基于matlab的二阶锁相环仿真设计

1绪论1.1课题背景及研究意义在现代集成电路中，锁相环（PhaseLockedLoop）是一种广泛应用于模拟、数字及数模混合电路系统中的非常重要的电路模块。该模块用于在通信的接收机中,其作用是对接收到的信号进行处理,并从其中提取某个时钟的相位信息。或者说,对于接收到的信号,仿制一个时钟信号,使得这两个信号从某种角度来看是同步的（或者说,相干的）。其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步，用于完成两个信号相位同步的自动控制，即锁相。它是一个闭环的自动控制系统，它将自动频率控制和自动相位控制技术融合，它使我们的世界的一部分有序化，它的输出信号能够自动跟踪输入信号的相位变化，也可以将之称为一个相位差自动跟踪系统，它能够自动跟踪两个信号的相位差，并且靠反馈控制来达到自动调节输出信号相位的目的。其理论原理早在上世纪30年代无线电技术发展的初期就已出现，至今已逐步渗透到各个领域。伴随着空间技术的出现，锁相技术大力发展起来，其应用范围已大大拓宽，覆盖了从通信、雷达、计算机到家用电器等各领域。锁相环在通信和数字系统中可以作为时钟恢复电路应用；在电视和无线通信系统中可以用作频率合成器来选择不同的频道；此外，PLL还可应用于频率调制信号的解调。总之，PLL已经成为许多电子系统的核心部分。锁相环路种类繁多，大致可分类如下]1[。1.按输入信号特点分类[1]恒定输入环路：用于稳频、频率合成等系统。[2]随动输入环路:用于跟踪解调系统。2.按环路构成特点分类[1]模拟锁相环路：环路部件全部采用模拟电路，其中鉴相器为模拟乘法器，该类型的锁相环也被称作线性锁相环。[2]混合锁相环路：即由模拟和数字电路构成，鉴相器由数字电路构成，如异或门、JK触发器等，而其他模块由模拟电路构成。[3]全数字锁相环路：即由纯数字电路构成，该类型的锁相环的模块完全由数字电路构成而且不包括任何无源器件，如电阻和电容。[4]集成锁相环路：环路全部构成部件做在一片集成电路中。[5]软件锁相环路：借助微处理器、FPGA、CPLD或DSP技术，将锁相环的功能用软件来实现。锁相环电路由简单的模拟电路发展到数模混合电路和全数字电路，由二阶发展到三阶和更高阶。它属于闭环相位自动控制系统，它具有独特的窄带跟踪性能，既能跟踪输入信号，又能对输入噪声进行窄带滤波。长久以来，锁相环一直是相位相干通信系统的基石。模拟锁相环一直占据着统治地位。随着微电子学领域的快速发展，具备巨大优势的数字化系统开始取代相应的模拟系统。目前的趋势是用数字化方式设计和实现锁相环。锁相环被广泛应用于各类电子产品中，在通信系统、数字电路、硬盘驱动电路及CPU等专用芯片中都是一个必不可少的单元，并且直接决定了整个系统的工作稳定性和各项指标的好坏，研究锁相环对我国微电子产业的发展具有重要意义。1.2发展历程及国内外研究现状锁相环(PLL-PhaseLockedL00P)是自动频率控制和自动相位控制技术的融合。人们对锁相环的最早研究始于20世纪30年代，其在数学理论方面的原理，30年代无线电技术发展的初期就己出现。1930年建立了同步控制理论的基础，1932年法国工程师贝尔赛什(Bellescize)发表了锁相环路的数学描述和同步检波论，第一次公开发表了对锁相环路的数学描述。锁相技术首先被用在同步接收中，为同步检波提供一个与输入信号载波同频的本地参考信号，同步检波能够在低信噪比条件下工作，且没有大信号检波时导致失真的缺点，因而受到人们的关注，但由于电路构成复杂以及成本高等原因，当时没有获得广泛应用。到了1943年锁相环路第一次应用于黑白电视接收机水平同步电路中，它可以抑制外部噪声对同步信号的干扰，从而避免了由于噪声干扰引起的扫描随机触发使画面抖动的像，使荧光屏上的电视图像稳定清楚。随后，在彩色电视接收机中锁相电路用来同步彩色脉冲串。从此，锁相环路开始得到了应用，迅速发展。五十年代，随着空间技术的发展，由杰费(Jaffe)和里希廷(Rechtin)研制,成功利用锁相环路作为导弹信标的跟踪滤波器，他们第一次发表了含有噪声效应的锁相环路线性理论的文章，并解决了锁相环路最佳设计化问题。空间技术的发展促进了人们对锁相环路及其理论的进一步探讨，极大地推动了锁相技术的发展。六十年代初，维特比(Viterbi)研究了无噪声锁相环路的非线性理论问题，发表了相干通信原理的论文。最初的锁相环都是利用分立元件搭建的，由于技术和成本方面的原因，所以当时只是用于航天、航空等军事和精密测量等领域。集成电路技术出现后，直到1965年左右，随着半导体技术的发展，第一块锁相环芯片出现之后，锁相环才作为一个低成本的多功能组件开始大量应用各种领域。最初的锁相环是纯模拟的(APLL)，所有的模块都由模拟电路组成，它大多由四象限模拟乘法器来构建环路中的鉴相器，环路滤波器为低通滤波器(由电阻R电容C组成)，压控振荡器的结构多种多样。由于APLL在稳定工作时，各模块可是线性工作的，所以也称为线性锁相环LPLL(LinearPhase.Hckedbop)。APLL对正弦特性信号的相位跟踪非常好，它的环路特性主要由鉴相器的特性决定。其主要用于对信号的调制。七十年代，林特赛(Undsy)和查理斯(Chanes)在做了大量实验的基础上进行了有噪声的一阶、二阶及高阶PLL的非线性理论分析。随着人们对锁相技术的理论和应用进行的深入广泛的研究，伴随着数字电路的发展，鉴相器部分开始由数字电路代替，其它部分仍为模拟电路，这种锁相环就是最初的数字锁相环(DPLL)，准确的名称为数模混合锁相环(Mixed-singlePLL)。随着数模混合锁相环技术和理的不断发展和完善，其成为了锁相环的主流。现在随着通信行中对低成本、低功耗、大带宽、高数据传输速率的需求，集成电路不断朝着高集成度、低功耗的方向发展。低功耗、高工作频率、低电压的锁相环设计中，主要的挑战是设计合适的压控振荡器和高频率的分频器，针对这方面的研究，设计师们不断提出不同的技术，如压控振荡器和分频器由原来的串接改为堆叠结构、DH-PLL结构等，随着设计人员的不断努力，锁相坏的性能不断提高，现在已经有工作频率达50GHz的锁相环，同时也在通信和航空航天等领域中发挥着越来越重要的作要]2[。从时间上看，锁相环路的大发展出现在20世纪年代以后，而这个时期正是集成电路技术开始迅速发展的时期。可以说,是在集成锁相环路出现以后,锁相环的工业应用前景才日益的广阔起来。总的来说，它朝着集成化、多用化、数字化的方向发展。自1965年第一个锁相环集成产品问世以来，PLL发展极为迅速，产品种类繁多。2004年5月美国模拟器件（AnalogDevice）宣布推出了一款频率上限高、性能好的集成数字锁相环芯片ADF4106，它的最高工作频率达到6.0GHz，只需再合理搭配上一、二块集成电路和少量的外围电路，即可构成一个完整的低噪声、低功耗、高稳定度的可靠性很高的频率合成器，它主要应用于无线发射机和接收机中，为上下变频提供本振信号。2005年11月美国国家半导体（NationalSemiconductor）宣布推出的LMX2531芯片，号称当时业界最低相位噪声的PLL/VCO二合一芯片。它采用全球首创的delta-sigma分数N锁相环路结构，工作频率范围从756MHz至2790MHz，噪声可低至-160dBc/Hz以下，最适用于无线传输、网络设备、移动电话及卫星接收系统、汽车电子系统和测试仪表等产品中。2007年4月，发布了业界首款带高电压的电荷泵PLL频率合成器。同年7月德州仪器（TI）宣布推出了一系列高度可编程的1：4锁相环时钟发生器。该系列产品在系统内编程，能以统一的输入频率生成多达九个输出的时钟源。以其功耗低、引导时间短和无需重新进行系统设计即能方便灵活的更新时钟等优点，该产品降低了各种应用和消费的成本。2008年8月，推出的LMX2346及LMH2347是两款高性能的频率合成器，用该公司的先进BiCMOS工艺技术制造，采用专有的数字锁相环路技术，可以为超高频（UHF）及甚高频（VHF）的压控振荡器提供极稳定而噪声较少的控制信号。2009年3月，该公司又推出了LMK04000系列具备级联式PLLatinum锁相环路的精密抖动消除器；LMK01000系列为抖动低于30飞秒的高性能时钟缓冲器、分频器和分配器，支持的时钟频率高达1.6GHz。美国模拟器件（AnalogDevice）2004年5月就推出了一款频率上限高、性能好的集成数字锁相环芯片ADF4106，其最高工作频率达到6.0GHz。有30多年的历史的卓联半导体（ZarLinkSemiconductor），它的高性能模拟锁相环可应用于光学网络设备。芯片ZL30461满足OC-12光学载波12级的通信要求(速率可以达到12*51.84Mb/s=622Mbit/s)，ZL30414可工作在光学载波第192级线路速率的光学线路卡上。该公司芯片适用于SDH/SONET(同步数字体系/同步光学网络)边缘设备中的线路卡设计。富士通（Fujitsu），该公司的PLL系列芯片产品MB1501主要在无线通信系统中，设计频率合成器，用来产生本地振荡。该系列产品覆盖了很宽的频率带宽，从100MHz到6GHz。富士通用的是自己的BiCMOSRF工艺,同时它也具有相关的其他产品，如VCO，Resonators等。该公司的PLL共有三类可以选择:SingleIntegerPLL,DualIntegerPLL-LowPower，以及FualPLL(SCCT)-FastLockup。相比之下，我国国内少有企业掌握高性能技术，产品更是少见。但令人可喜的是，东南大学射频与光电集成电路研究所的研究人员通过参与美国计划,设计出了拥有自主知识产权、具有世界先进水平的集成电路芯片。它们分别属于光纤传输系统中的复接器、激光驱动器、放大器、时钟恢复、数据判决和分接器的核心芯片，形成了完整的系列。这批通过鉴定的种芯片也通过了美国工程的全流程验证，速率达到了世界范围内“工艺的最高速率。这种芯片均采用工艺，比以往采用高速或工艺来实现的芯片，具有工艺成熟、易获得、流片成本低、电路功耗小、集成度高等优势，因此具有广阔的产业化前景。尽管我国国内的IC设计水平相对落后，国内很少有企业掌握高性能PLL核心技术，但近几年，不少国内公司也自主研发了许多PLL产品，成果仍是可喜的。比如，2009年4月，美芯（MCDevices）公司推出了MCD2006锁相环芯片，大幅提升红外麦克风性能；浩凯微电子公司自主研发出高性能时钟锁相环IP系列产品Haokai_PLL_130SMIC01~04，广泛应用于国内外高性能微处理器和SOC产品，提供高速时钟以及进行时钟的频率合成。而且，我国科技力量发展迅猛，从1999年11月20日“神州一号”飞船的发射与回收到2008年9月25日“神舟七号”飞船的成功发射与回收，再从2007年10月24日我国首颗月球探测卫星嫦娥一号和2010年4月10日第八课“北斗”导航卫星的圆满成功发射，进一步证明了我国包括锁相技术在内的一批核心技术和关键技术方面，已经达到世界先进水平。1.3锁相环的基本特征锁相环处于正常工作状态（锁定或跟踪）时，与相同功能的其他电路相比，具有下面一些基本特点]3[。1.可以实现理想的频率控制由于环路锁定时，环路输出频率与输入频率完全一致，能随输入信号变化，没有剩余频差，只有相位误差。而且，相位误差也是极小的，所以能达到理想的无频差控制。2.良好的窄带跟踪特性通过合理的设计锁相环路对输入信号可等效为一个良好的窄带跟踪滤波器。窄带跟踪是指跟踪输入信号载频的慢变化，如多普勒效应引起的载频漂移变化；窄带滤波是指对于干扰和噪声，环路有相当好的窄带滤波作用。这是由于当压控振荡器输出信号锁定在输入信号频率上时，位于信号载频附近的干扰成分绝大部分会受到环路低通特性的抑制，从而减少了对压控振荡器的干扰作用，所以环路对干扰的抑制作用就相当于一个窄带的高频带通滤波器。3.良好的调制跟踪特性锁相环路不仅具有窄带滤波特性，而且其压控振荡器输出信号