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通信原理实验指导书 实验三 模拟锁相环与载波同步
后若??o发生变化使??o＞??H，环路不能保持锁定状态。这两种情况下，环路都将处于失锁状态 。 失锁状态下ud(t)是一个上下不对称的差拍电压，当?i＞?o， ud ( t) 是上宽下窄的差拍电压：反之ud (t)是一个下宽上窄的差拍电压。 · 环路对?i(t)呈低通特性，即环路可以将?i(t)中的低频成分传递到输出端，
?o(t)中只含有?i(t)的低频成份，或者说，?i(t)中的高频成分被环路滤除。?i(t)中的高频成分变成了相位误差?e(t)。所以当 ui ( t )是调角信号时，环路对ui（t）等效为一个带通滤波器，离?i较远的频率成分将被环路滤掉。
· 环路自然谐振频率?n及阻尼系数?（具体公式在下文中给出）是两个重要参数?n越小，环路的低通特性截止频率越小、等效带通滤波器的带宽越窄；?越大，环路稳定性越好。
· 当环路输入端有噪声时，?i(t)将发生抖动，?n越小，环路滤除噪声的能力越强。实验一中的电荷泵锁相环 4046 的性能与模拟环相似，所以它可以将一个周期不恒定的信号变为一个等周期信号。
有关锁相环理论的详细论述，请读者参阅文献 [3] 。 对2DPSK 信号进行平方处理后得
S2?t??m2?t?co2s?ct?(1?co2s?ct)/2
此信号中只含有直流和 2?c频率成分．理论上对此信号再进行隔直流和二分频处理就可得到相干载波。锁相环似乎是多余的，当然并非如此。实际工程中考虑
到下述问题必须用锁相环：
· 平方电路不理想，其输出信号幅度随数字基带信号变化，不是一个标准的二倍频正弦信号。即平方电路输出信号频谱中还有其它频率成分，必须滤除。
· 接收机收到的 2DPSK 信号中含有噪声（本实验系统为理想信道，无噪声），因而平方电路输出信号中也含有噪声，必须用一个窄带滤波器滤除噪声。
· 锁相环对输入电压信号和噪声相当于一个带通滤波器，我们可以选择适当的环路参数使带通滤波器带宽足够小。
对于本模拟环，?n﹑?环路等效噪声带宽 BL及等效带通滤波器的品质因数 Q的计算公式如下：
?n?RC?KdK0f， ??6811?n， BL=n(1?4?2)， Q?0B
L28?(R25?R68)C11 式中fo=4 . 433 x 106 ( HZ ) ，等于载频的两倍。
设一环路时通过测量得到 Kd 、K0，一般选?值为 0 . 5 ~1 ，根据任务要求
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选定?n后即可求得环路滤波器的元件值。
当固有频差为 0 时，模拟环输出信号的相位超前输入相位900。必须对除2 电路输出信号进行移相才能得到相干载波。移相电路由两个单稳态触发器U28 : A 和U28 : B 构成。 U28 : A被设置为上升沿触发，U28 : B 为下降沿触发，故改变 U28 : A 输出信号的宽度即可改变 U28 : B 输出信号的相位，从而改变相干载波的相位。此移相电路的移相范围小于900，在锁定状态下微调C34也会改变输出信号与输入信号的相位关系（为什么，请思考）。
可对相干载波的相位模糊作如下解释。在数学上对cos2?ct进行除 2 运算的结果是 cos?ct 或-cos?ct 。实际电路也决定了相干载波可能有两个相反的相位，因二分频器的初始状态可以为“0”也可以是“ 1 \。
四、实验步骤
本实验使用数字信源、数字调制及载波同步三个模块。 1 ．熟悉上述三个模块的工作原理，直流稳压电源输出＋5V、+12V、-12V 电压。+ 5V电压从数字信源模块输入、＋12V电压从载波同步模块输入，-12V电源从数字解调模块输入，再将信源模块上的＋5V电源连接到载波同步模块。
2 ．将信源模块的 BS-OUT 、 NRZ-OUT分别连接到数字调制模块的BS-IN和NRZ -IN，再将调制模块的2DPSK-OUT连接到载波同步模块的2DPSK-IN 。用示波器观察2DPSK-OUT是否正常。
3 ．用示波器观察锁柜环的锁定状态、失锁状态．测量环路的同步带﹑捕捉带。
环路锁定时 ud为直流、环路输入信号频率等于反馈信号频率（此环中即为 VCO信号频率）。环路失锁时ud已为差拍电压，环路输入信号频率与反馈信号频率不相等。本环路输入信号频率等于2DPSK 载频的两倍即为数字调制单元 CAR 信号频率的两倍。环路锁定时 VCO 信号频率等于CAP-OUT信号频率的两倍。所以环路锁定时 CAR 和 CAR-OUT频率相等。
根据上述特点可判断环路的土作状态，具体实验步骤如下： ( l ) 观察锁定状态与失锁状态 接通电源后用示波器观察ud，若 ud为直流，则调节载彼同步模块上的可就电容 C34，ud随C34减小而减小，随 C34增大而增大（为什么？请思考），这说明环路处于锁定状态用示波器同时观察以 CAR 和 CAR-OUT ，可以看到两个信号频率相等。也可以用频率计分别测量CAR 和 CAR -OUT频率。在锁定状态下，向某一方向变化 C34，可使 ud由直流变为交流，CAR和 CAR-OUT 频率不再相等，环路由锁定状态变为失锁。
接通电源后 ud也可能是差拍信号，表示环路己处于失锁状态。失锁时 ud的最大值和最小值就是锁定状态ud的变化范围（对应于环路的同步范用）。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
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状态。
( 2 ) 测量同步带与捕捉带
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 , （此值不大于＋12V ) ：继续增大C34 , ud变为交流（上宽下窄的周期信号），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；再继续减小C34，ud变为交流（下宽上窄的周期信号），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。
令?Vl = ud - ud3 ，?V2= ud2一ud4，它们分别为同步范围内及捕捉范围内环路控制电压的变化范围，可以发现 ?V1＞?V2 。设VCO的灵敏度为 K0（HZ / V ) ，则环路同步带?fH及捕捉带?fP弄分别为：
?fH= K0?Vl / 2 ，?fP= K0?V2 / 2
应说明的是，由于VCO 是晶体压控振荡器，它的频率变化范围比较小，调节 C34时环路可能只能从一个方向由锁定状态变化到失锁状态，此时可用?fH=K0 (ud1-6）或 ?fH=K0（6-ud3）、?fP =K0（ud2-6）或?fP＝K0(6-ud4)来计算同步带和捕捉带，式中6为ud变化范围的中值（单位:V）。
作上述观察时应注意：
· ud差拍频率低但幅度大，而 CAR 和 CAR - OUT 的频率高但幅度很小，用示波器观察这些信号时应注意幅度旋钮和频率旋钮的调整。
· 失锁时，CAR和CAR -OUT频率不相等，但当频差较大时，在鉴相器输出端电容的作用下， ud幅度较小。此时向某一万向改变C34 ，可使ud 幅度逐步变大、频率逐步减小、最后变为直流，环路进入锁定状态。
· 环路锁定时， ud不是一个纯净的直流信号，在直流电平上叠加有一个很小的交流信号。这种现象是由于环路输人信号不是一个纯净的正弦信号造成的。
4、观察环路的捕捉过程
先使环路处于失锁定状态，慢慢调节C34，使环路刚刚进入锁定状态后断开+12V电流，再接通+12V电源，用示波器观察ud，可以发现ud由差拍信号变为直流的变化瞬态过程。ud的这种变化表示了环路的捕捉过程。
5、观察相干载波相位模糊现象使环路锁定，用示波器同时观察 CAR 和 CAR -OUT ，调节电位器 P1，或微调电容C34，使两者成为反相或同相。反复断开、接通+12V 电源可以发现这两个信号有时同相、有时反相。
五、实验报告要求
1 、总结锁相环锁定状态及失锁状态的特点。
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 。
3 、由公式田?n?RCKdK0及??6811?n．计算环路参数?n和?，
2(R25?R68)C11式中 Kd =6.5V/ rad , K0= 2??18 rad / s.v ， R25= 2?104?，R68=2?103?，C11=2.2?10?6F 。(fn=?n/2?应远小于码速率，?应大于 0.5 ）。
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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。 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。
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