基于MATLAB的数字锁相环的仿真设计(共21页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上本 科 生 毕 业 设 计(申请学士学位)论文题目 基于Matlab的 数字锁相环的仿真设计 作者姓名 专业名称 电子信息工程 指导教师 2014年5月学 生: (签字)学 号: 答 辩 日 期: 2014 年 5 月 24 日指 导 教 师 : (签字)专心-专注-专业目录基于Matlab的数字锁相环的仿真设计摘要:锁相环是一种能够自动跟踪信号相位并达到锁频目的的闭环负反馈系统。数字锁相环在无线电领域得到较广泛的应用和发展。而且已经成为雷达、通信、导航等各类电子信号产品不可替代的元器件之一。锁相环的窄带跟踪性能使其得到较广泛应用。因为锁相技术在实际应用中较为复杂,所
2、以锁相环的设计通常采用仿真设计这种方式。本次设计采用Matlab这一软件进行辅助仿真设计,完全能达到设计预期的目标。Matlab中的Simulink仿真软件,具有很强的灵活性和直观性。本次设计所采用的方法是在simulink中搭建模拟锁相的模型,并对模拟锁相环的组成、结构、设计进行不断的分析和改进。然后根据模拟锁相环的原理进行改进,并搭建数字锁相环。关键词:锁相环;自动跟踪;matlab;simulinkSimulative design of digitalphase-locked loop based on MatlabAbstract:PLL is the automatic track
3、ing system of close loop atracking signal phase. It is widely used in various fields of radio. It has become an irreplaceable part of radar, communication, navigation and all kinds of electronicsignal device. PLL is able to be widely used. Because, it has unique narrow-band tracking performance. How
4、ever, because of the complexity of phase lock technique, for the design of PLL have brought great difficulty. This design uses Matlab, the simulative software for design assistance, can completely meet the design expectations. Simulink simulative software on Matlab, has strong flexibility and intuit
5、ive. Methods used by this project is to build the analog phase locked in the Simulink model, and the composition, structure, design of analog phase-locked loop of continuous improvement and analysis. It improved according to the principle of analog PLL, build digital phase-locked loop in Simulink, a
6、nd then reach the simulation design of digitalphase-locked loop based on Matlab the design objective .Key words: PLL, Automatic tracking, Matlab, simulink1 绪论1.1 本文研究背景19世纪30年代法国H.de Bellescize首次提出同步检波这一概念,并且设计出锁相环电路这一划时代的研究成果 1。19世纪40年代,锁相环开始应用于接收机水平和垂直扫描同步这一方面2。19世纪50年代,空间技术得到不断发展,Jaffe和Rechtin将锁相
7、环电路应用于导弹信号跟踪。空间技术的发展促使锁相环的研究更进一步3。19世纪70年代,大规模集成电路不断涌现,数字集成电路得到发展。大规模的集成电路不但精确,而且体积较小价格低廉,表示数字化的时代已经到来4。美国在2003年6月份推出的各个系列锁相环芯片,其操作频率较高,适用于无线网、移动电话等无线操作领域。相对国际数字电路的研究状态,中国的研究成果是较为落后的,产品和应用就更加少之又少。数字锁相环现在在生活中的应用是较为广泛的,但对于工厂化大生产来说,无论是集成设计还是工艺设计都是较难实现的,仿真设计是相对很方便的一种研究方式5。从2008年至今,移动通信、有线网络、移动网络的发展,以及互联
8、网电视等电子技术的发展更加迅速。1.2 本文研究意义锁相环被广泛用于调制解调,频率合成、接收机载波提取、调频解码等方面。从19世纪电子技术的不断发展和广泛应用,各种数字锁相环和模拟锁相环,在信号的传输、相干解调、载波同步以及位同步等方面发挥巨大作用。从锁相环的诞生后已广泛应用于科研、生产和生活,并会在电子科学与技术的未来发展起着至关重要的作用。随着大规模集成电路版的设计和不断制成,高速的数字集成电路得到较多关注,为数字锁相环路的研究和应用提供了广阔的空间。21世纪人们对信息的所求需要更加准确更加迅速。面对精准信息的获取锁相环的发展便显得更加重要,锁相环的研究也应跟上时代步伐6。1.3 锁相环和
9、仿真方式1.3.1 锁相环按照电路元器件的组成分别为模拟电路或数字电路,锁相环分为模拟锁相环和数字锁相环。(1)本文研究的模拟锁相环基本上是由模拟鉴相器、模拟滤波器、模拟压控振荡器三个部分组成。连续的模拟信号通过模拟电路进行模拟锁相。(2)本文研究的数字锁相环基本上是由数字鉴相器、数字滤波器、数字压控振荡器三个部分组成。离散的数字信号经过全部由数字元器件组成的数字电路进行数字锁相从而达到消除频率误差的目的。1.3.2 仿真方式MATLAB是由MathWorks公司出品的一款数学软件。Simulink是Matlab中比较重要的仿真组件之一,也是这次设计所需要用到的仿真软件。在Simulink环境
10、中,用户只需要通过简单的鼠标操作,就可以选取适当的封装好的库模块,构造出较为复杂的仿真模型。与之前在Matlab中使用程序进行编程和调试具有很大差别。在Simulink环境中,可以根据用户的不同需求构造出不同的仿真系统,例如,电路中的模拟的连续的信号或者,数字的离散的信号。所组成的整个仿真模型中的库模块外表以方块图形式呈现,采用分层结构进行封装。这一仿真软件既适用于自上而下的设计流程,又适用于与之相反的自下而上的逆程设计。仿真较为精细,更接近实际效果,是一种理想化的设计方式。且,模型内码更容易往数字信号和程序设计等硬件方面移植7。1.4 本文研究内容在simulink中对锁相环的组成部分进行仿
11、真,并且根据源信号和元器件的不同,组成模拟锁相环和数字锁相环。本次设计将论文研究过程分为两大部分,分别是模拟锁相环和数字锁相环。(1)先对模拟锁相环以及其元器件进行研究和设计。将理论数据和实际数据进行对比,仿真的环境是理想条件下,应该是无差的。然后根据将各个元器件合成电路组成模拟锁相环并进行仿真和总结。(2)对数字锁相环组成的各个元器件进行研究和仿真。计算实际数据,和理论数据相对比,确定仿真数据的正确性。根据元器件的性质组成数字锁相电路,以达到锁相目的,并仿真和总结。(3)将数字锁相环电路和模拟锁相环电路进行对比,并且比较两个锁相环的优劣之处。总结整个设计的过程和研究方法。2 模拟锁相环Mat
12、lab仿真2.1 模拟锁相环方案模拟锁相环是全部由模拟电路实现锁相目的的电路。模拟锁相环主要包括三个方面:模拟鉴相器、模拟环路滤波器和模拟压控振荡器。锁相环是一种反馈电路,其实质就是在于消除频率误差。锁相环是利用消除相位误差来消除频率误差。在经过不断的反馈调节之后,相位误差也许会有残余,但是频率误差可以达到完全消除。模拟锁相环是一种闭环负反馈系统,通过自身反馈系统不断调节来达到一种相对静止的稳定状态8。频率源和反馈信号通过鉴相器可以得到相位差电压,即相乘信号。然后相乘信号通过环路滤波器进行低频滤波器消除噪音信号后得到滤波信号。滤波信号经过压控振荡器,压控振荡器根据滤波信号的大小使压控振荡器产生
13、不同频率信号,即得到输出信号。经过不断反馈后的频率源信号和输出信号是无差的,就达到了锁相目的。锁相环在实际的应用中,它的反馈系统中还包括例如放大器、分频器、混频器等之类模块。但是这些模块的缺少不会影响锁相环的基本锁相功能,本设计中没有添加额外模块,但同样可以达到锁相目的9。模拟锁相环方框图如下:图2-1 模拟锁相环的组成框图2.1.1 模拟鉴相器模拟锁相环中的模拟鉴相器又称为模拟相位检波器或模拟相敏检波器。它的作用是鉴别两个输入信号的相位差,并将这种相位差转化成电压信号输出,对振荡器输出的信号的频率进行控制。在锁相环中鉴相器电路可以使用一个乘法电路进行实现即相乘型鉴相器。鉴相器特性用表示。其中
14、为模拟鉴相器的增益系数即,来表示两个输入信号之间的相位差电压。乘法鉴相器是一种较为简单的传统的检相方法,其原理是基于以下数学表达式 (2-1)假设输入信号1假设输入信号2可以得到 (2-2)式子左边是一个接近两倍基频的波分分量,经过反馈调节和低频滤波后,频率相差不大。式子右边部分可以近似认为是一个低频或者直流分量。则,我们可以认为输入输出相乘后得到的结果为 (2-3)近似认为 (2-4) 根据公式(2-4)可以得到相角差7。鉴相器组成框图 图2-2乘法鉴相器乘法鉴相器在simulink中进行仿真图形及结果信号源1:振幅为1,频率为1HZ,相位差:,采样时间:1/1000,每帧采样数:1信号源2
15、:振幅为1,频率为1HZ,相位差:,采样时间:1/1000,每帧采样数:1图2-3乘法鉴相器仿真图形图2-4 乘法鉴相器仿真图像情况信号源1信号源2相乘理论结果实际计算结果信号周期:1 ,幅度:0.5角频率公式为 (2-5)从仿真图像中可以明显看到相乘后的结果,但是理论值和实际值无差别。相乘后得到的结果是公式(2-2),经过反馈和低频滤波后可得到之前所计算的滤波后的数值。仿真时没有使用滤波器滤波和反馈调节。在之后的设计中还需要用到低频滤波器和压控振荡器。为了方便设计和介绍,在之后的设计中将对这两部分元器件进行介绍和仿真。我们可以很明显的从图中看出两个波形相乘后的结果。2.1.2 模拟低通滤波器
16、低通滤波器是电路中滤除高频只允许通过低频信号的元器件。锁相环电路中采用的低频滤波方式是巴特沃斯滤波器。巴特沃斯滤波器频率曲线较为平坦,几乎没有起伏,曲线逐渐下降到零。巴特沃斯滤波器在一阶滤波时衰减率为每倍频6,每十倍频20。在二阶滤波时的衰减率为每倍频12、三阶滤波时衰减率为每倍频18。巴特沃斯滤波器无论任何阶数,振幅对角都保持同样的滤波曲线形状的滤波器。滤波阶层越大,曲线的下降就速度越快。其他滤波器在滤波阶数增加时振幅对角频率图和低阶滤波时的振幅对角频率有不同的曲线形状10。巴特沃斯低通滤波器可以使用频率的振幅的平方公式表示 (2-6)其中:= 滤波器阶数= 截止频率 = 振幅下降为-3的频
17、率= 通频带边缘频率通频带边缘数值图2-5模拟滤波器在simulink中仿真图形图2-6 模拟滤波器仿真的图形元器件参数设置信号源1:频率为1HZ,幅度为1信号源2:频率为1000HZ,幅度为10信号源3:频率为500HZ,幅度为5设计中巴特沃斯滤波器参数:低频滤波,3阶滤波,带通边缘频率为1HZ从滤波图形可以很明显得看出滤波效果5。2.1.3 模拟压控振荡器压控振荡器是种将电压和频率之间进行对应变换原器件,在环路中作为被控振荡器,它输出电压的振荡频率随输入电压的线性地变化而变化,它的压控特性如下图所示。静止频率:;电压:;频率:图中压控振荡器的振荡频率以静止频率为中心,随输入电压而线性变化。
18、 (2-7)图2-7压控振荡器的压控特性输入电压随时间变化时,压控振荡器的振荡频率也随之而变。当锁相环经过不断反馈会使处于一个稳定状态。这样,振荡频率也会处于一个锁定状态,锁相环也就锁住了频率。图2-8压控振荡器仿真测试电路图2-9 压控振荡器测试图形 模拟压控振荡器的输出幅度为3,静止频率为3HZ,灵敏度为2HZ/V。根据以上图形可知,模拟压控振荡器输出信号的幅度为3。静止频率也就是物体自身的振荡频率为3HZ,也就是为3HZ。灵敏度也就是没当输入电压变化单位1时,输出频率变化2HZ,也就是图中参数。从压控振荡器在simulink中的测试波形可以看出压控振荡器输入电压相同时,输出电压频率相同。
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