通信原理实验讲义

通信原理实验指导书 实验三 模拟锁相环与载波同步

后若??o发生变化使??o>??H,环路不能保持锁定状态。这两种情况下,环路都将处于失锁状态 。 失锁状态下ud(t)是一个上下不对称的差拍电压,当?i>?o, ud ( t) 是上宽下窄的差拍电压:反之ud (t)是一个下宽上窄的差拍电压。 · 环路对?i(t)呈低通特性,即环路可以将?i(t)中的低频成分传递到输出端,

?o(t)中只含有?i(t)的低频成份,或者说,?i(t)中的高频成分被环路滤除。?i(t)中的高频成分变成了相位误差?e(t)。所以当 ui ( t )是调角信号时,环路对ui(t)等效为一个带通滤波器,离?i较远的频率成分将被环路滤掉。

· 环路自然谐振频率?n及阻尼系数?(具体公式在下文中给出)是两个重要参数?n越小,环路的低通特性截止频率越小、等效带通滤波器的带宽越窄;?越大,环路稳定性越好。

· 当环路输入端有噪声时,?i(t)将发生抖动,?n越小,环路滤除噪声的能力越强。实验一中的电荷泵锁相环 4046 的性能与模拟环相似,所以它可以将一个周期不恒定的信号变为一个等周期信号。

有关锁相环理论的详细论述,请读者参阅文献 [3] 。 对2DPSK 信号进行平方处理后得

S2?t??m2?t?co2s?ct?(1?co2s?ct)/2

此信号中只含有直流和 2?c频率成分.理论上对此信号再进行隔直流和二分频处理就可得到相干载波。锁相环似乎是多余的,当然并非如此。实际工程中考虑

到下述问题必须用锁相环:

· 平方电路不理想,其输出信号幅度随数字基带信号变化,不是一个标准的二倍频正弦信号。即平方电路输出信号频谱中还有其它频率成分,必须滤除。

· 接收机收到的 2DPSK 信号中含有噪声(本实验系统为理想信道,无噪声),因而平方电路输出信号中也含有噪声,必须用一个窄带滤波器滤除噪声。

· 锁相环对输入电压信号和噪声相当于一个带通滤波器,我们可以选择适当的环路参数使带通滤波器带宽足够小。

对于本模拟环,?n﹑?环路等效噪声带宽 BL及等效带通滤波器的品质因数 Q的计算公式如下:

?n?RC?KdK0f, ??6811?n, BL=n(1?4?2), Q?0B

L28?(R25?R68)C11 式中fo=4 . 433 x 106 ( HZ ) ,等于载频的两倍。

设一环路时通过测量得到 Kd 、K0,一般选?值为 0 . 5 ~1 ,根据任务要求

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选定?n后即可求得环路滤波器的元件值。

当固有频差为 0 时,模拟环输出信号的相位超前输入相位900。必须对除2 电路输出信号进行移相才能得到相干载波。移相电路由两个单稳态触发器U28 : A 和U28 : B 构成。 U28 : A被设置为上升沿触发,U28 : B 为下降沿触发,故改变 U28 : A 输出信号的宽度即可改变 U28 : B 输出信号的相位,从而改变相干载波的相位。此移相电路的移相范围小于900,在锁定状态下微调C34也会改变输出信号与输入信号的相位关系(为什么,请思考)。

可对相干载波的相位模糊作如下解释。在数学上对cos2?ct进行除 2 运算的结果是 cos?ct 或-cos?ct 。实际电路也决定了相干载波可能有两个相反的相位,因二分频器的初始状态可以为“0”也可以是“ 1 \。

四、实验步骤

本实验使用数字信源、数字调制及载波同步三个模块。 1 .熟悉上述三个模块的工作原理,直流稳压电源输出+5V、+12V、-12V 电压。+ 5V电压从数字信源模块输入、+12V电压从载波同步模块输入,-12V电源从数字解调模块输入,再将信源模块上的+5V电源连接到载波同步模块。

2 .将信源模块的 BS-OUT 、 NRZ-OUT分别连接到数字调制模块的BS-IN和NRZ -IN,再将调制模块的2DPSK-OUT连接到载波同步模块的2DPSK-IN 。用示波器观察2DPSK-OUT是否正常。

3 .用示波器观察锁柜环的锁定状态、失锁状态.测量环路的同步带﹑捕捉带。

环路锁定时 ud为直流、环路输入信号频率等于反馈信号频率(此环中即为 VCO信号频率)。环路失锁时ud已为差拍电压,环路输入信号频率与反馈信号频率不相等。本环路输入信号频率等于2DPSK 载频的两倍即为数字调制单元 CAR 信号频率的两倍。环路锁定时 VCO 信号频率等于CAP-OUT信号频率的两倍。所以环路锁定时 CAR 和 CAR-OUT频率相等。

根据上述特点可判断环路的土作状态,具体实验步骤如下: ( l ) 观察锁定状态与失锁状态 接通电源后用示波器观察ud,若 ud为直流,则调节载彼同步模块上的可就电容 C34,ud随C34减小而减小,随 C34增大而增大(为什么?请思考),这说明环路处于锁定状态用示波器同时观察以 CAR 和 CAR-OUT ,可以看到两个信号频率相等。也可以用频率计分别测量CAR 和 CAR -OUT频率。在锁定状态下,向某一方向变化 C34,可使 ud由直流变为交流,CAR和 CAR-OUT 频率不再相等,环路由锁定状态变为失锁。

接通电源后 ud也可能是差拍信号,表示环路己处于失锁状态。失锁时 ud的最大值和最小值就是锁定状态ud的变化范围(对应于环路的同步范用)。环路处于失锁状态时, CAR 和CAR-OUT 频率不相等。调节C34使ud的差拍频率降低,当频率降低到某一程度时ud会突然变成直流,环路由失锁状态变为锁定

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状态。

( 2 ) 测量同步带与捕捉带

环路处于锁定状态后,慢慢增大C34,使 ud增大到锁定状态下的最大值ud1 , (此值不大于+12V ) :继续增大C34 , ud变为交流(上宽下窄的周期信号),环路失锁。再反向调节减小C34,ud的频率逐渐变低,不对称程度越来越大,直至变为直流。记环路刚刚由失锁状态进入锁定状态时鉴相器输出电压为 ud2;继续减小C34,使 ud减小到锁定状态下的最小值ud3;再继续减小C34,ud变为交流(下宽上窄的周期信号),环路再次失锁。然后反向增大C34,记环路刚刚由失锁状态进入锁定状态时鉴相器输出电压为ud4。

令?Vl = ud - ud3 ,?V2= ud2一ud4,它们分别为同步范围内及捕捉范围内环路控制电压的变化范围,可以发现 ?V1>?V2 。设VCO的灵敏度为 K0(HZ / V ) ,则环路同步带?fH及捕捉带?fP弄分别为:

?fH= K0?Vl / 2 ,?fP= K0?V2 / 2

应说明的是,由于VCO 是晶体压控振荡器,它的频率变化范围比较小,调节 C34时环路可能只能从一个方向由锁定状态变化到失锁状态,此时可用?fH=K0 (ud1-6)或 ?fH=K0(6-ud3)、?fP =K0(ud2-6)或?fP=K0(6-ud4)来计算同步带和捕捉带,式中6为ud变化范围的中值(单位:V)。

作上述观察时应注意:

· ud差拍频率低但幅度大,而 CAR 和 CAR - OUT 的频率高但幅度很小,用示波器观察这些信号时应注意幅度旋钮和频率旋钮的调整。

· 失锁时,CAR和CAR -OUT频率不相等,但当频差较大时,在鉴相器输出端电容的作用下, ud幅度较小。此时向某一万向改变C34 ,可使ud 幅度逐步变大、频率逐步减小、最后变为直流,环路进入锁定状态。

· 环路锁定时, ud不是一个纯净的直流信号,在直流电平上叠加有一个很小的交流信号。这种现象是由于环路输人信号不是一个纯净的正弦信号造成的。

4、观察环路的捕捉过程

先使环路处于失锁定状态,慢慢调节C34,使环路刚刚进入锁定状态后断开+12V电流,再接通+12V电源,用示波器观察ud,可以发现ud由差拍信号变为直流的变化瞬态过程。ud的这种变化表示了环路的捕捉过程。

5、观察相干载波相位模糊现象使环路锁定,用示波器同时观察 CAR 和 CAR -OUT ,调节电位器 P1,或微调电容C34,使两者成为反相或同相。反复断开、接通+12V 电源可以发现这两个信号有时同相、有时反相。

五、实验报告要求

1 、总结锁相环锁定状态及失锁状态的特点。

2 、设 K0 =18 HZ/V ,根据实验结果计算环路同步带?fH及捕捉带?fP 。

3 、由公式田?n?RCKdK0及??6811?n.计算环路参数?n和?,

2(R25?R68)C11式中 Kd =6.5V/ rad , K0= 2??18 rad / s.v , R25= 2?104?,R68=2?103?,C11=2.2?10?6F 。(fn=?n/2?应远小于码速率,?应大于 0.5 )。

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4 .总结用平方环提取相干载波的原理及相位模糊现象产生的原因。 5 .设 VCO 固有振荡频率f0不变,环路输入信号频率可以改变,试拟订测量环路同步带及捕捉带的步骤。

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