出了在不同條件下3種鑒相方法的使用原則，對設(shè)計人員具有一定的幫助。五 實驗中的問題通過本次實驗，我基本熟悉了CCS的使用環(huán)境，對DSP程序的調(diào)試手段和調(diào)試方法也有所了解，并加深了我對DSP的理解。對于鑒相器的設(shè)計也有了較深的認(rèn)識，但對于深層次的理解與應(yīng)用還有所欠缺。六 參考文獻(xiàn)1戴明楨周建江,TMS320C54x數(shù)字信號處理器結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用,北航出版南京航空航天大學(xué)研究生 DSP 綜合實驗報告 15 社,2001年 2張雄偉等,DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用（第二版）,電