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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