锁相环与MATLAB仿真

目录中文摘要……………………………………………………………………………3英文摘要……………………………………………………………………………4前言…………………………………………………………………………………6第一章绪论…………………………………………………………………………71．1锁相环的发展及国内外研究现状……………………………………………71．2本文的主要内容组织…………………………………………………………9第二章锁相环的基本理论…………………………………………………………102.1锁相环的工作原理…………………………………………………………112.1.1鉴相器…………………………………………………………………112.1.2低通滤波器……………………………………………………………132.1.3压控振荡器……………………………………………………………152.2锁相环的工作状态……………………………………………………………152.3锁相环的非线性工作性能分析…………………………………………172.3.1跟踪性能………………………………………………………………182.3.2捕获性能………………………………………………………………182.3.3失锁状态………………………………………………………………192.4锁相环的稳定性………………………………………………………………202.5信号流程图……………………………………………………………………212.6锁相环的优良特性…………………………………………………………212.7锁相环的应用…………………………………………………………………222.7.1锁相环在调制和解调中的应用…………………………………………222.7.2锁相环在频率合成器中的应用…………………………………………232.8本章小结………………………………………………………………………23第三章锁相环的噪声分析…………………………………………………………243.1锁相环的输入噪声…………………………………………………………243.2压控振荡器的噪声……………………………………………………………243.3相位噪声的抑制………………………………………………………………263.4本章小结……………………………………………………………………27第四章二阶锁相环仿真及结果……………………………………………………284.1仿真介绍……………………………………………………………………284.2程序代码……………………………………………………………………284.3仿真结果……………………………………………………………………344.4本章小结……………………………………………………………………36结论………………………………………………………………………………38致谢…………………………………………………………………………………39参考文献……………………………………………………………………………40毕业设计小结………………………………………………………………………41摘要锁相环电路是使一个特殊系统跟踪另外一个系统，更确切的说是一种输出信号在频率和相位上能够与输入参考信号同步的电路，它是模拟及数模混合电路中的一个基本的而且是非常重要的模块。由于锁相环具有捕获、跟踪和窄带滤波的作用，因此被应用在通信、微处理器、以及卫星等许多领域。锁相环是通信电路里时钟电路的一个重要模块。本文详细介绍了锁相环设计中所涉及的各项指标计。论文首先对锁相环的发展历史和研究现状做了介绍，然后从其基本工作原理出发，以传统锁相环的结构为基础，得到了锁相环的数学模型，对锁相环的跟踪性能、捕获性能、稳定性以及噪声性能等各种性能进行了分析，对锁相环的各项指标参数进行了详细推导，得出了锁相环数学分析的结论。本文详细描述了锁相环的整体电路以及鉴频鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、分频器等电路模块。在分析和设计的同时，也采用MATLAB软件对电路进行了仿真。由于MATLAB仿真软件适合多学科、多种工作平台且功能强大、界面友好、方便快捷、语言自然并且开放性强的大型优秀应用软件，已经也已成为国内外高等院校高等数学、数值分析、数字信号处理、自动控制理论以及工程应用等课程的基本教学工具。使用Matlab对锁相环仿真的实现是方便快捷的。仿真结果表明，锁相环电路达到了设计指标要求。关键词：锁相环，仿真，MATLABAbstractPhase-lockedloopcircuitistomakeaspecialsystemtotrackanothersystem,moreprecisely,anoutputsignalinthefrequencyandphasereferencesignalcanbesynchronizedwiththeinputcircuit,whichistheanaloganddigital-analoghybridcircuitisveryimportantmodule.AsthePLLhasacquisition,trackingandnarrowbandfilteringrole,soitisusedincommunications,microprocessors,andsatelliteandmanyotherfields.PLLclockcircuitofthecommunicationcircuitisanimportantmodule.ThispaperdescribesthedesignofPLLindicatorsofdollarsinvolved.FirstlythehistoryofthePLLandthecurrentresearchhavebeendescribed,andthenfromthebasicworkingprinciple,thestructureofthetraditionalPLLbasedonamathematicalmodelhasbeenphase-lockedloop,thetrackingperformanceofthePLLcapturetheperformance,stabilityandnoiseperformanceandotherperformanceanalysisoftheindicatorsonthePLLparametersdetailedderivation,mathematicalanalysisofthefindingsofaPLL.ThispaperdescribestheoverallPLLcircuitandfrequencydiscriminatorphasedetector,loopfilter,VCO,frequencydividercircuitmodule,etc..Intheanalysisanddesign,butalsobyMATLABsoftwarecircuitsimulation.AstheMATLABsimulationsoftwareformulti-disciplinary,multi-workingplatformandpowerful,friendlyinterface,convenient,naturalandopenandstronglanguageoflargeoutstandingapplications,hasalsobecomeadomesticandinternationalinstitutionsofhigherlearninghighermathematics,numericalanalysis,digitalsignalprocessing,automaticcontroltheoryandengineeringapplicationsofbasicteachingtoolforcourses.SimulationusingMatlabimplementationofthePLLisconvenient.Simulationresultsshowthatthephase-lockedloopcircuittothedesignrequirements.Keywords：PLL,Simulation,MATLAB前言锁相环(PLL)是一个能够跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统。它在无线电技术的各个领域得到了很广泛的应用。最初，DeBellescize于1932年提出同步检波理论，首次公开发表了对锁相环路的描述，但并未引起普遍关注。直至1947年，锁相环路才第一次应用于电视接收机水平和垂直扫描的同步。从此，锁相环路开始得到了应用。由于技术上的复杂性以及较高的成本，应用锁相环路的领域主要集中于航天方面，包括轨道卫星的测速定规和深空探测等。性能要求较高的精密测量仪器和通信设备有时也用到它。到70年代，随着集成电路技术的发展，逐渐出现了集成的环路部件、通用单片集成锁相环路以及多种专用集成锁相环路，锁相环逐渐变成了一个成本低、使用简单的多功能组件，这就为锁相技术在更广阔的领域应用提供了条件。随着数字技术的发展，相应出现了各种数字锁相环，它们在数字信号传输的载波同步、位同步、相干解调等方面发挥了重要的作用。在锁相环的开发、设计研究领域，目前已经探索出多种途径。Lindsey和Chie讲述了到1981年他们在该领域出色完成的理论研究和实验工作。不过，大量的研究都致力于通过不同的方式实现环路鉴相器的机械化，而对于环路滤波器的设计研究则较少。典型的设计方法只是简单地实现了在模拟锁相环中应用广泛的离散式环路滤波器。这种方法存在缺陷，因为在设计过程中没有考虑到在任何采样数据系统中都固有的计算延迟。这些延迟会使环路带宽比根据连续时间方程计算出的结果更宽，指定带宽和动态下的稳态相位误差也会更大，进而降低整个环路的稳定性。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。第一章绪论1．1锁相环的发展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【1】。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象，使荧光屏上的电视图像稳定清。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析文章，并解决了锁相环路最佳设计化问题【2】。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【3】，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