实验三：模拟锁相环与载波同步
同步载波实验报告
一、实验目的1. 理解同步载波在通信系统中的作用和重要性。
2. 掌握同步载波同步原理和实现方法。
3. 通过实验验证同步载波同步方法的有效性和可行性。
二、实验原理1. 同步载波的定义：同步载波是指接收端与发射端的载波相位保持一致，从而实现信号的正确接收和解调。
2. 同步载波同步原理：同步载波同步是通过调整接收端载波与发射端载波的相位差，使两者保持一致，从而实现信号的正确接收。
3. 同步载波同步方法：主要有插入导频法、相位锁定环法、频率锁定环法等。
三、实验设备与仪器1. 发射端：正弦波发生器、调制器、放大器、天线；2. 接收端：低通滤波器、解调器、示波器、频谱分析仪；3. 实验平台：通信实验箱、计算机。
四、实验步骤1. 设置发射端参数：正弦波发生器输出载波信号，频率为10MHz，幅度为1V。
2. 设置接收端参数：低通滤波器截止频率为10MHz，解调器为相干解调器。
3. 插入导频法同步载波实验：（1）将正弦波发生器输出信号作为导频信号，通过放大器放大后，与发射端载波信号叠加，形成导频信号。
（2）将导频信号传输到接收端，经过低通滤波器、解调器后，得到同步载波信号。
（3）使用示波器观察接收端同步载波信号的波形，并与发射端载波信号进行比较，验证同步效果。
4. 相位锁定环法同步载波实验：（1）将发射端载波信号作为相位参考信号，通过解调器解调后，得到相位信号。
（2）将相位信号与接收端载波信号进行比较，通过相位锁定环调整接收端载波相位，使其与发射端载波相位保持一致。
（3）使用示波器观察接收端同步载波信号的波形，并与发射端载波信号进行比较，验证同步效果。
5. 频率锁定环法同步载波实验：（1）将发射端载波信号作为频率参考信号，通过解调器解调后，得到频率信号。
（2）将频率信号与接收端载波信号进行比较，通过频率锁定环调整接收端载波频率，使其与发射端载波频率保持一致。
（3）使用示波器观察接收端同步载波信号的波形，并与发射端载波信号进行比较，验证同步效果。
滤波法及数字锁相环法位同步提取实验 模拟锁相环实验 载波同步帧同步实验资料
实验十九滤波法及数字锁相环法位同步提取实验实验项目三数字锁相环法位同步观测（1）观测“数字锁相环输入”和“输入跳变指示”，观测当“数字锁相环输入”没有跳变和有跳变时“输入跳变指示”的波形。
从图中可以观察出，若前一位数据有跳变，则判断有效，“输入跳变指示”输出表示1；否则，输出0表示判断无效。
（2）观测“数字锁相环输入”和“鉴相输出”。
观测相位超前滞后的情况数字锁相环的超前—滞后鉴相器需要排除位流数据输入连续几位码值保持不变的不利影响。
在有效的相位比较结果中仅给出相位超前或相位滞后两种相位误差极性，而相位误差的绝对大小固定不变。
经观察比较，“鉴相输出”比“数字锁相环输入”超前两个码元。
（3）观测“插入指示”和“扣除指示”。
（4）以信号源模块“CLK ”为触发，观测13号模块的“BS2”。
思考题：分析波形有何特点，为什么会出现这种情况。
因为可变分频器的输出信号频率与实验所需频率接近，将其和从信号中提取的相位参考信号同时送入相位比较器，比较的结果若是载波频率高了，就通过补抹门抹掉一个输入分频器的脉冲，相当于本地振荡频率降低；相反，若示出本地频率低了时就在分频器输入端的两个输入脉冲间插入一个脉冲，相当于本地振荡频率上升，从而了达到同步的目的。
思考题：BS2恢复的时钟是否有抖动的情况，为什么？试分析BS2抖动的区间有多大？如何减小这个抖动的区间？有抖动的存在，是因为可变分频器的存在使得下一个时钟沿的到来时间不确定，从而引入了相位抖动。
而这种引入的误差是无法消除的。
减小相位抖动的方法就是将分频器的分频数提高。
实验二十 模拟锁相环实验实验项目一 VCO 自由振荡观测（1）示波器CH1接TH8，CH2接TH4输出，对比观测输入及输出波形。
实验项目二 同步带测量（1） 示波器CH1接13号模块TH8模拟锁相环输入，CH2接TH4输出BS1，观察TH4输出处于锁定状态。
将正弦波频率调小直到输出波形失锁，此时的频率大小f1为 400Hz ；将频率调大，直到TH4输出处于失锁状态，记下此时频率f2为 9.25kHz 。
载波同步实验报告
一、实习目的通过对专业基础课与专业理论课的学习后，以及同学们都具备了一些有关模拟电路及数字电路分析、设计、调试能力。
本次实习主要是针对整个通信系统而言的。
1.掌握通信系统的整体概念及组成模块。
2.理解每个模块的原理及实现的功能。
3.根据自己所完成的模块载波同步模块：1. 掌握模拟锁相环的工作原理，以及环路的锁定状态、失锁状态、同步带、捕捉带等基本概念。
2. 掌握用平方环法从2DPSK信号中提取相干载波的原理及模拟锁相环的设计方法。
3. 了解相干载波相位模糊现象产生的原因。
二、实习要求在本实习我主要负责完成载波同步单元，该单元采用平方环从2DPSK信号中提取相干载波。
1. 观察模拟锁相环的锁定状态、失锁状态及捕捉过程。
2. 观察环路的捕捉带和同步带。
3. 用平方环法从2DPSK信号中提取载波同步信号，观察相位模糊现象。
三、实习内容（1）实习题目: 数字通信系统---载波同步（2）原理介绍:通信是通过某种媒体进行的信息传递。
在古代，人们通过驿站、飞鸽传书、烽火报警等方式进行信息传递。
到了今天，随着科学水平的飞速发展，相继出现了无线电，固定电话，移动电话，互联网甚至可视电话等各种通信方式。
通信技术拉近了人与人之间的距离，提高了经济的效率，深刻的改变了人类的生活方式和社会面貌。
:通信系统的一般模型如下在本次实验中, 通过动手焊接部分模块最后通过联试来完成整个通信系统的过程.主要目的是让大家更深刻的理解通信系统的整体概念及基本理论。
1.整个系统试验框图如下：TX-3 ͨÐÅÔÀí½ÌѧʳÑéϳͱ °¼¾ÖʾÒâͼ通信系统中常用平方环或同相正交环（科斯塔斯环）从2DPSK信号中提取相干载波。
载波同步-锁相环仿真
P
Manuscript received April 2, 1987; revised September 30, 1987. This work was supported in part by the TRW Corporation (TRW/ESG), Redondo Beach, CA. K. S . Shanmugan is with the University of Kansas, 224 Nichols Hall, Lawrence, KS 66045. IEEE Log Number 8718195.
IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL. 6, NO. I, JANUARY 1988
5
An Update on Software Packages for Simulation of Communication SHANMUGAN, FELLOW, IEEE
Abstract-Simulation plays an important role in computer-aided analysis and design of communication systems. In recent years, a number of software packages for simulating communication systems (links) have been developed and are currently being used to design a variety of communication systems including lightwave and satellite links. The capabilities and applications of some of these packages were described in the January 1984 issue of this JOURNAL [I]. This paper provides an update of the software packages for link simulation that were described in [I]. Recent trends in software packages for simulation-based analysis and design of communication links are also discussed.
兰州大学信息科学与工程学院
兰州大学信息科学与工程学院《通信原理》实验教学大纲一、课程基本信息：实验课程编号：实验课程名称：《通信原理》实验课（Experiment Course for Principles of Communications）实验课程性质：单列实验课实验课程类型：必做实验课程负责人：张冠茂等适用专业：电子信息科学与技术专业、通信工程专业实验总学时：36总 学 分：1必开实验个数：7 选开实验个数：2二、本实验的地位、作用和目的：《通信原理》是高等院校理工科电子信息类、通信工程类等专业的一门重要的专业基础课。
在课堂教学中，主要讲述现代通信系统的基本组成、基本性能指标和基本分析方法，在强调通信信号设计的数学表达和推导的同时，以各种调制技术的分析作为主线，紧紧围绕通信系统的有效性和可靠性这对基本矛盾展开分析，对各种通信系统的性能指标进行评价与比较。
因此在学习了相关理论知识的基础上，《通信原理》实验课程是作为《通信原理》专业基础课的实践教学环节而开设的。
本专业实验的主要作用就是通过实验教学环节使学生对《通信原理》课程的课堂教学内容进行实践检验，使学生对所学过的抽象的理论知识有更进一步的感性认识，从而达到巩固课堂教学效果，加强学生对通信系统基本构成及其工作过程的深层次理解的根本目的。
三、实验基本要求：1、本实验课程属于专业基础实验。
2、本实验课程属于验证型实验。
3、本实验课程对于电子信息科学与技术专业以及通信工程专业都属于必修实验。
4、在实验中，要求每组实验人数为2人/组。
5、本实验进行前要求预先熟悉相关测试仪器的用法和操作步骤。
6、实验进行前要求按照实验指导书并结合课程教材做好实验预习工作；做实验时请先插线，待连线检查无误后方能上电，严禁带电将连接导线在实验箱面板上拖行，避免短路损坏实验设备；实验完成后，等待指导教师检查合格后方能断电拆线，并将实验设备恢复原状放好。
7、实验期间，请遵守实验室纪律，要爱护各种实验仪器仪表，否则造成的损失后果自负。
锁相环实验报告
锁相环实验报告锁相环实验报告一、实验目的本次实验的目的是了解锁相环（PLL）的原理和应用，掌握PLL电路的设计和调试方法，以及了解PLL在通信系统中的应用。
二、实验原理1. PLL原理锁相环是一种基于反馈控制的电路，由比例积分环节、相位检测器、低通滤波器和振荡器等组成。
其基本原理是将输入信号与参考信号进行比较，并通过反馈调整振荡频率，使得输入信号与参考信号同步。
2. PLL应用PLL广泛应用于通信系统中，如频率合成器、时钟恢复器、数字调制解调器等。
三、实验设备和材料1. 实验仪器：示波器、函数发生器等。
2. 实验元件：电阻、电容等。
四、实验步骤1. 搭建PLL电路并连接到示波器上。
2. 调节函数发生器输出正弦波作为参考信号，并将其输入到PLL电路中。
同时，在函数发生器上设置另一个正弦波作为输入信号，并将其连接到PLL电路中。
3. 调节PLL参数，包括比例积分系数和低通滤波器截止频率等，使得输入信号与参考信号同步。
4. 观察示波器上的输出波形，记录下PLL参数的取值。
五、实验结果与分析1. 实验结果通过调节PLL参数，成功实现了输入信号与参考信号的同步，并在示波器上观察到了稳定的输出波形。
记录下了PLL参数的取值，如比例积分系数和低通滤波器截止频率等。
2. 实验分析通过本次实验，我们深入了解了锁相环的原理和应用，并掌握了PLL电路的设计和调试方法。
同时，我们也了解到PLL在通信系统中的重要作用，如时钟恢复、数字调制解调等。
六、实验结论本次实验成功地实现了输入信号与参考信号的同步，并掌握了PLL电路的设计和调试方法。
同时也加深对于PLL在通信系统中应用的认识。
七、实验注意事项1. 在搭建电路时应注意接线正确性。
2. 在调节PLL参数时应注意逐步调整，避免过度调整导致系统失控。
3. 在观察示波器输出波形时应注意放大倍数和时间基准设置。
4.27二阶锁频环和三阶锁相环实现载波同步
基于 FLL 与 PLL级联的高动态载波跟踪技术高动态给载波的跟踪带来了很大的困难, 本文研究采用锁频环( FLL)和锁相环( PLL) 相结合的方法来实现载波跟踪。
对常用的叉积自动频率跟踪环(CPAFC) 提出了改进, 改进后的鉴频算法具有更宽的鉴频范围和更小的估计误差。
通过 MATLAB 对整体环路进行了仿真, 结果表明该环路可实现在低信噪比、多普勒频移为300kH z、频率一次变化率为 30 kHz/s 下实现载波的跟踪。
引言载波的同步分为载波的捕获和跟踪, 捕获通常采用FFT 来实现载波频率粗捕, 载波的跟踪通常采用锁相环( PL L) 来实现, PLL 在低动态时, 具有较高的跟踪精度和较好的抗噪性能。
但是在高动态环境下由于多普勒效应使接收信号产生的频偏可能会达到几百千赫兹, 频率变化率会达到几千赫兹/秒甚至几十千赫兹/ 秒。
这时为了满足高动态的要求, PLL 必须具有较宽的带宽,这意味着抗噪性能和跟踪精度降低。
此时采用锁相环很难满足系统要求, 可取的方案是采用锁频环( FLL) 。
故在高动态接收机中, 采用 FLL 来跟踪载波的频率而不是相位, FLL 具有较好的动态性能, 但是跟踪精度比PLL低, 二者存在一定的矛盾所以在高动态和低信噪比下, 采用 FLL 和 PLL 相结合来实现载波的跟踪, 用FLL进行载波频率的跟踪, 在频率跟踪之后采用 PLL来进行相位补偿。
FLL 通常采用叉积自动频率跟踪环( CPAFC). 但是这种鉴频算法得到的频差估计值受输入信号的幅度的影响是非线性的、估计误差大。
本文在此基础上进行了改进, 改进后的算法线性鉴频范围比前者宽, 估计误差小。
采用此改进的自动频率跟踪环和锁相环来实现载波的跟 踪, 最后用Matlab 对整体环路进行了仿真。
1 系统的结构整体的环路结构如图 1 所示。
输入信号与数控振荡器混频后, 产生的信号首先要进行多采样抽取, 因为输入信号的采样频率高达数十兆, 如此高的频率给后续的数据处理增加了负担, 因此在混频后要进行 D 倍的频率抽取使频率降低到信号波特率相近的水平。
模拟锁相环实验报告
实验十四模拟锁相环实验一、实验目的1、了解用锁相环构成的调频波解调原理。
2、学习用集成锁相环构成的锁相解调电路。
二、实验容1、掌握锁相环锁相原理。
2、掌握同步带和捕捉带的测量。
三、实验仪器1、1号模块1块2、6号模块1块3、5号模块1块4、双踪示波器1台四、锁相环的构成及工作原理1、锁相环路的基本组成锁相环由三部分组成，如图14-1所示，它由相位比较器PD、低通滤波器LF、压控振荡器VCO三个部分组成一个闭合环路，输入信号为V i(t),输出信号为V0(t),反馈至输入端。
下面逐一说明基本部件的作用。
图14-1 锁相环组成框图一、压控振荡器（VCO）VCO是本控制系统的控制对象，被控参数通常是其振荡频率，控制信号为加在VCO上的电压，故称为压控振荡器，也就是一个电压－频率变换器，实际上还有一种电流－频率变换器，但习惯上仍称为压控振荡器。
二、鉴相器（PD）PD 是一个相位比较装置，用来检测输出信号V 0(t)与输入信号V i (t)之间的相位差θe (t)，并把θe (t)转化为电压V d (t)输出，V d (t)称为误差电压，通常V d (t)作为一直流分量或一低频交流量。
三、环路滤波器（LF ）LF 作为一低通滤波电路，其作用是滤除因PD 的非线性而在V d (t)中产生的无用的组合频率分量及干扰，产生一个只反映θe (t)大小的控制信号V e (t)。
按照反馈控制原理，如果由于某种原因使VCO 的频率发生变化使得与输入频率不相等，这必将使V 0(t)与V i (t)的相位差θe (t)发生变化，该相位差经过PD 转换成误差电压V d (t)，此误差电压经LF 滤波后得到V c (t)，由V c (t)去改变VCO 的振荡频率使趋近于输入信号的频率，最后达到相等。
环路达到最后的这种状态就称为锁定状态，当然由于控制信号正比于相位差，即)()(t t V e d θ∝因此在锁定状态，θe (t)不可能为零，换言之在锁定状态V 0(t)与V i (t)仍存在相位差。
模拟锁相环实验实验报告
实验十四模拟锁相环实验一、实验目的1、了解用锁相环构成的调频波解调原理。
2、学习用集成锁相环构成的锁相解调电路。
二、实验内容1、掌握锁相环锁相原理。
2、掌握同步带和捕捉带的测量。
三、实验仪器1、1号模块 1块2、6号模块 1块3、5号模块 1块4、双踪示波器 1台四、锁相环的构成及工作原理1、锁相环路的基本组成锁相环由三部分组成，如图14-1所示，它由相位比较器PD、低通滤波器LF、压控振荡器VCO三个部分组成一个闭合环路，输入信号为V i(t),输出信号为V0(t),反馈至输入端。
下面逐一说明基本部件的作用。
鉴相器PD 环路滤波器LF压控振荡器VCO)(t V i)(tVD)(tVC)(tV 图14-1 锁相环组成框图一、压控振荡器（VCO）VCO是本控制系统的控制对象，被控参数通常是其振荡频率，控制信号为加在VCO上的电压，故称为压控振荡器，也就是一个电压－频率变换器，实际上还有一种电流－频率变换器，但习惯上仍称为压控振荡器。
二、鉴相器（PD ）PD 是一个相位比较装置，用来检测输出信号V 0(t)与输入信号V i (t)之间的相位差θe (t)，并把θe (t)转化为电压V d (t)输出，V d (t)称为误差电压，通常V d (t)作为一直流分量或一低频交流量。
三、环路滤波器（LF ）LF 作为一低通滤波电路，其作用是滤除因PD 的非线性而在V d (t)中产生的无用的组合频率分量及干扰，产生一个只反映θe (t)大小的控制信号V e (t)。
按照反馈控制原理，如果由于某种原因使VCO 的频率发生变化使得与输入频率不相等，这必将使V 0(t)与V i (t)的相位差θe (t)发生变化，该相位差经过PD 转换成误差电压V d (t)，此误差电压经LF 滤波后得到V c (t)，由V c (t)去改变VCO 的振荡频率使趋近于输入信号的频率，最后达到相等。
环路达到最后的这种状态就称为锁定状态，当然由于控制信号正比于相位差，即)()(t t V e d θ∝因此在锁定状态，θe (t)不可能为零，换言之在锁定状态V 0(t)与V i (t)仍存在相位差。
模拟锁相环实验实验报告参考模板
实验十四模拟锁相环实验一、实验目的1、了解用锁相环构成的调频波解调原理。
2、学习用集成锁相环构成的锁相解调电路。
二、实验内容1、掌握锁相环锁相原理。
2、掌握同步带和捕捉带的测量。
三、实验仪器1、1号模块 1块2、6号模块 1块3、5号模块 1块4、双踪示波器 1台四、锁相环的构成及工作原理1、锁相环路的基本组成锁相环由三部分组成，如图14-1所示，它由相位比较器PD、低通滤波器LF、压控振荡器VCO三个部分组成一个闭合环路，输入信号为V i(t),输出信号为V0(t),反馈至输入端。
下面逐一说明基本部件的作用。
图14-1 锁相环组成框图一、压控振荡器（VCO）VCO是本控制系统的控制对象，被控参数通常是其振荡频率，控制信号为加在VCO上的电压，故称为压控振荡器，也就是一个电压－频率变换器，实际上还有一种电流－频率变换器，但习惯上仍称为压控振荡器。
二、鉴相器（PD ）PD 是一个相位比较装置，用来检测输出信号V 0(t)与输入信号V i (t)之间的相位差θe (t)，并把θe (t)转化为电压V d (t)输出，V d (t)称为误差电压，通常V d (t)作为一直流分量或一低频交流量。
三、环路滤波器（LF ）LF 作为一低通滤波电路，其作用是滤除因PD 的非线性而在V d (t)中产生的无用的组合频率分量及干扰，产生一个只反映θe (t)大小的控制信号V e (t)。
按照反馈控制原理，如果由于某种原因使VCO 的频率发生变化使得与输入频率不相等，这必将使V 0(t)与V i (t)的相位差θe (t)发生变化，该相位差经过PD 转换成误差电压V d (t)，此误差电压经LF 滤波后得到V c (t)，由V c (t)去改变VCO 的振荡频率使趋近于输入信号的频率，最后达到相等。
环路达到最后的这种状态就称为锁定状态，当然由于控制信号正比于相位差，即)()(t t V e d θ∝因此在锁定状态，θe (t)不可能为零，换言之在锁定状态V 0(t)与V i (t)仍存在相位差。
载波同步原理
载波同步原理
载波同步原理是指在通信系统中，发送端和接收端之间的载波频率要保持一致，以确保正确地传输信息。
载波频率是参与通信的无线信号的基础频率，通过在信道中传输的正弦波来携带信息。
为了实现载波同步，通常会采用两种主要方法：相位锁定环（PLL）和频率锁定环（FLL）。
相位锁定环是一种反馈系统，其中包含一个相位比较器、低通滤波器和一对VCO（电压控制振荡器）。
发送端的VCO产生的频率会与接收端的VCO进行比较。
相位比较器将比较结果
转换成电压信号，通过低通滤波器平滑输出信号，再根据输出信号调整发送端VCO的频率，使其与接收端VCO保持一致。
这样，发送和接收端的载波频率就可以同步。
频率锁定环是另一种实现载波同步的方法，其主要组成部分包括一个频率比较器、低通滤波器和一个VCO。
接收端的VCO
产生的频率与发送端的载波频率进行比较，比较器将比较结果转换为电压信号，然后通过低通滤波器平滑输出信号，最后调整接收端的VCO频率，使其与发送端的载波频率保持一致。
这种方法依赖于比较接收端和发送端之间的频率差异，然后根据差异调整接收端的VCO频率，从而实现同步。
通过相位锁定环和频率锁定环这两种方法，通信系统能够实现载波同步，保证发送端和接收端之间的载波频率保持一致。
这样可以有效地传输信息，提高通信系统的可靠性和性能。
载波同步实验报告
载波同步实验报告载波同步实验报告一、引言在无线通信中，载波同步是一项重要的技术，它能够确保发送端和接收端之间的频率和相位保持一致，从而实现可靠的数据传输。
本实验旨在通过实际操作，验证载波同步的可行性和效果，并探讨其在无线通信中的应用。
二、实验目的1. 了解载波同步的原理和作用；2. 学习使用数字信号处理工具箱实现载波同步算法；3. 进行实际的载波同步实验，验证算法的有效性。
三、实验原理1. 载波同步的原理载波同步是通过接收端的算法和技术，将接收到的信号与本地的本振信号进行频率和相位的匹配，从而实现信号的解调和恢复。
2. 实验所用的算法本实验采用了最常用的两种载波同步算法：Costas环路和Mueller-Muller算法。
Costas环路通过估计信号的相位差来实现同步，而Mueller-Muller算法则是通过最小化误差函数来实现同步。
四、实验步骤1. 准备工作搭建实验所需的硬件平台，包括发射端和接收端。
在发射端，使用信号发生器产生待发送的调制信号；在接收端，使用天线接收信号，并将信号输入到数字信号处理工具箱中。
2. 载波同步算法实现在Matlab环境下，使用数字信号处理工具箱实现Costas环路和Mueller-Muller 算法。
根据实验要求，设置合适的参数，并编写相应的代码。
3. 实验操作通过无线传输，将发送端产生的调制信号传输到接收端。
在接收端，利用数字信号处理工具箱进行载波同步处理，得到解调后的信号。
4. 结果分析对比接收到的解调信号与原始信号，分析载波同步算法的效果和准确性。
通过测量误码率等指标，评估算法的性能。
五、实验结果与讨论经过多次实验，我们得到了不同条件下的实验结果。
通过对实验数据的分析，我们发现Costas环路在某些情况下能够实现较好的同步效果，而Mueller-Muller算法在其他条件下表现更好。
这表明不同的载波同步算法适用于不同的场景，需要根据具体情况选择合适的算法。
《通信原理》实验手册.
实验1 数字基带信号与AMI/HDB3编译码
实验内容及实验步骤（根据实验数据填写）
本模块有以下信号测试点：
∙ NRZ 译码器输出信号测试点
∙ BS-R 锁相环输出的位同步信号测试点
∙ AMI-HDB3 编码器输出信号测试点
1、熟悉数字信源模块和AMI/HDB3编译码模块的工作原理，接好电源线，打开实验设备电源开关。
2、用示波器观察数字信源模块上的各种信号波形。
将示波器置于外同步触发状态，用信源模块的FS信号作为示波器的外同步触发信号。
示波器探头的地线接在信源模块的GND点，进行下列观察：
实验1 数字基带信号与AMI/HDB3编译码
实验2 数字调制
实验2 数字调制
2DPSK相干解调波形示意图
实验4 数字解调与眼图
实验5数字锁相环与位同步
实验9 PCM时分复用通话与抽样定理
实验9 PCM时分复用通话与抽样定理** 阴影表示频谱混叠。
实验三：模拟锁相环与载波同步
实验三：模拟锁相环与载波同步一、实验目的1.模拟锁相环工作原理以及环路锁定状态、失锁状态、同步带、捕捉带等基本概念。
2.掌握用平方法从2DPSK信号中提取相干载波的原理及模拟锁相环的设计方法。
3.了解相干载波相位模糊现象产生的原因。
二、实验电路图载波同步方框图通信系统中常用平方环或同相正交环（科斯塔斯环）从2DPSK信号中提取相干载波。
本实验系统的载波同步提取模块用平方环，原理方框图如图3-1所示，电原理图如图3-2所示（见附录）。
模块内部使用+5V、+12V、-12V电压，所需的2DPSK 输入信号已在实验电路板上与数字调制单元2DPSK输出信号连在一起。
三、设计过程或实验原理概述锁相环由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）及压控振荡器（VCO）组成，如图3-3所示。
uo(t)图3-3 锁相环方框图模拟锁相环中，PD是一个模拟乘法器，LF是一个有源或无源低通滤波器。
锁相环路是一个相位负反馈系统，PD检测ui (t)与uo(t)之间的相位误差并进行运算形成误差电压ud(t)，LF用来滤除乘法器输出的高频分量（包括和频及其他的高频噪声）形成控制电压uc (t)，在uc(t)的作用下、uo(t)的相位向ui(t)的相位靠近。
设ui (t)=Uisin[ωit+θi(t)]，uo(t)=Uocos[ωit+θo(t)]，则ud(t)=Udsinθe (t)，θe(t)=θi(t)-θo(t)，故模拟锁相环的PD是一个正弦PD。
设u c (t)=ud(t)F(P)，F(P)为LF的传输算子，VCO的压控灵敏度为Ko，则环路的数学模型如图3-4所示。
θi(t)o(t)图3-4 模拟环数学模型四、实验仪器、设备通信实验箱、示波器、导线若干五、实验内容步骤及数据实验内容：1.观察模拟锁相环的锁定状态、失锁状态及捕捉过程。
2. 观察环路的捕捉带和同步带。
3. 用平方环法从2DPSK信号中提取载波同步信号，观察相位模糊现象。
锁相环及载波同步
线性化，假定相位误差较小
d 0 ( t ) K V K D e ( t ) * h( t ) dt e (t ) i (t ) o (t )
解微分方程 得到结论
锁相环的环路方程
d 0 ( t ) K V K D e ( t ) * h( t ) dt e (t ) i (t ) o (t ) 拉氏变换求解微分方程
已调信号含 有同步信息
信道
载波恢复
相干解调
AM
载波同步
已调信号
插入 载波/导频
信道
载波恢复
相干解调
同步本身虽然不包含所要传送的信息，但只有 收发设备之间建立了同步后才能开始传送信息， 所以同步是进行信息传输的必要和前提。同步性 能的好坏又将直接影响着通信系统的性能。如果 出现同步误差或失去同步就会导致通信系统性能 下降或通信中断。因此，同步系统应具有比信息 传输系统更高的可靠性和更好的质量指标，如同 步误差小、相位抖动小以及同步建立时间短，保 持时间长等。
鉴相器 PD
vD(t)
vo(t) -
vo(t) -
e(t)
v D f i (t ) 0 (t )
e(t)
某些相位检测器的特性
鉴相器
vi(t) vo(t) vi(t) vo(t)
v i Ai si n [ 0 t i ( t )] v o Ao cos[ 0 t o ( t )] v D K m Ai Ao si n [ 0 t i ( t )]cos[ 0 t o ( t )] KD K m Ai Ao 2
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锁相环及载波同步
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锁相环可用于实现相位测量，如测量两个信号的相位差或相位延 迟。
波形合成与整形
锁相环可用于实现波形的合成与整形，如生成特定波形或滤除信 号中的谐波成分。
06
未来发展趋势与挑战
数字化、集成化和智能化发展方向
01
数字化
随着数字技术的不断发展，锁相环及载波同步技术将越来越数字化，采
用数字信号处理技术可以提高系统性能，降低成本和功耗。
锁相环分类及特点
01
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分类
根据应用需求和结构特点，锁 相环可分为模拟锁相环、数字
锁相环和混合锁相环等。
模拟锁相环
具有结构简单、响应速度快等 优点，但易受温度和器件老化
等因素影响。
数字锁相环
采用数字技术实现，具有较高 的精度和稳定性，但实现复杂
且成本较高。
混合锁相环
结合模拟和数字技术的优点， 具有高性能和灵活性，但设计
相位跟踪
一旦锁相环捕获到输入信号的相位，它将进入相位跟踪状 态。在此状态下，锁相环不断调整本地振荡器的频率和相 位，以保持与输入信号的相位差恒定。
失锁重捕
如果由于某种原因（如噪声、干扰等）导致锁相环失去对 输入信号的锁定，它将重新进入捕获状态，尝试重新锁定 输入信号。
锁相环性能对载波同步影响
锁定时间
难度较大。
02
载波同步技术概述
载波同步定义及意义
定义
载波同步是指在通信系统中，接收端 能够准确地提取和恢复出与发送端同 频同相的载波信号的过程。
意义
载波同步是实现可靠通信的关键技术 之一，它对于确保信号的准确传输、 降低误码率、提高通信质量具有重要 意义。
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实验三：模拟锁相环与载波同步一、实验目的1.模拟锁相环工作原理以及环路锁定状态、失锁状态、同步带、捕捉带等基本概念。
2.掌握用平方法从2DPSK信号中提取相干载波的原理及模拟锁相环的设计方法。
3.了解相干载波相位模糊现象产生的原因。
二、实验内容1. 观察模拟锁相环的锁定状态、失锁状态及捕捉过程。
2. 观察环路的捕捉带和同步带。
3. 用平方环法从2DPSK信号中提取载波同步信号，观察相位模糊现象。
三、实验步骤本实验使用数字信源单元、数字调制单元和载波同步单元。
1.熟悉载波同步单元的工作原理。
接好电源线，打开实验箱电源开关。
2.检查要用到的数字信源单元和数字调制单元是否工作正常（用示波器观察信源NRZ-OUT(AK)和调制2DPSK信号有无，两者逻辑关系正确与否）。
3. 用示波器观察载波同步模块锁相环的锁定状态、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（此锁相环中即等于VCO信号频率）。
环路失锁时ud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，即等于调制单元CAR信号频率的两倍。
环路锁定时VCO信号频率等于CAR-OUT信号频率的两倍。
所以环路锁定时调制单元的CAR和载波同步单元的CAR-OUT频率完全相等。
根据上述特点可判断环路的工作状态，具体实验步骤如下：（1）观察锁定状态与失锁状态打开电源后用示波器观察ud ，若ud为直流，则调节载波同步模块上的可变电容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。
用示波器同时观察调制单元的CAR和载波同步单元的CAR-OUT，可以看到两个信号频率相等。
若有频率计则可分别测量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。
环路锁定，Ud随C34增大而增大：频率相等：直流变交流，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，表示环路已处于失锁状态。
失锁时ud的最大值和最小值就是锁定状态下ud的变化范围（对应于环路的同步范围）。
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u d 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ΔV1=ud1- ud3，ΔV2=ud2- 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ΔV1＞ΔV2。
设VCO的灵敏度为K(HZ/V)，则环路同步带ΔfH 及捕捉带ΔfP分别为：ΔfH=KΔV1/2 ，ΔfP=KΔV2/2 。
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C 34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ΔfH=K0(ud1-6）或ΔfH=K(6-ud3）、ΔfP=K(ud2-6）或ΔfP=K(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：• u d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。
此时向某一方向改变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，u d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入信号不是一个纯净的正弦信号所造成的。
环路失锁：环路再次失锁：失锁状态进入锁定状态: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，关闭电源开关，然后再打开电源，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，用示波器同时观察调制单元的CAR和载波同步单元的CAR-OUT 信号，反复断开、接通电源可以发现这两个信号有时同相、有时反相。
图3-2 同相图3-3 信号反相四、实验结果讨论1. 总结锁相环锁定状态及失锁状态的特点。
答：模拟锁相环锁定的特点：输入信号频率与反馈信号的频率相等，鉴相器输出电压为直流。
模拟锁相环失锁的特点：鉴相器输出电压为不对称的差拍电压 。
2. 设K0=18 HZ/V ，根据实验结果计算环路同步带ΔfH 及捕捉带ΔfP 。
1. 答：代入指导书“3式”计算得：112v =v ，则186108H f Hz =⨯=；28v =v ，则18472p f Hz =⨯=3.由公式116825o )(C R R K K d n +=ω及n CR ωζ21168=计算环路参数ωn 和ζ，式中 K d =6V/rad ，K o =2π×18 rad/s.v ，R 25=2×104 Ω，R 68=5×103 Ω，C 11=2.2×10-6 F 。
（f n =ωn /2π应远小于码速率，ζ应大于0.5)。
答：436218 6.5111(210510) 2.210n rad πω-⨯⨯==⨯+⨯⨯⨯ ；17.62n n f Hz ωπ==远小于码速率170.5（波特）；36510 2.2101110.62ξ-⨯⨯⨯=⨯=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。
答：平方运算输出信号中有2c f离散谱，模拟环输出信号频率等于2c f，二分频，滤波后得到干扰波；2电路有两个初始状态，导致提取的相干载波有两种相反的相位状态。
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。
答：环路处于锁定状态后，慢慢增大C34，使u d增大到锁定状态下的最大值u d1（此值不大于+12V）；①u d增大到锁定状态下的最大值u d1值为：4.8V②继续增大C34，u d变为交流（上宽下窄的周期信号）。
③环路失锁。
再反向调节减小C34，u d的频率逐渐变低，不对称程度越来越大。
④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u d2；继续减小C34，使u d减小到锁定状态下的最小值u d3；环路刚刚由失锁状态进入锁定状态时鉴相器输出电压为u d2为：2.4Vu d减小到锁定状态下的最小值u d3为：1.6V⑤再继续减小C34，u d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u d4。
环路刚刚由失锁状态进入锁定状态时鉴相器输出电压为u d4的值为：4.4V 五、实验心得体会在本次实验中我进一步学习了载波同步提取的各种方法及原理，包括导频插入法和直接法。
直接法又包括平方变换法和平方环法以及科斯塔斯环法。
我们重点进行了科斯塔斯环法的学习，了解了它的提取同步载波的工作过程。
它的解调环路的优点是：该解调环在载波恢复的同时，即可解调出数字信息；该解调环电路结构简单，整个载波恢复环路可用模拟和数字集成电路实现。
但该解调环路的缺点是：存在相位模糊。
采用相位比较法可以克服相位模糊。
通过本次实验我再次感受到具备细心、信心、耐心等心理素质对于我们理工科学生的重要性。
只有具备良好的心态我们才能在错误中吸取教训，在不断更正中逐渐逼近真相事实，进而取得进步。