数字鉴相器设计与DSP实现

XXXXXX大学

研究生DSP公共实验

实验报告

实验名称：数字鉴相器设计与DSP实现

学生学号：

学生姓名：

实验地点：

201X年X月

一实验目的

熟悉CCS 集成开发环境，掌握工程的生成方法；

掌握CCS 集成开发环境的调试方法；

在CCS 集成开发环境中设计数字鉴相器，并在DSP硬件平台上实现。

二实验设备

TMS320VC5502实验箱一套；

已经安装和配置Matlab以及开发环境的计算机一台。

三算法简介

鉴相器是锁相环中重要的组成部件，它是一个相位比较装置，用来检测输入信号相位与反馈信号相位之间的相位差。输出的误差信号是相位差的函数。鉴相特性可以是多种多样的，有正弦形特性，三角形特性，锯齿形特性等等。

正切数字鉴相器

通过环路的数学分析来建立数字鉴相器的数学模型，如图1所示为一种常用的数字锁相环。

图1 数字锁相环

输入：

VCO输出：，

通过同相、正交相乘器得到：

经过低通滤波器滤波之后，二倍频项被滤波器滤除，只有低频分量。

此处假设，为低通滤波器的系数，并假设上下支路的滤波器特

性相同，鉴相器为二象限正切鉴相器。

所以

经过环路滤波器得到控制电压：，实现对VCO的载频控制。

VCO输出相位可以表示为，

正弦数字鉴相器

正弦鉴相器是指鉴相器的输出是正弦函数，利用此函数来控制VCO的输出。

，

由上式可得

以上推导表明，无论是采用哪一种特性的鉴相器，VCO的输入是受控制的，环路滤波器输出为跟踪提供了所需的误差控制电压，但在环路未锁定之时控制VCO的频率、相位，向减小跟踪误差的方向调整。当环路锁定之后，

很小，所以，可以从同相支路获得解调信息。

反正切数字鉴相器

反正切法是通过2路正交信号直接得到输入与输出信号的相位差，作为控制信号输出。

其函数表达式为：

消除符号模糊数字鉴相器

消除符号模糊鉴相法消除符号模糊鉴相法以作为控制信号。其函数表达式为：

式中：函数为符号函数，其含义如下：

鉴相特性比较

正弦鉴相特性，也就是鉴相器的数学模型，

如图2所示。由图可见，正弦鉴相器的输出是连续的，要扩展跟踪频带带宽，必须对图中k1点和k2点进行校正。

图2 正弦鉴相特性

正切鉴相特性如图3所示。由于正切在处输出为无穷大，所以必须对输出进行限幅，才能保证跟踪的正确性。另外，正切鉴相只是利用它的鉴相特性，所以对输出要进行校正，校正方法为，判断相邻两次的输出值，是否发生剧烈变化，否，则判断为在范围内，是，则把最后一次取反作为误差信号输出。

图3 正切鉴相特性

反正切鉴相特性如图四所示。由反正切函数特性可知，反正切鉴相法的鉴相范围为。

图4 反正切鉴相特性

消除符号鉴相特性如图5所示。由特性图可以看出，只有在区间内输入输出才有唯一对应关系，因此消除符号模糊鉴相法的鉴相范围为。

图5 消除符号鉴相特性

通过以上的介绍与分析，现将3种鉴相方法汇总如表1所示：

表1 3种常用鉴相方法特性汇总

四实验内容

在CCS 集成开发环境中设计该数字鉴相器，并在DSP硬件平台上实现。

实验结果仿真图如图6-11所示。

图6 低信噪比下反正切鉴相法跟踪图7 低信噪比下消除符号切鉴相法跟踪

图8 低信噪比下正弦鉴相法跟踪图9 低信噪比下消除符号鉴相法跟踪

图10 低信噪比下消除符号鉴相法跟踪图11 高信噪比下消除符号鉴相法跟踪由仿真图可以看出，在高信噪比情况下，反正切法在1×104点即稳定，跟踪误差最大为弧度；正弦法在2×104点处鉴相误差即为弧度，稳定时，最大鉴相误差在弧度左右；消除符号模糊法在×104点处鉴相误差即为弧度，稳定时，最大鉴相误差在弧度左右。从图中可以明显看出，消除符号模糊法比正弦法先稳定。

由低信噪比和高信噪比情况下2组仿真图片分析对比可知：

（1）不论是在高信噪比还是低信噪比情况下，反正切法都有较快的频率跟踪速度，但是跟踪精度不如另两种方法。因此，在对跟踪精度要求不高的情况下，采用反正切法最佳。

（2）低信噪比情况下，正弦法比另2种方法跟踪精度都要高,且跟踪速度与消除符号模糊法相当。所以，若综合考虑，低信噪比下采用正弦法最佳。

（3）高信噪比情况下，消除符号模糊法与反正切鉴相法相比具有较高的跟踪精度，与正弦法相比具有较快的跟踪速度且精度与其相仿。所以，若综合考虑，高信噪比下采用消除符号模糊法最佳。

本文对常见的3种鉴相方法进行了分析仿真与总结，得出了在不同条件下3种鉴相方法的使用原则，对设计人员具有一定的帮助。

五实验中的问题

通过本次实验，我基本熟悉了CCS的使用环境，对DSP程序的调试手段和调试方法也有所了解，并加深了我对DSP的理解。对于鉴相器的设计也有了较深的认识，但对于深层次的理解与应用还有所欠缺。

六参考文献

[1]戴明桢﹑周建江,TMS320C54x数字信号处理器结构﹑原理及应用,北航出版南京航空航天大学研究生DSP 综合实验报告15 社,2001年

[2]张雄伟等,DSP芯片的原理与开发应用（第二版）,电子工业出版社,2000年

[3]薛年喜,MATLAB在数字信号处理中的应用（第2版）,清华大学出版社,2008年

[4]尹勇等,DSP集成开发环境CCS开发指南,北航出版社,2003年

[5]曾涛等,高速实时数字信号处理器SHARC的原理及其应用,北京理工大学出版社,2000年