基于MATLAB的数字锁相环的仿真设计.doc
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1、本 科 生 毕 业 设 计(申请学士学位)论文题目 基于Matlab 数字锁相环仿真设计 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)第 13 页目录摘要1Abstract11 绪论21.1 本文研究背景21.2 本文研究意义21.3 锁相环和仿真方式21.3.1 锁相环21.3.2 仿真方式21.4 本文研究内容32 模拟锁相环Matlab仿真32.1 模拟锁相环方案32.1.1 模拟鉴相器32.1.2 模拟低通滤波器62.1.3 模拟压控振荡器72.2 模拟锁相环仿真82.
2、3 本章小结93 数字锁相环Matlab仿真103.1 数字锁相环方案103.1.1 数字鉴相器103.1.2 数字滤波器123.1.3 数字压控振荡器133.2 数字锁相环仿真143.3 本章小结154 总结及展望15参考文献16致谢18基于Matlab数字锁相环仿真设计摘要:锁相环是一种能够自动跟踪信号相位并达到锁频目闭环负反馈系统。数字锁相环在无线电领域得到较广泛应用与发展。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元器件之一。锁相环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,所以锁相环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
3、助仿真设计,完全能达到设计预期目标。Matlab中Simulink仿真软件,具有很强灵活性与直观性。本次设计所采用方法是在simulink中搭建模拟锁相模型,并对模拟锁相环组成、结构、设计进行不断分析与改进。然后根据模拟锁相环原理进行改进,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 tracking system of close loop atracking signal phase
4、. 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. However, because of the complexity of phase lock t
5、echnique, 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 intuitive. Methods used by this project is to build t
6、he 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, and then reach the simulation design of digitalp
7、hase-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研究成果 1。19世纪40年代,锁相环开始应用于接收机水平与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与Rechtin将锁相环电路应用于导弹信号跟踪。空间技术发展促使锁相环研究更进一步3。19世纪70年代,大规模集成电路
8、不断涌现,数字集成电路得到发展。大规模集成电路不但精确,而且体积较小价格低廉,表示数字化时代已经到来4。美国在2003年6月份推出各个系列锁相环芯片,其操作频率较高,适用于无线网、移动 等无线操作领域。相对国际数字电路研究状态,中国研究成果是较为落后,产品与应用就更加少之又少。数字锁相环现在在生活中应用是较为广泛,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,仿真设计是相对很方便一种研究方式5。从2008年至今,移动通信、有线网络、移动网络发展,以及互联网电视等电子技术发展更加迅速。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
9、世纪电子技术不断发展与广泛应用,各种数字锁相环与模拟锁相环,在信号传输、相干解调、载波同步以及位同步等方面发挥巨大作用。从锁相环诞生后已广泛应用于科研、生产与生活,并会在电子科学及技术未来发展起着至关重要作用。随着大规模集成电路版设计与不断制成,高速数字集成电路得到较多关注,为数字锁相环路研究与应用提供了广阔空间。21世纪人们对信息所求需要更加准确更加迅速。面对精准信息获取锁相环发展便显得更加重要,锁相环研究也应跟上时代步伐6。1.3 锁相环与仿真方式1.3.1 锁相环按照电路元器件组成分别为模拟电路或数字电路,锁相环分为模拟锁相环与数字锁相环。(1)本文研究模拟锁相环基本上是由模拟鉴相器、模
10、拟滤波器、模拟压控振荡器三个部分组成。连续模拟信号通过模拟电路进行模拟锁相。(2)本文研究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。离散数字信号经过全部由数字元器件组成数字电路进行数字锁相从而达到消除频率误差目。1.3.2 仿真方式MATLAB是由MathWorks公司出品一款数学软件。Simulink是Matlab中比较重要仿真组件之一,也是这次设计所需要用到仿真软件。在Simulink环境中,用户只需要通过简单鼠标操作,就可以选取适当封装好库模块,构造出较为复杂仿真模型。及之前在Matlab中使用程序进行编程与调试具有很大差别。在Simulink环境中,可以根
11、据用户不同需求构造出不同仿真系统,例如,电路中模拟连续信号或者,数字离散信号。所组成整个仿真模型中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设计流程,又适用于及之相反自下而上逆程设计。仿真较为精细,更接近实际效果,是一种理想化设计方式。且,模型内码更容易往数字信号与程序设计等硬件方面移植7。1.4 本文研究内容在simulink中对锁相环组成部分进行仿真,并且根据源信号与元器件不同,组成模拟锁相环与数字锁相环。本次设计将论文研究过程分为两大部分,分别是模拟锁相环与数字锁相环。(1)先对模拟锁相环以及其元器件进行研究与设计。将理论数据与实际数据进行对比,仿真环
12、境是理想条件下,应该是无差。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与总结。(2)对数字锁相环组成各个元器件进行研究与仿真。计算实际数据,与理论数据相对比,确定仿真数据正确性。根据元器件性质组成数字锁相电路,以达到锁相目,并仿真与总结。(3)将数字锁相环电路与模拟锁相环电路进行对比,并且比较两个锁相环优劣之处。总结整个设计过程与研究方法。2 模拟锁相环Matlab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、模拟环路滤波器与模拟压控振荡器。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
13、率误差。在经过不断反馈调节之后,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稳定状态8。频率源与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大小使压控振荡器产生不同频率信号,即得到输出信号。经过不断反馈后频率源信号与输出信号是无差,就达到了锁相目。锁相环在实际应用中,它反馈系统中还包括例如放大器、分频器、混频器等之类模块。但是这些模块缺少不会影响锁相环基本锁相功能,本设计中没有添加额外模块,但同
14、样可以达到锁相目9。模拟锁相环方框图如下:图2-1 模拟锁相环组成框图2.1.1 模拟鉴相器模拟锁相环中模拟鉴相器又称为模拟相位检波器或模拟相敏检波器。它作用是鉴别两个输入信号相位差,并将这种相位差转化成电压信号输出,对振荡器输出信号频率进行控制。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。其中为模拟鉴相器增益系数即,来表示两个输入信号之间相位差电压。乘法鉴相器是一种较为简单传统检相方法,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波分分量,经过反馈调节与低频滤波后,频率相差不大。式子右边
15、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: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:角频率公式为 (2-5)从仿真图像中可以明显看到相乘后结果,但是理论值与实际值无差别
16、。相乘后得到结果是公式(2-2),经过反馈与低频滤波后可得到之前所计算滤波后数值。仿真时没有使用滤波器滤波与反馈调节。在之后设计中还需要用到低频滤波器与压控振荡器。为了方便设计与介绍,在之后设计中将对这两部分元器件进行介绍与仿真。我们可以很明显从图中看出两个波形相乘后结果。2.1.2 模拟低通滤波器低通滤波器是电路中滤除高频只允许通过低频信号元器件。锁相环电路中采用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
17、任何阶数,振幅对角频率曲线都保持同样滤波曲线形状滤波器。滤波阶层越大,曲线下降就速度越快。其他滤波器在滤波阶数增加时振幅对角频率图与低阶滤波时振幅对角频率有不同曲线形状10。巴特沃斯低通滤波器可以使用频率振幅平方公式表示 (2-6)其中:= 滤波器阶数= 截止频率 = 振幅下降为-3频率= 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
18、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与频率之间进行对应变换原器件,在环路中作为被控振荡器,它输出电压振荡频率随输入电压线性地变化而变化,它压控特性如下图所示。静止频率:;电压:;频率:图中压控振荡器振荡频率以静止频率为中心,随输入电压而线性变化。 (2-7)图2-7压控振荡器压控特性输入电压随时间变化时,压控振荡器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 模拟压控振荡器输出幅度为3,静止频率为3HZ,灵敏度为2HZ/V。根据以上
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