同步技术实验系统

《通信原理及同步技术系列实验七》

同步技术实验系统

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           学  生 

           学  号 

           教  师 

同步技术实验系统

一、实验目的

1. 研究锁相环的基本工作原理，用锁相环实现调制、解调器的工作原理。

2. 加深对鉴相器PD、环路滤波器LF、压控振荡器VCO等环路部件在环路中的作用理解。

3. 掌握锁相环的三个优良特性，即：载波跟踪特性、调制跟踪特性及低门限特性。

4.掌握锁相环实验系统的组成及各功能模块在系统中的作用。

5. 熟悉用锁相环实现调制、解调器原理与方法。

6. 理解锁系统参数的设置及参数对系统性能的影响。

二、实验原理

1. 调制跟踪与载波跟踪

由于锁相环路的闭环频率响应呈低通特性，那么输入正弦调相信号加到环路上之后，环路输出相位能否跟踪输入相位就取决于调制频率Ω与环路截止频率之间的关系。

（1）调制跟踪 

 当Ω小于时，即处于闭环低通特性的通带之内时，将跟踪的瞬时变化，压控振荡器的输出电压也就成为一个正弦调相信号

在这种情况下，环内压控振荡器的输出电压跟踪了输入电压的相位调制。这种跟踪状态称为调制跟踪。在调制跟踪状态，误差相位一定是比较小的。

工作在调制跟踪状态的锁相环路可用作调频信号的解调器。

设有一个角频率为Ω、初相为正弦调制信号

                                       （1）

用它来调制一个角频率等于的载波，那么可以得到瞬时角频率为      （2）

的已调波。

式中

       为调制器的灵敏度；

       为峰值频偏。

已调波的瞬时相位

                                 （3）

调频波的完整表达式为

                            （4）

此信号加到调制跟踪锁相环路，环内压控振荡器的输出电压将跟踪输入相位调制，于是得

              （5）

即输出相位

              （6）

根据压控振荡器的控制特性

               （7）

用带入上式得

                        （8）

比较式（1）和式（8）可见，两者幅度成正比例，相位差了一个相移量

，所以可作为解调输出。

（2）载波跟踪

当Ω大于时，即调制频率处于闭环低通特性的通带之外时，已不能跟踪的变化。此时，压控振荡器就没有相位调制，是一个未调载波

                                              （9）

当输入信号的载波产生缓慢漂移时，由于环路要维持锁定，压控振荡器输出的未调载波的频率也会跟随着漂移。这种环路输出相位没有跟踪输入的相位调制，而是跟踪了输入信号载频的漂移，这也是一种跟踪状态，称为载波跟踪。

由于未跟踪输入的相位调制，据的关系，显然此环路的相位误差一定比较大，恰恰就是跟踪了的相位调制。这就是误差响应的高通特性。

2. 模拟调频信号的调制器与解调器

（1）调频信号

设幅度为1的单一频率Ω的调制信号

                                         （10）

则调频信号为

                              （11）

式中

       为载频；

       为载波幅度；

       为峰值频偏。

将式（6）代入式（7）得

已调信号的幅度为常数，其瞬时频率正比于调制信号。

（2）调制器

压控振荡器可以直接作FM调制器，如图1所示。

图1  锁相调制器

将调制信号加在VCO输入端，即控制电压端，在VCO的输出端就能得到调频信号FM。

（3）解调器

调制跟踪的锁相环本身就是一个FM解调器，从压控振荡器输入端得到解调输出。解调系统如图2所示。

图2  锁相解调系统

    当环路工作在调制跟踪状态时，VCO输出信号的相位可以完全跟踪环路输入信号的相位。当为调频信号时，也为调频信号且其瞬时频率相同，因此VCO的控制电压即为所需的解调输出信号。由于环路的频率特性不够理想，要想得到理想的解调信号，还应对环路控制电压进行补偿，图2中的输出滤波器就是为此目的而设计的。

三、实验系统的组成

本实验是运用MATLAB软件的集成开发工具SIMULIK搭建了一个锁相环软件仿真实验系统，用以模拟调频调制器与解调器的实现。实验者可以在系统上进行不同参数的设置或更改，研究锁相环路的调制跟踪与载波跟踪特性，并通过计数显示观察载波是否同步。系统框图如图3所示。

图3 锁相环路实验仿真系统图

     仿真系统由信号发生器模块、调频信号产生模块、锁相环路模块、计数显示模块、波形显示器等模块组成。

     信号发生器由两个正弦波发生器和一个直流信号源组成，通过对信号发生器模块的设置：可得到单频正弦波、幅度调制波、纯直流信号，作为实验用的调制信号波形，通过波形显示器可观察到信号的波形。

     信号发生器产生的信号加到VCO上，能改变VCO的振荡频率，从而可实现调频调制器。改变VCO振荡频率，就改变了调制载波的频率。改变在调制信号不为0和纯直流的情况下，VCO的输出就是调频波。在波形显示器可观察到VCO输出波形。

     将VCO输出信号加入锁相环路，可对输入相位进行调制跟踪或载波跟踪，这取决于环路的参数设置。环路有三个输出端：第1个输出端为鉴相器输出，在波形显示2上，可观察到鉴相器的鉴相特性波形。第2个输出端为环路滤波器输出，即压控振荡器的控制电压端，若锁相环路设置成调制跟踪环，在压控振荡器的控制电压端得到的就是调频信号的解调信号。在显示器1上可观察到调制信号与解调信号的对比波形。第3个输出端为压控振荡器的输出，在调制跟踪的状态下，压控振荡器的输出与相同，两者直接只有一个很小的相位差。若环路工作在载波跟踪状态，则压控振荡器的输出跟踪的是误差相位的变化。在波形显示器3上可观测到调频波与压控振荡器输出波形的对比波形。

计数显示模块采用波形过零点检测计数法，分别检测VCO输出信号与压控振荡器输出信号，Display1显示的是压控振荡器输出的脉冲数，也即压控振荡器的输出频率；Display2显示的是VCO输出的脉冲数，也即VCO的输出频率。通过观测Display1与Display2数字，便可分析出输入信号与输出信号是否同步。

调频信号输出校正模块由放大器和直流分量补偿器两部分组成，具体参数由系统所设置而定。

四、实验步骤及内容

打开仿真系统，设置参数：

1.将正弦波发生器1接0，即将Sine Wave1接0，此时只用一个正波发生

器做为调制信号对VCO进行调频。输入数据与输出数据见表1，由实验者操作、记录。要求画出波形显示器的波形、将数据结果填入表1。

表1 频率变化实验参数表

    2. 系统设置如表2所示，此时频率相同，改变输入信号幅度。要求画出波形显示器的波形，数据结果填入表2。

表2 幅度变化实验参数表

因为：两个Sine Wave信号相加的关系为

这样就形成了一个调幅波，其中包含两个频率，即与，锁相环在做调制跟踪时，只能跟踪一个频率，即锁定的是调幅时，做调制信号的频率。

实验参数设置如表3所示。要求同1，2。

表3 调幅波变化实验参数表

      均实现 了同步

5.由实验系统设置、数据记录、波形分析，写出实验报告。

K：为控制灵敏度，单位：Hz/v

S=jΩ。