基于MATLAB的数字锁相环的仿真设计

本科生毕业设计（申请学士学位）论文题目基于Matlab的数字锁相环的仿真设计作者姓名专业名称电子信息工程指导教师2014年5月学生：（签字）学号：答辩日期：2014 年 5 月24 日指导教师：（签字）目录摘要 (1)Abstract (1)1 绪论 (2)1.1 本文研究背景 (2)1.2 本文研究意义 (2)1.3 锁相环和仿真方式 (2)1.3.1 锁相环 (2)1.3.2 仿真方式 (2)1.4 本文研究内容 (3)2 模拟锁相环Matlab仿真 (3)2.1 模拟锁相环方案 (3)2.1.1 模拟鉴相器 (3)2.1.2 模拟低通滤波器 (6)2.1.3 模拟压控振荡器 (7)2.2 模拟锁相环仿真 (8)2.3 本章小结 (9)3 数字锁相环Matlab仿真 (10)3.1 数字锁相环方案 (10)3.1.1 数字鉴相器 (10)3.1.2 数字滤波器 (12)3.1.3 数字压控振荡器 (13)3.2 数字锁相环仿真 (14)3.3 本章小结 (15)4 总结与展望 (15)参考文献 (16)致谢 (18)基于Matlab的数字锁相环的仿真设计摘要：锁相环是一种能够自动跟踪信号相位并达到锁频目的的闭环负反馈系统。

数字锁相环在无线电领域得到较广泛的应用和发展。

而且已经成为雷达、通信、导航等各类电子信号产品不可替代的元器件之一。

锁相环的窄带跟踪性能使其得到较广泛应用。

因为锁相技术在实际应用中较为复杂，所以锁相环的设计通常采用仿真设计这种方式。

本次设计采用Matlab这一软件进行辅助仿真设计，完全能达到设计预期的目标。

Matlab中的Simulink仿真软件,具有很强的灵活性和直观性。

本次设计所采用的方法是在simulink中搭建模拟锁相的模型，并对模拟锁相环的组成、结构、设计进行不断的分析和改进。

然后根据模拟锁相环的原理进行改进，并搭建数字锁相环。

关键词：锁相环；自动跟踪；matlab；simulinkSimulative design of digital phase-locked loop based on MatlabAbstract:PLL is the automatic tracking system of close loop atracking signal phase. It is widely used in various fields of radio. It has become an irreplaceable part of radar, communication, navigation and all kinds of electronicsignal device. PLL is able to be widely used. Because, it has unique narrow-band tracking performance. However, because of the complexity of phase lock technique, for the design of PLL have brought great difficulty. This design uses Matlab, the simulative software for design assistance, can completely meet the design expectations. Simulink simulative software on Matlab, has strong flexibility and intuitive. Methods used by this project is to build the analog phase locked in the Simulink model, and the composition, structure, design of analog phase-locked loop of continuous improvement and analysis. It improved according to the principle of analog PLL, build digital phase-locked loop in Simulink, and then reach the simulation design of digitalphase-locked loop based on Matlab the design objective .Key words: PLL, Automatic tracking, Matlab, simulink1 绪论1.1 本文研究背景19世纪30年代法国H.de Bellescize首次提出同步检波这一概念，并且设计出锁相环电路这一划时代的研究成果 [1]。

19世纪40年代,锁相环开始应用于接收机水平和垂直扫描同步这一方面[2]。

19世纪50年代，空间技术得到不断发展，Jaffe和Rechtin将锁相环电路应用于导弹信号跟踪。

空间技术的发展促使锁相环的研究更进一步[3]。

19世纪70年代，大规模集成电路不断涌现，数字集成电路得到发展。

大规模的集成电路不但精确，而且体积较小价格低廉，表示数字化的时代已经到来[4]。

美国在2003年6月份推出的各个系列锁相环芯片，其操作频率较高，适用于无线网、移动电话等无线操作领域。

相对国际数字电路的研究状态，中国的研究成果是较为落后的，产品和应用就更加少之又少。

数字锁相环现在在生活中的应用是较为广泛的，但对于工厂化大生产来说，无论是集成设计还是工艺设计都是较难实现的，仿真设计是相对很方便的一种研究方式[5]。

从2008年至今，移动通信、有线网络、移动网络的发展，以及互联网电视等电子技术的发展更加迅速。

1.2 本文研究意义锁相环被广泛用于调制解调,频率合成、接收机载波提取、调频解码等方面。

从19世纪电子技术的不断发展和广泛应用,各种数字锁相环和模拟锁相环,在信号的传输、相干解调、载波同步以及位同步等方面发挥巨大作用。

从锁相环的诞生后已广泛应用于科研、生产和生活，并会在电子科学与技术的未来发展起着至关重要的作用。

随着大规模集成电路版的设计和不断制成,高速的数字集成电路得到较多关注,为数字锁相环路的研究和应用提供了广阔的空间。

21世纪人们对信息的所求需要更加准确更加迅速。

面对精准信息的获取锁相环的发展便显得更加重要，锁相环的研究也应跟上时代步伐[6]。

1.3 锁相环和仿真方式1.3.1 锁相环按照电路元器件的组成分别为模拟电路或数字电路，锁相环分为模拟锁相环和数字锁相环。

（1）本文研究的模拟锁相环基本上是由模拟鉴相器、模拟滤波器、模拟压控振荡器三个部分组成。

连续的模拟信号通过模拟电路进行模拟锁相。

（2）本文研究的数字锁相环基本上是由数字鉴相器、数字滤波器、数字压控振荡器三个部分组成。

离散的数字信号经过全部由数字元器件组成的数字电路进行数字锁相从而达到消除频率误差的目的。

1.3.2 仿真方式MATLAB是由MathWorks公司出品的一款数学软件。

Simulink是Matlab中比较重要的仿真组件之一，也是这次设计所需要用到的仿真软件。

在Simulink环境中，用户只需要通过简单的鼠标操作，就可以选取适当的封装好的库模块，构造出较为复杂的仿真模型。

与之前在Matlab中使用程序进行编程和调试具有很大差别。

在Simulink环境中，可以根据用户的不同需求构造出不同的仿真系统，例如，电路中的模拟的连续的信号或者，数字的离散的信号。

所组成的整个仿真模型中的库模块外表以方块图形式呈现，采用分层结构进行封装。

这一仿真软件既适用于自上而下的设计流程，又适用于与之相反的自下而上的逆程设计。

仿真较为精细，更接近实际效果，是一种理想化的设计方式。

且，模型内码更容易往数字信号和程序设计等硬件方面移植[7]。

1.4 本文研究内容在simulink 中对锁相环的组成部分进行仿真，并且根据源信号和元器件的不同，组成模拟锁相环和数字锁相环。

本次设计将论文研究过程分为两大部分，分别是模拟锁相环和数字锁相环。

（1）先对模拟锁相环以及其元器件进行研究和设计。

将理论数据和实际数据进行对比，仿真的环境是理想条件下，应该是无差的。

然后根据将各个元器件合成电路组成模拟锁相环并进行仿真和总结。

（2）对数字锁相环组成的各个元器件进行研究和仿真。

计算实际数据，和理论数据相对比，确定仿真数据的正确性。

根据元器件的性质组成数字锁相电路，以达到锁相目的，并仿真和总结。

（3）将数字锁相环电路和模拟锁相环电路进行对比，并且比较两个锁相环的优劣之处。

总结整个设计的过程和研究方法。

2 模拟锁相环Matlab 仿真2.1 模拟锁相环方案模拟锁相环是全部由模拟电路实现锁相目的的电路。

模拟锁相环主要包括三个方面：模拟鉴相器、模拟环路滤波器和模拟压控振荡器。

锁相环是一种反馈电路，其实质就是在于消除频率误差。

锁相环是利用消除相位误差来消除频率误差。

在经过不断的反馈调节之后，相位误差也许会有残余，但是频率误差可以达到完全消除。

模拟锁相环是一种闭环负反馈系统，通过自身反馈系统不断调节来达到一种相对静止的稳定状态[8]。

频率源和反馈信号通过鉴相器可以得到相位差电压，即相乘信号。

然后相乘信号通过环路滤波器进行低频滤波器消除噪音信号后得到滤波信号。

滤波信号经过压控振荡器，压控振荡器根据滤波信号的大小使压控振荡器产生不同频率信号，即得到输出信号。

经过不断反馈后的频率源信号和输出信号是无差的，就达到了锁相目的。

锁相环在实际的应用中，它的反馈系统中还包括例如放大器、分频器、混频器等之类模块。

但是这些模块的缺少不会影响锁相环的基本锁相功能，本设计中没有添加额外模块，但同样可以达到锁相目的[9]。

2.1.1 模拟鉴相器模拟锁相环中的模拟鉴相器又称为模拟相位检波器或模拟相敏检波器。

它的作用是鉴别两个输入信号的相位差，并将这种相位差转化成电压信号输出，对振荡器输出的信号的频率进行控制。

在锁相环中鉴相器电路可以使用一个乘法电路进行实现即相乘型鉴相器。

鉴相器特性用t k t u ∆=)(表示。

其中k 为模拟鉴相器的增益系数即12()()t t t θθ∆=-，来表示两个输入信号之间的相位差电压。

乘法鉴相器是一种较为简单的传统的检相方法，其原理是基于以下数学表达式)]sin()[sin(21)sin(*)(sin B A B A B A ++-= (2-1)假设输入信号1()111sin[t ]X wt θ=+假设输入信号2()222sin[]X w t t θ=+可以得到1122121212121*2sin[()]*sin[()]11sin[()()]sin[()()()]22X X w t t w t t w t w t t t w w t t t θθθθθθ=++=++++-+- (2-2)式子左边是一个接近两倍基频的波分分量，经过反馈调节和低频滤波后，频率相差不大。