数字锁相环的频率合成器设计

数字锁相环的频率合成器设计

袁捷

中国船舶集团有限公司第七一七研究所 430000

摘要：

近几年来，无线通讯获得飞速发展。随着其应用领域的不断扩张，市场对低功耗、低造价、高性能、高集成度的收发机的需要也越来越高。在无线通信收发机中包含一个很重要的模块，频率合成器，它通过产生一系列与参考信号具有同样精度和稳定度的离散信号，为频率转换提供基准的本地震荡信号。频率合成器设计的优劣直接影响到无线通信收发机的性能、成本，故其实现方式一直是一个挑战。而本次课程设计仅考虑方案的实用性，即是实验室环境的局限性以及电子器件的价格等因素。

关键词：数字锁相环，分频，频率合成器

一、选题的背景与意义

随着数字电路技术的发展，数字锁相环在调制解调、频率合成、FM 立体声解码、彩色副载波同步、图象处理等各个方面得到了广泛的应用。数字锁相环不仅吸收了数字电路可靠性高、体积小、价格低等优点，还具有对离散样值的实时处理能力，已成为锁相技术发展的方向。锁相环是一个相位反馈控制系统，在数字锁相环中，由于误差控制信号是离散的数字信号，而不是模拟电压，因而受控的输出电压的改变是离散的而不是连续的。

本文主要介绍了仿真技术的概念、特点、发展情况及其在控制系统的应用；分析了MATLAB/SIMULINK的功能及如何在MATLAB语言提供的仿真环境SIMULINK下实行控制系统的仿真，并对数字锁相环进行仿真。利用计算机对控制系统进行仿真与分析，是研究控制系统的重要手段；MATLAB软件、MCGS组态软件可成功地用于控制系统的仿真、分析及监控，在科研、生产和教学等领域具有广泛的应用前景和推广价值，从上面两方面看来，本课题数字锁相环技术的matlab/simulink仿真具有一定的研究价值。

二、研究内容与拟解决的主要问题

本设计从模拟锁相环研究出发，掌握锁相环的基本工作原理，了解环路失锁、捕获、跟踪过程及环路锁定条件等。掌握数字锁相环的工作原理，并用MATLAB语言对该系统进行设计，给出数字锁相环电路各个主要模块的设计过程及仿真结果，得到该系统的顶层电路。数字锁相环电路的系统结构图如图1所示。由数字鉴相器、数字滤波器和数控振荡器组成。如果把数字滤波器看成一个分频器，其分频比为Mfc/K，其输出频率为： 

 （式1）

其中，∆Φ为输入信号V1与输出信号V2的相位差； fc为环路的中心频率。则数控振荡器的输出频率为：

（式2）

由于锁定的极限范围为K '∆Φ=±1，所以得到环路的捕捉带：

       （式3）

当环路锁定时，f2=f1，系统稳态相位误差：

   （式4）

可见，只要合理选择K值，就能使输出信号V2的相位较好地跟踪输入V1的相位，以达到锁定的目的。如果K值选的太大，环路捕捉带就会变小，导致捕捉时间增大；如果K值太小，可能会出现频繁进位、借位脉冲，从而使相位出现抖动。

三、技术路线、研究方案与可行性分析

如前所述，锁相环之所以能得到广泛应用，是因为它具有独特的窄带跟踪性能，能完成频率合成、调制解调、同步提取、测速测距、微量频率变换等任务。利用MATLAB6.5/Simulink4.0对数字锁相环进行仿真为实际应用和科学合理地设计数字锁相环提供了便捷、高效、直观的仿真平台。在对数字锁相环分析和研究的基础上，采用MATLAB /Simulink对数字锁相环进行了仿真，其结果与理论分析好，为科学、合理地设计和开发锁相环提供高效快捷途径。

根据位移检测的特点，采用高密度可编程逻辑器件，可根据实际要求，充分利用器件资源，同时把一些相关的数字电路组合在一起，不仅提高了系统的集成度和可靠性，降低了功耗，降低了成本。而且使电路性能得到明显改善。

传统的仿真技术主要包括实物仿真和半实物仿真。通信系统仿真实质上就是把硬件实验搬进了计算机,可以把它看成是一种软件实验。计算机仿真是在在研究系统过程中根据相似原理，利用计算机来逼真模拟研究对象。计算机仿真将研究对象惊醒数字描述、建模编程，且在计算机中运行实现。归纳起来，仿真技术的主要用途有如下几点：

(1)优化系统设计。在世纪系统建立以前，通过改变仿真模型结构和调整系统参数来优化系统设计；

(2)系统故障再现，发现故障原因。实际系统故障的再现必然会带来某种危害性，这样做是不安全的和不经济的，利用仿真来再现系统故障则是安全的和经济的；

(3)验证系统设计的正确性；

(4)对系统或其子系统进行性能评价和分析；

本次设计主要是在对数字锁相环分析和研究的基础上，采用MATLAB /Simulink对数字锁相环进行仿真，为科学、合理地设计和开发数字锁相环系统提供高效快捷途径。一种用于对调幅信号进行解调，特别是用于广播信号的中频解调器的数字锁相环，所述数字锁相环具有数字相位比较电路、数字环路滤波器和数字可控振荡器，所述相位比较电路包括数字混合器和相位转移电路，其特征在于：所述相位转移电路包括具有π 相位误差的周期性转移函数，以便能够消除由输入信号的振幅过调制引起的π相移。

四、结论

本文用锁相环频率合成器专用芯片MC145152及其外围电路设计了909～915 MHz步进25 kHz的频率合成器，该频率合成器具有较低的相位噪声、很高的频率稳定度，大大促进了数字锁相频率合成器集成化程度的提高和体积的缩小，满足了通信设备的高集成度和超小型化的要求，特别适合某些特殊场合的应用。

五、主要参考文献

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