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20綜合通信I型實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)(通信原理部分)實(shí)驗(yàn)三模擬鎖相環(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言號(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(guān)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(guān)察環(huán)路的捕捉帶和同步帶3.用平方環(huán)法從2DPSK言號(hào)中提取載波同步信號(hào),觀(guān)察相位模糊現(xiàn)象三、基本原理常用平方環(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)用平方環(huán),其原理方框圖及電路原理圖如圖整形”鑒相器環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器q壓控振蕩器VCO器圖3-1載波同步方框圖載波同步模塊上有以下測(cè)試點(diǎn)及輸入輸出點(diǎn):?2DPSK-INVVP-P鎖相環(huán)壓控電壓測(cè)試點(diǎn)21綜合通信I型實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)(通信原理部分)CAR-OUT相干載波信號(hào)輸出點(diǎn)/測(cè)試點(diǎn)綜合通信o理原電步同波載23圖F-jF-j--綜合通信I型實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)(通信原理部分)23圖3-1中各單元與圖平方器鑒相器環(huán)路濾波器壓控振蕩器-2移相器濾波器壓控振蕩器3-2中的主要兀器件的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下鎖相環(huán)HC4046鎖相環(huán)HC4046鎖相環(huán)HC4046:單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123鎖相環(huán)CD4046鎖相環(huán)由鑒相器PC)、環(huán)路濾波器(LF)及壓控振蕩器(VCO組成,如圖3-3所i_圖3-3鎖相環(huán)方框圖d(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o(t)的相位向ui(t)的相位靠近。設(shè)u(t)=Uisin[wit+0i(t)],模擬鎖相環(huán)環(huán)路的數(shù)學(xué)模型如圖3-4所示。圖3-4模擬環(huán)數(shù)學(xué)模型6dSin^e(t^U^e,令Kd=Ud為PD的線(xiàn)性化鑒相靈敏度、單位624綜合通信I型實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)(通信原理部分)圖3-5環(huán)路線(xiàn)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:由固有振蕩頻率3o(即環(huán)路無(wú)輸入信號(hào)、環(huán)路對(duì)VCC無(wú)控制作用時(shí)VCC的振蕩頻率),變化到輸入信號(hào)頻率3I,此時(shí)0o為環(huán)路固有頻差,△3p表示環(huán)路的捕捉帶,△3H表示環(huán)路的同步帶,模擬鎖相環(huán)中△3P<A3出當(dāng)|厶3o|<A3P時(shí),環(huán)路可以進(jìn)入鎖定狀態(tài)。當(dāng)|A3o|<A3H時(shí)環(huán)路可以保持鎖定狀態(tài)。當(dāng)|A3o|>A3P時(shí),環(huán)路不能進(jìn)入鎖定狀態(tài),環(huán)路鎖定后若A3o發(fā)生變化使|A3o|>A3H,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(chēng)的差拍電壓,I>3o,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。高頻成分變成了相位誤差0e(t)。所器,離3I較遠(yuǎn)的頻率成分將被環(huán)路濾掉。環(huán)路自然諧振頻率3n及阻尼系數(shù)Z(具體公式在下文中給出)是兩個(gè)重要參數(shù)。n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;Z越大,環(huán)路穩(wěn)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言號(hào)進(jìn)行平方處理后得S2(t)=m2(t)cos2ct二(1此信號(hào)中只含有直流和c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綜合通信I型實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)(通信原理部分)25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。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U56:A和U56:B構(gòu)成。U56: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??蓪?duì)相干載波的相位模糊作如下解釋。在數(shù)學(xué)上對(duì)cos23ct進(jìn)行除2運(yùn)算的結(jié)果是COS3ct或-cos3ct。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”。在本套實(shí)驗(yàn)裝置中,鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器采用數(shù)字集成瑣相環(huán)芯片CD4046現(xiàn)對(duì)此芯片介紹如下:CD4046是一數(shù)字集成鎖相環(huán),它包括鑒相器和壓控振蕩器。它的組成框圖如上圖所26綜合通信I型實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)(通信原理部分)四、實(shí)驗(yàn)步驟本實(shí)驗(yàn)使用數(shù)字信源(EL-TS-M6)、數(shù)字調(diào)制(EL-TS-M4)、載波同步及模擬鎖相環(huán)(EL-TS-M4)兩個(gè)模塊。1.熟悉上述四個(gè)單元的工作原理。2.將信源模塊的BS-OUTNRZ-OUTCLK分別連接到數(shù)字調(diào)制模塊的BS-IN、NRZ-IN和CLK,再將調(diào)制模塊的2DPSK連接到載波同步模塊的2DPSK-IN。將模擬鎖相環(huán)及載波同步單元的KEY波動(dòng)開(kāi)關(guān)撥到上方,用示波器順序觀(guān)察2DPSK,MU,VCO,COMP,Ud,CAR-O信號(hào),結(jié)合原理圖理解從2DPSK信號(hào)中提取載波的過(guò)程。3.用示波器觀(guān)察鎖相環(huán)的鎖定狀態(tài)、失鎖狀態(tài)。這時(shí)如觀(guān)察Ud為近似鋸型波的穩(wěn)定波形。環(huán)路失鎖時(shí)環(huán)路輸入信號(hào)頻率與反饋信號(hào)頻率不相等,即此時(shí)COM與VCC的頻率不相等,這時(shí)如觀(guān)察根據(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(guān)察鎖定狀態(tài)與失鎖狀態(tài)向下?lián)軇?dòng)開(kāi)關(guān)KEY,接通電源后用示波器觀(guān)察Ud,若Ud為穩(wěn)定波形,則調(diào)節(jié)載波同步模塊上的電位器R128,Ud隨R128減小而減小,隨R128增大而增大,這說(shuō)明環(huán)路處于鎖定狀態(tài)。用示波器兩路探頭同時(shí)觀(guān)察COMP^VCO可以看到兩個(gè)信號(hào)頻率相等。也可以用頻率計(jì)分別測(cè)量COMP和VCC頻率。在鎖定狀態(tài)下,向某一方向變接通電源后Ud也可能是不穩(wěn)定的差拍信號(hào),表示環(huán)路已處于失鎖狀態(tài)。失鎖時(shí)d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)路到某一程度時(shí)Ud會(huì)突然變成穩(wěn)定的信號(hào),環(huán)路由失鎖狀態(tài)變?yōu)殒i定狀態(tài)。2)測(cè)量同步帶與捕捉帶將雙蹤示波器兩路探頭分別接在COMP(鎖相環(huán)輸入頻率fi)和VCO端,調(diào)節(jié)R128,使環(huán)a)同步帶測(cè)量:緩慢調(diào)節(jié)R128使COMP端的頻率fi向下,直到剛好出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象時(shí)停止調(diào)節(jié)R128,記下此時(shí)的鎖相環(huán)輸入頻率fi1;緩慢調(diào)節(jié)R128使COM端的頻率fi向上,使環(huán)路重新鎖定,直到再次出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象時(shí)停止調(diào)節(jié)R128,記下此時(shí)的信號(hào)源輸出頻率fi2,則環(huán)路的同步帶為(2)捕捉帶測(cè)量:緩慢調(diào)節(jié)R128,使COMP端的頻率fi向下出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象,向上緩慢調(diào)節(jié)fi,直到環(huán)路剛好入鎖,記下此時(shí)的信號(hào)源輸出頻率fi3;然后向上調(diào)節(jié)fi,使環(huán)路重新失鎖后,再向
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