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实验三模拟锁相环与载波同步实验三：模拟锁相环与载波同步 一、 实验目的 1. 模拟锁相环工作原理以及环路锁定状态、失锁状态、同步带、捕捉带等基本概念。 2. 掌握用平方法从2DPSK信号中提取相干载波的原理及模拟锁相环的设计方法。 3. 了解相干载波相位模糊现象产生的原因。 二、 实验电路图 MU平方鉴相器Ud2DPSK环路滤波器压控振荡器VCO放大整形移相器滤波CAR-OUT器÷2载波同步方框图 通信系统中常用平方环或同相正交环从2DPSK信号中提取相干载波。本实验系统的载波同步提取模块用平方环，原理方框图如图3-1所示，电原理图如图3-2所示。模块内部使用+5V、+12V、-12V电压，所需的2DPSK输入信号已在实验电路板上与数字调制单元2DPSK输出信号连在一起。 三、 设计过程或实验原理概述 锁相环由鉴相器、环路滤波器及压控振荡器组成，如图3-3所示。 ui(t)PDud(t)LFuc(t)VCOuo(t)图3-3 锁相环方框图 模拟锁相环中，PD是一个模拟乘法器，LF是一个有源或无源低通滤波器。锁相环路是一个相位负反馈系统，PD检测ui(t)与uo(t)之间的相位误差并进行运算形成误差电压ud(t)，LF用来滤除乘法器输出的高频分量形成控制电压uc(t)，在uc(t)的作用下、uo(t)的相位向ui(t)的相位靠近。设ui(t)=Uisinit+i(t)，uo(t)=Uocosit+o(t)，则ud(t)=Udsine(t)，e(t)=i(t)-o(t)，故模拟锁相环的PD是一个正弦PD。设uc(t)=ud(t)F(P)，F(P)为LF的传输算子，VCO的压控灵敏度为K o，则环路的数学模型如图3-4所示。 qi(t)+-ud(t)uc(t)+qe(t)Udsin( )F(P)KoPqo(t)图3-4 模拟环数学模型 四、 实验仪器、设备 通信实验箱、示波器、导线若干 五、 实验内容步骤及数据 实验内容： 1.观察模拟锁相环的锁定状态、失锁状态及捕捉过程。 2. 观察环路的捕捉带和同步带。 3. 用平方环法从2DPSK信号中提取载波同步信号，观察相位模糊现象。 实验步骤: 1. 接好电源线、打开电源开关。 2. 观察锁定状态和失锁状态 按要求将试验箱接好线，用示波器观察Ud，若Ud为直流，则调节载波同步模拟可变电容C34 , Ud随C34减小而减小，随C34增大而增大，说明环路处于锁定状态。锁定状态下，向某一方向缓慢变化C34 ，可以使Ud由直流变为交流，此时CAR和CAR-OUT频率不再相等，环路由锁定状态变为失锁。接着在反方向变化C34 ，Ud又由直流变为交流，重新变为锁定状态，继续变化Ud又变为交流，再次变为是锁状态。 接通电源后Ud也可能是差拍信号，表示环路已处于失锁状态。失锁时ud的最大值和最小值就是锁定状态下Ud的变化范围。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状态。 3. 观察测量同不太与捕捉带 环路锁定下，增加C34 使Ud增大到锁定状态下最大值Ud1，继续增加C34使得Ud变为交流，环路失锁。接着减小C34使得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，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。 环路捕捉过程：先使环路处于失锁状态，调节C34进入锁定状态，关闭电源，再开电源，观察示波器上Ud，发现Ud由差拍信号变为直流，Ud的变化表示了环路捕捉过程。 4. 观察想干载波相位模糊现象 使环路锁定，用示波器同时观察调制单元的CAR和载波同步单元的CAR-OUT信号，反复断开、接通电源可以发现这两个信号有时同相、有时反相。 六、 实验结果讨论 1. 总结锁相环锁定状态及失锁状态的特点。 答：模拟锁相环锁定的特点：输入信号频率与反馈信号的频率相等，鉴相器输出电压为直流。模拟锁相环失锁的特点：鉴相器输出电压为不对称的差拍电压 。 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 。 答：代入指导书“3式”计算得：Vv=12v，则Vf=18´6=108Hz；Vv=8v，1H2则Vf=18´4=72Hz p2p´18´6.5(2´10+5´10)´2.2´103答：w=n43-6=111rad ；fn=wn2p=17.6Hz远小于码速率170.5；x=5´10´2.2´102-6´111=0.6 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。 答：平方运算输出信号中有2f离散谱，模拟环输出信号频率等于2f，二分频，cc滤波后得到干扰波；¸2电路有两个初始状态，导致提取的相干载波有两种相反的相位状态。 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。 答：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； ud增大到锁定状态下的最大值ud1值为： 4.8 V 继续增大C34，ud变为交流。 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； 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为：2.4 V ud减小到锁定状态下的最小值ud3为 ：1.6 V 再继续减小C34，ud变为交流，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。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的值为：4.4 V