实验十一 锁相频率合成器.docx
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实验十一锁相频率合成器
频率合成器实验十一锁相
一、实验目的
1.了解接收机一本振及发射机振荡源——锁相频率合成器原理。
2.了解锁相调频原理。
3.了解锁相频率合成器性能指标。
二、实验内容
1.测量发射机锁相频率合成器输出频率与计算值比较,熟悉锁相频率合成原理及输出频率及频道间隔的计算。
2.测量发射机锁相频率合成作为锁相调频器的调制频率特性,熟悉锁相调频原理。
3.观察锁相频合频道切换捕捉过程,了解环路捕捉过程机理。
三、基本原理
1.锁相频率合成器原理及电路
移动通信系统必须配置多个无线频道,允许多个用户同时通话,这样系统才能容纳大量用户。
因而移动通信系统中的收发信机工作频率(对应于接收机一本振及发射机的主振频率)必须能在系统配置的多个频率间切换。
这些众多频率点的产生通常用频率合成技术来实现。
当前应用最广的是锁相频率合成器(简称锁相频合或PLL频合),常用的单环锁相频合方框图见图11.1。
图11.1常用的单环锁相频率合成器方框图
图中,PD为鉴相器;LF为环路滤波器;VCO为压控振荡器,其振荡频率fv受控制电压uc的控制而改变,一般有
fV=f0+K0·uc(11-1)
式中,f0为VCO的固有振荡频率,K0为压控灵敏度(单位Hz/V或rad/S·V);÷N为程序分频器,其分频比由CPU程序设置可变;÷R为参考分频器,将稳定的晶体振荡器频率fR分频得到环路的参考频率fr(一般为5KHz、6.25KHz、12.5KHz或25KHz等)。
环路锁定时,PD的两个输入信号相差为0或固定值,则频差为0,即
fr=ff=fv/N
故
fv=N·fr(11-2)
由式(11-2)可见,由CPU程序改变N的取值就改变了环路的输出频率,且所有频率都与晶振频率具有相同的准确度与稳定度。
由式(11-2)还可见,频道间隔△f最小可以等于fr,其实际值由系统要求决定。
一般模拟调频通信系统频道间隔△f=25KHz,若锁相频合的fr=5KHz,则N变化步长△N=5。
实际锁相频合集成电路包含了图11-1电路框图中除LF及VCO以外的全部电路,有的甚至包含两个这样的电路,分别用于接收机及发射机,称为双PLL频合,例如MCl45160、MCl45161、MCl45162等。
本实验系统实验仪使用高集成度的VHF通用单片收发信机集成电路U1/U201,其内部集成了除发信VCO、发射机射频功放外的所有收发信机电路,包括收信/发信频率合成器、收信一本振VCO、二本振、第一级混频器、第二级混频器、中放、鉴频器、FSK比较器、音频功放、MIC放大等,可方便地构成VHF双工收发信机,用于话音或低速FSK数据通信。
本实验系统实验仪有两套收发信机:
TRx-BS及TRx-MS,每套收发信机都采用了一片VHF通用单片收发信机集成电路U1/U201,其内部的收信/发信频率合成器部分与双PLL频合MCl45162等十分相似,只是它将RXVCO也集成在内,构成接收机一本振及发射机主振PLL频合更方便。
下面以附图2(a)BS收发信机为例对照框图11.1加以详细说明。
附图2(a)中U1为VHF通用单片收发信机集成电路,同MCl45162等双PLL频合IC一样,其参考分频器分频比R及收发两个环路的程序分频器分频比N由CPU通过串行方式由其7、8、9脚送入。
实际选取参考分频器分频比R=2049,则fr=10.245MHz/2049=5KHz。
二个环路各频道的程序分频器分频比按照见表11.1,11.2。
接收环VCO集成在U1内部,U1的39、40脚接外部LC回路(L2、C7),与内部变容二极管等构成接收机一本振,振荡频率由RXVCO电压控制。
VCO的输出信号在U1内部分成二路,一路作为一本振信号送入U1内部的一混频器;另一路送入接U1内部的÷N程序分频器分频后送给PD,与fr=5KHz的参考信号鉴相,U1的45脚为PD输出端,输出误差电流流经外接C9、R4、C8及R3、C13构成的环路滤波器得到控制电压uc,经R2、U1的41脚回送至U1内部的RXVCO,形成图11.1所示闭合环路。
表11.1MS收发信机频率
(fr=5.00KHz,f1IF=10.700MHz)
CH
Tx频率(MHz)
Tx环÷N
Rx频率(MHz)
Rx—本振频率(MHz)
Rx—本振环÷N
1
49.000
9800
46.000
35.300
7060
2
49.025
9805
46.025
35.325
7065
3
49.050
9810
46.050
35.350
7070
4
49.075
9815
46.075
35.375
7075
5
49.100
9820
46.100
35.400
7080
6
49.125
9825
46.125
35.425
7085
7
49.150
9830
46.150
35.450
7090
8
49.175
9835
46.175
35.475
7095
9
49.200
9840
46.200
35.500
7100
10
49.225
9845
46.225
35.525
7105
11
49.250
9850
46.250
35.550
7110
12
49.275
9855
46.275
35.575
7115
13
49.300
9860
46.300
35.600
7120
14
49.325
9865
46.325
35.625
7125
15
49.350
9870
46.350
35.650
7130
16
49.375
9875
46.375
35.675
7135
17
49.400
9880
46.400
35.700
7140
18
49.425
9885
46.425
35.725
7145
19
49.450
9890
46.450
35.750
7150
20
49.475
9895
46.475
35.775
7155
表11.2BS收发信机频率
(fr=5.00KHz,f1IF=10.700MHz)
CH
Tx频率(MHzx)
Tx环÷N
Rx频率(MHz)
Rx—本振频率(MHz)
Rx—本振环÷N
1
46.000
9200
49.000
38.300
7660
2
46.025
9205
49.025
38.325
7665
3
46.050
9210
49.050
38.350
7670
4
46.075
9215
49.075
38.375
7675
5
46.100
9220
49.100
38.400
7680
6
46.125
9225
49.125
38.425
7685
7
46.150
9230
49.150
38.450
7690
8
46.175
9235
49.175
38.475
7695
9
46.200
9240
49.200
38.500
7700
10
46.225
9245
49.225
38.525
7705
11
46.250
9250
49.250
38.550
7710
12
46.275
9255
49.275
38.575
7715
13
46.300
9260
49.300
38.600
7720
14
46.325
9265
49.325
38.625
7725
15
46.350
9270
49.350
38.650
7730
16
46.375
9275
49.375
38.675
7735
17
46.400
9280
49.400
38.700
7740
18
46.425
9285
49.425
38.725
7745
19
46.450
9290
49.450
38.750
7750
20
46.475
9295
49.475
38.775
7755
图11.2VHF通用单片收发信机集成电路内部框图
发射机主振锁相频合同时又是单点注入式锁相调频环路,其框图如图11.3所示。
Q2、L8、D1等构成发信VCO。
衰减后的音频调制信号um(正弦单音、话音、信令数据)加在变容二极管D1的下端,环路控制电压uc'经R8加在D6的上端,总控制电压uc=uc'-um=uc'+(-um),忽略括号中的负号并不影响工作原理及性能的分析,故得到图11.3中发信VCO输入端等效电路。
VCO的输出信号分成两路,一路送入Q1等构成的功放,功率放大后经双工器FL2送至天线ANT1发射出去;另一路由U1的48脚送入U1内部的发射环÷N程序分频器,分频后送发射环PD与参考信号鉴相后由U1的1脚输出误差电流,流经R6、C20及R13、C18构成的环路滤波器得到控制电压uc',经R8送VCO变容二极管D1的上端。
当环路设计成载波跟踪环时,uc'为直流,控制VCO中心频率使环路锁定;um对VCO调频,实现了锁相调频。
图11.3发射机锁相调频频合器方框图
2.锁相频率合成器环路参数设计
2.1环路参数设计公式
U1内部的鉴相器PD采用电荷泵PD输出,图11.4是单端三态电流型电荷泵及外接的环路滤波器电路。
图中,两只场效应管工作于开关状态:
IP为恒流源;R2、Cl为环路滤波器;环路按照理想二阶环设计,有关设计公式如下。
(1)环路自然谐振频率
ωn=[IpK0/(2πNC1)]1/2(11-3)
式中K0为压控灵敏度,N为分频比。
(2)环路阻尼系数
ζ=R2C1ωn/2(11-4)
要保证环路稳定余量足够大及瞬态响应快应选取
ζ=0.6~1.0(11-5)
图11.4单端三态电流型电荷泵及环路滤波器
(3)锁相调频
当锁相频合器作为调频发射机的主振时,其电路框图如图11.3所示,基带调制信号um由VCO前单点注入环路,与环路控制电压uc′相加后去控制VCO的频率。
当环路设计成载波跟踪环时,uc′为直流,um无畸变地到达VCO输入端,实现了理想调频。
图11.3锁相调频频合器的相位模型如图11.5所示,则基带调制信号um至VCO调制频偏θ0之间的传递函数为
图11.5锁相调频频合器的相位模型框图
则
(11-6)
式中,He(S)为误差传递函数,He(jω)为误差频率特性。
由式(11-6)可见,单点注入锁相调频的调制频率特性
为环路的误差频率特性He(jω)乘以常数。
容易导出,理想的二阶环误差频率特性的截止频率ωc为
(11-7)
把常用ζ代入式(11-7)得表14-3。
可见近似有
(11-8)
表11.3理想二阶环误差频率特性He(jω)截止频率
ζ
0.500
0.707
1.000
ωc/ωn
0.79
1.00
1.55
故得理想二阶环误差频率特性He(jω)如图11.6所示,呈现高通特性。
图中亦标出基带调制信号um的频谱um(jω),它占据的频带为ΩL~ΩH。
若环路设计成载波跟踪状态即ωn<<ΩL,如图11.5中所示,则可见在Um(jω)为非0值范围内,恒有He(jω)=1,代入式(11-6)得θ0(jω)=K0·Um(jω),求付里叶反变换得dθo/dt=Ko·um(t),实现了理想调频。
工程上,为保证单点注入式锁相调频环实现理想调频,应选取
ωn≤ΩL/3(11-9)
图11.6理想二阶环误差频率特性及载波跟踪条件
2.2环路参数设计方法
进行环路参数设计前IP、Ko、N及fr等己确定,再按以下步骤进行设计:
(1)按式(11-5)选定ζ;
(2)由式(11-9)折衷选取ωn;
(3)将ζ、ωn值代入式(11-3)、(11-4),求出环路滤波器元件值:
(11-10)
(11-11)
2.3环路参数设计举例
实验系统中BS发射机锁相频合的VCO压控特性实测结果如表11.4所示:
表11.4BS发射机VCO压控特性
CH
1
20
fTx(MHz)
46.000
46.475
uct(V)
0.78
0.98
电荷泵PD充放电电流IP=2.5mA;各频道分频比N见表11.1;环路参考信号频率fr=5KHz。
根据以下步骤可设计出环路参数。
(1)按式(11-5)选择ζ=l;已知话音信号最低频率fL=300Hz,按式(11-9)选择ωn=2π×100rad/s。
(2)由已知条件求VCO压控灵敏度平均值为
(3)由表11.1求环路分频比平均值为
(4)将IP、K0、N及ωn代入式(11-10)得
C1=2.5×10-3×1.49×107/(2π×9248×(2π×100)2)
=1.62(uF)
实际可取C1=1uF。
将ζ、ωn及C1代入式(11-11)得
R2=2×1/(1×10-6×2π×100)
=3.18KΩ
实际可取R2=3.3KΩ。
为进一步滤除鉴相纹波,在实际的环路中通常在滤波器前或后串联第二个附加低通滤波器,但其截止频率要远高于R2、C1组成的低通滤波器的截止频率。
实际的环路滤波器电路及元件参数见附图2。
由以上介绍可见,锁相环路性能参数ζ、ωn的设计,就是对环路滤波器几只电阻、电容的设计,由此可见环路滤波器对环路性能的重大影响。
3.锁相频率合成器环路测量方法
3.1误差频率特性He(jω)
发射机输出调频信号由调频接收机解调后得到基带信号,其系统框图及数学模型如图11.7所示。
图中,调频发射机的数学模型见式(11-6),Kdm是接收机Rx的鉴频增益。
由此得
图11.7调频收发信系统电路框图(a)及数学模型(b)
(11-12)
式中,k=K0·Kdm。
由式(11-14)可见,图11.7的调频收发信系统的解调输出与调制输入之间的频率特性就是发射环的误差频率特性。
因而通过测量调频发信-收信系统间的传输函数的频率特性就可得出发射环的误差频率特性。
3.2环路捕捉时间
CPU控制锁相环切换频道,环路重新捕捉,锁定于切换后的新频道上。
捕捉过程中环路控制电压uc发生变化,其瞬态过程时间即环路捕捉时间。
为便于观测,CPU以50ms为周期循环往复在两个频道间切换环路频率,uc波形为图11.8所示周期信号,可用示波
器观测环路捕捉时间TP。
图11.8循环切换频道时环路控制电压波形
环路捕捉时间TP按捕捉过程是否处于快捕带内而不同。
捕捉过程处于快捕带内的实验标志是捕捉过程中PD向LF充电/放电脉冲宽度未超过两个鉴相信号中周期(Tr或Tf)较短者,即相差|θe|未超过2π,如图11.9所示;反之,处于快捕带外。
图11.9捕捉过程uc波形细节(处于快捕外带的情况)
四、实验器材
1.移动通信实验系统1台;
2.20M双踪示波器1台
3.100M数字频率计1台
4.万用表或电压表1台
五、实验步骤
(一)测量实验仪发射机锁相频合工作频率
1.按单台实验仪配置实验,将数字频率计电缆接至BS(或MS)收发信机输出端Tx(TP102)(或MTx(TP200)),去掉发射机音频调制(电位器W001左旋到底)。
利用“前”或“后”键、“确认”键进入实验十一操作界面,如图11.10所示。
图11.10实验操作界面
2.利用“前”或“后”键选择“频道”,利用“+”或“-”键改变频道值,利用“清除”键选定BS发射机。
按一下“PTT”键该发射机发射,数字频率计测量出被测发射机在该频道的发射信号频率。
3.重复2,测出被测发射机在20个频道上发射信号频率。
4.利用“清除”键选定MS发射机,重复2-3,测量MS发射机20个频道发射信号频率。
5.测量结束再按一下“PTT”键关闭发射机。
将测量结果与表11-1、11-2设计标称值比较。
(二)测量发射机VCO调制灵敏度
1.利用“前”或“后”键选择“调制”,利用“+”或“-”键选择“1000Hz”。
2.利用“前”或“后”键选择“频道”,利用“+”或“-”键选择某一频道,利用“清除”键选定BS发射机。
按一下“PTT”键该发射机发射,用示波器观测MS接收机解调输出TP207。
调节电位器W001,使解调输出端TP207输出的1KHz音频信号幅度小于3Vp-p。
同时,用示波器另一通道(置为DC方式)或高输入阻抗电压表测量BS发射机环路控制电压uct1及MS接收机一本振环路控制电压ucr2。
3.重复2,测量BS发射机及MS接收机在各频道下的锁相频合环路控制电压,记录在表11-5中。
4.利用“清除”键选定MS发射机,按以上方法,测量MS发射机及BS接收机在各频道下的锁相频合环路控制电压,记录在表11-5中。
表11-5收发信机工作频率及锁相频合控制电压
CH
Tx-BS及Rx-MS
发射、接收频率
(MHz)
Tx-BS环Uct1
(V)
Rx-MS-本振环Ucr2
(V)
Tx-MS及Rx-BS
发射、接收频率
(MHz)
Tx-MS环Uct2
(V)
Rx-BS-本振环Ucr1
(V)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
5.按下式计算出四个锁相频VCO的平均压控灵敏度
及各频道压控灵敏度K0。
(11-16)
(11-17)
7.利用“清除”键选定BS或MS发射机,按一下“PTT”键该发射机发射。
将示波器两个测量探头分别接在该发射机和对方接收机(MS或BS)的锁相频合环路控制电压输出端uct及ucr,示波器扫描时间置于20ms/格。
利用“前”或“后”键选择“扫描”,收发信机自动扫描20个信道,示波器显示两个环路控制电压自动步进跳变,直观地显示锁相频合输出频率的控制变化过程。
(三)测量发射机锁相环调制频率特性及环路自然谐振频率ωn
1.将示波器的CH2测量探头接在BS侧调制输入TP106端(MOD1);示波器CH1测量探头接至MS接收机输出TP207端(Dem2),用于监测调制输入及解调输出音频信号的幅度。
2.利用“前”或“后”键选择“频道”,利用“+”或“-”键置收发信机工作在某一频道(如CH10),利用“清除”键选定BS发射机。
按一下“PTT”键BS发射机发射。
3.利用“前”或“后”键选择“调制”,利用“+”或“-”键选择“1000Hz”。
通过电位器W001调整调制信号幅度使示波器CH1测量的MS接收机解调输出音频信号幅度为3Vp-p,此时发射机调制频偏约为3KHz。
4.保持调制输入音频信号幅度不变(由示波器CH2监测),利用“+”或“-”键改变调制信号频率,测量接收机解调输出TP207端音频信号幅度,记录在表11-6中。
表11-6测量发射机锁相环调制频率特性(MOD1=Vp-p)
Fin(Hz)
3400
3000
2000
1000
800
600
……
fc
……
Dem2(Vp-p)
3
……
2.1
……
Dem2/Dem2|1kHz
1
……
0.7
……
注:
Dem2|1kHz表示1KHz时MS接收机解调输出音频信号幅度。
测量完毕后,将Dem2幅度对1KHz时的幅度进行归一化,得BS发射机锁相环归一化调制频率特性,即环路误差频率特性He(jω)。
其中,归一化幅度等于
所对应的频率为3dB截止频率fc,亦即环路自然谐振频率fn=ωn/2π(见式11-8))。
5.将示波器CH1测量探头接至BS接收机输出TP107端(Dem1),利用“清除”键选定MS发射机。
重复3-4,测量MS发射机锁相环调制频率特性数据记录在如表11-6所示格式的另一张表格中,求出环路误差频率特性及环路自然谐振频率fn。
8.测量结束再按一下“PTT”键关闭发射机。
将环路自然谐振频率fn测量值与前面“环路参数设计举例”中所取的fn=100Hz进行比较。
(四)观测锁相频合切换频道捕捉过程及捕捉时间
1.将示波器置为上升沿外触发方式,触发输入接至实验仪TRIm端(位于右下侧)。
2.利用“清除”键选定BS发射机,按一下“PTT”键BS发射机发射;利用“前”或“后”键选择“间跳”,BS发射机、MS接收机锁相频合以50ms为周期在CH1和CH11间循环往复切换,频道在LCD上快速切换显示。
3.用示波器观测BS发射机、MS接收机锁相频合环路控制电压uct、ucr波形,观察捕捉过程(典型捕捉过程波形见图11-8、11-9)。
根据捕捉过程中鉴相器PD向低通滤波器LF充放电脉冲宽度是否小于Tr(或Tf),即|θe|是否小于2π,判定捕捉过程是否处于快捕带内。
4.利用“清除”键选定MS发射机,同本实验(四)3,用示波器观测MS发射机、BS接收机锁相频合环路控制电压uct、ucr波形。
5.利用“清除”键选定BS发射机,按一下“PTT”键BS发射机发射;利用“前”或“后”键选择“邻跳”,BS发射机、MS接收机锁相频合以50ms为周期在CH1和CH2之间循环往复切换,频道在LCD上快速切换显示。
重复同本实验(四)3,观测BS发射机、MS接收机锁相频合环路捕捉过程。
6.利用“清除”键选定MS发射机,同本实验(四)5,用示波器观测MS发射机、BS接收机锁相频合环路控制电压uct、ucr波形。
7.实验结束再按一下“PTT”键关闭发射机。
按“返回”键退出本实验。
六、实验报告要求
1.根据实验记录,列表11-5,画出BS、MS两个发射环VCO的fv-uc压控特性曲线。
2.列表11-6,画出BS、MS两个发射环的调制频率特性曲线。
3.根据实验结果,说明锁相环的误差频率特性是低通还是高通特性?
(注:
所测发射机锁相调频环的调制频率特性3KHz附近及以上的低通特性是接收机鉴频器后的低通滤波器所形成,与发射环调制频率特性无关。
)
4.画出“扫描”时观测到的某个环路滤波器的控制电压。
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- 实验十一 锁相频率合成器 实验 十一 频率 合成器