《锁相技术》 课程结业论文
题 目： 一阶PLL 实现FM 解调器
院系名称： 信息科学与工程学院 专业班级： 电子信息工程12级03班 学生姓名： 刘海峰 学 号： [1**********]7 授课教师： 朱春华
2015 年 7 月 8 日
目录
1. 引言 ………………………………………………………………………4 1.1. 课题目的和意义 ……………………………………………………4 1.2. 课题研究内容 ………………………………………………………4 2. 一阶PLL 实现FM 解调器工作原理 ………………………………4 2.1. 锁相环简介 …………………………………………………………5 2.2. PLL 实现FM 解调器工作原理概述 ……………………………5 2.3. 锁相环FM 鉴频器原理 ……………………………………………5 3 .Systemview 实验电路图……………………………………………6 3.1. 各元器件参数 ………………………………………………………6 3.2. 仿真结果 ……………………………………………………………6
4. 结论………………………………………………………………………7 5. 参考文献…………………………………………………………………8
1 引言
1.1课题目的和意义
大三下学期的锁相环课程设计，巩固了我们对课堂知识的理解，加深了我们对通信系统的认识，同时提高了我们分析问题、交流问题、动手查阅资料，交流合作等多方面的实践能力，让我们对本专业的学习有了深层次的认知，更重要的是让我们学习到SYSTEMVIEW 软件，对我们今后的工作或者研究生的学习都大有裨益，真诚感谢老师这么多天认真的授课！
1.2课题研究内容
1. 观察锁相环的输入和输出信号(VCO输入信号) 频谱，调整环路参数。 2. 观察环路增益变化时VCO 输入信号即解调信号的频谱，推测其对环路的影响。
2. 一阶PLL 实现FM 解调器工作原理 2.1 锁相环简介
锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。
2.2PLL 实现FM 解调器工作原理概述
根据FM 信号的性质，其瞬时角频率可表示为
ωFM (t ) =ωc +K F f (t )
假设VCO 具有线性控制特性，其斜率(压控灵敏度) 为K o (rad/s)/V，而VCO 在u d (t ) =0时的振荡角频率为ω0，则当有控制电压时，VCO 的瞬时角频率为
ωv (t ) =ω0+K o u d (t )
令上两式相等，即ωFM (t ) =ωv (t ) ，可得
u d (t ) =
ωc -ωo
K o
+
K f K o
f (t )
其中ωc 为FM 波的载频，ω0为压控振荡器的固有振荡频率，两者皆为常数。因此上式第一项为直流项，可用隔直元件消除，或者开始时把压控振荡器的频率调整为ωc
=ω0。因此上式还可进一步写成
u d (t ) =可见，除了常系数
K f K o
K f K o
f (t )
之外，锁相环的输出就近似等于原调制信号f (t ) ，因而
达到了频率调制的目的。同理，锁相环也可用于解调PM 信号，此时只需要在输出端接入一个积分器就可以了。
通过合理选择环路参数(主要是环路滤波器的参数) 可以在满足解调要求的条件下使闭环带宽尽可能窄，以便抑制噪声，因此锁相环具有良好的噪声性能。当接收信号电平微弱，噪声成为主要考虑因素时，采用PLL 解调器可以改善解调性能，它可用于各种移动FM 电台、微波接力系统、卫星通信系统以及电视、遥测等系统中，它与普通鉴频器相比，门限的改善可达6dB ，所以PLL 解调器又称为门限扩张解调器，或低门限解调器。
2.3锁相环FM 鉴频器原理
3.Systemview 实验电路图 3.1各元器件参数
1. 正弦信号图符块，输入参数为幅度为50V ，频率为25Hz ，相位为0。 2.FM 图符块，设置参数为幅度为1.414V ，频率为1000Hz ，相位为0，调制增益为1Hz/V。
3. 分析图符块，不需设置参数。
4. 贝塞尔IIR 低通滤波器的参数为极点数为3，截止频率为500Hz ，FM 的 参数设置为幅度为1.414V ，频率是1000Hz, 相位为0，调制增益为159.1549e-3Hz/V。
5.VCO 简单地用了一个与信号源载波频率一致的FM 图符代替，其调制增益设为0.159V/。
6. 系统增益为628.315，作为环路补偿。
3.2仿真结果
图1：实验电路原理图 解释：
自左向右依次是正弦信号发生器、FM 调制器、模拟乘法器（鉴相器）、贝塞尔低通滤波器、增益放大器
图:2：工作原理 解释：
原理1：正弦信号发生器产生正弦信号作为调制信号法f （x ） 原理2：FM 调制器把正弦信号调制产生已调信号F(X)
原理3：模拟乘法器输入信号分别为F(X)和V(X)后者来自压控振荡器VCO
原理4：模拟乘法器输出F(X)和V(X)的和频分量（高频）和差频分量（低频）
原理5：贝塞尔低通滤波器滤除高频分量（低频分量作为压控振荡器控制信号）
原理6：压控振荡器输出V(X)反馈给模拟乘法器
图3：FM 调制信号波形图
图4：改变FM 调制频率后信号波形图（提高1.5倍）
解释：调制信号频率增加，导致模拟乘法器输出的和频分量和差频分量均增大，低通滤波后差频分量依然影响VCO 的振荡频率（也增大）见下图：
图5：改变低通滤波器低通截止频率（缩小一半） 解释：差频分量减小导致VCO 振荡频率减弱见下图：
图6：增大环路制度增益效果图（显然）
图6：解调器输出图 解释：因为满足u d (t )
很多，故如下两图
K f K o
f (t ) ，当系数远大于
1时，输出频率将比输入频率大
结 论
综上所述，通过用System View 对一阶PLL 实现的FM 解调器的仿真，验证了在数字通信中的应用，PLL 解调器可以具有很好的性能，同时也可以看出System View是一个系统仿真和分析强有力的工具，工程设计人员利用它进行系统仿真 分析和设计是十分方便的！
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参 考 文 献
1、樊昌信、曹丽娜，通信原理，国防工业出版社，2006.
2、罗卫兵等，SystemView 动态系统分析及通信系统仿真设计，西安电子科技大学出版社。
3、郑继禹，锁相技术，西安电子科技大学出版社，2012.
4、朱春华，锁相技术实验指导书，内部资料，2013.
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《锁相技术》 课程结业论文
题 目： 一阶PLL 实现FM 解调器
院系名称： 信息科学与工程学院 专业班级： 电子信息工程12级03班 学生姓名： 刘海峰 学 号： [1**********]7 授课教师： 朱春华
2015 年 7 月 8 日
目录
1. 引言 ………………………………………………………………………4 1.1. 课题目的和意义 ……………………………………………………4 1.2. 课题研究内容 ………………………………………………………4 2. 一阶PLL 实现FM 解调器工作原理 ………………………………4 2.1. 锁相环简介 …………………………………………………………5 2.2. PLL 实现FM 解调器工作原理概述 ……………………………5 2.3. 锁相环FM 鉴频器原理 ……………………………………………5 3 .Systemview 实验电路图……………………………………………6 3.1. 各元器件参数 ………………………………………………………6 3.2. 仿真结果 ……………………………………………………………6
4. 结论………………………………………………………………………7 5. 参考文献…………………………………………………………………8
1 引言
1.1课题目的和意义
大三下学期的锁相环课程设计，巩固了我们对课堂知识的理解，加深了我们对通信系统的认识，同时提高了我们分析问题、交流问题、动手查阅资料，交流合作等多方面的实践能力，让我们对本专业的学习有了深层次的认知，更重要的是让我们学习到SYSTEMVIEW 软件，对我们今后的工作或者研究生的学习都大有裨益，真诚感谢老师这么多天认真的授课！
1.2课题研究内容
1. 观察锁相环的输入和输出信号(VCO输入信号) 频谱，调整环路参数。 2. 观察环路增益变化时VCO 输入信号即解调信号的频谱，推测其对环路的影响。
2. 一阶PLL 实现FM 解调器工作原理 2.1 锁相环简介
锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。
2.2PLL 实现FM 解调器工作原理概述
根据FM 信号的性质，其瞬时角频率可表示为
ωFM (t ) =ωc +K F f (t )
假设VCO 具有线性控制特性，其斜率(压控灵敏度) 为K o (rad/s)/V，而VCO 在u d (t ) =0时的振荡角频率为ω0，则当有控制电压时，VCO 的瞬时角频率为
ωv (t ) =ω0+K o u d (t )
令上两式相等，即ωFM (t ) =ωv (t ) ，可得
u d (t ) =
ωc -ωo
K o
+
K f K o
f (t )
其中ωc 为FM 波的载频，ω0为压控振荡器的固有振荡频率，两者皆为常数。因此上式第一项为直流项，可用隔直元件消除，或者开始时把压控振荡器的频率调整为ωc
=ω0。因此上式还可进一步写成
u d (t ) =可见，除了常系数
K f K o
K f K o
f (t )
之外，锁相环的输出就近似等于原调制信号f (t ) ，因而
达到了频率调制的目的。同理，锁相环也可用于解调PM 信号，此时只需要在输出端接入一个积分器就可以了。
通过合理选择环路参数(主要是环路滤波器的参数) 可以在满足解调要求的条件下使闭环带宽尽可能窄，以便抑制噪声，因此锁相环具有良好的噪声性能。当接收信号电平微弱，噪声成为主要考虑因素时，采用PLL 解调器可以改善解调性能，它可用于各种移动FM 电台、微波接力系统、卫星通信系统以及电视、遥测等系统中，它与普通鉴频器相比，门限的改善可达6dB ，所以PLL 解调器又称为门限扩张解调器，或低门限解调器。
2.3锁相环FM 鉴频器原理
3.Systemview 实验电路图 3.1各元器件参数
1. 正弦信号图符块，输入参数为幅度为50V ，频率为25Hz ，相位为0。 2.FM 图符块，设置参数为幅度为1.414V ，频率为1000Hz ，相位为0，调制增益为1Hz/V。
3. 分析图符块，不需设置参数。
4. 贝塞尔IIR 低通滤波器的参数为极点数为3，截止频率为500Hz ，FM 的 参数设置为幅度为1.414V ，频率是1000Hz, 相位为0，调制增益为159.1549e-3Hz/V。
5.VCO 简单地用了一个与信号源载波频率一致的FM 图符代替，其调制增益设为0.159V/。
6. 系统增益为628.315，作为环路补偿。
3.2仿真结果
图1：实验电路原理图 解释：
自左向右依次是正弦信号发生器、FM 调制器、模拟乘法器（鉴相器）、贝塞尔低通滤波器、增益放大器
图:2：工作原理 解释：
原理1：正弦信号发生器产生正弦信号作为调制信号法f （x ） 原理2：FM 调制器把正弦信号调制产生已调信号F(X)
原理3：模拟乘法器输入信号分别为F(X)和V(X)后者来自压控振荡器VCO
原理4：模拟乘法器输出F(X)和V(X)的和频分量（高频）和差频分量（低频）
原理5：贝塞尔低通滤波器滤除高频分量（低频分量作为压控振荡器控制信号）
原理6：压控振荡器输出V(X)反馈给模拟乘法器
图3：FM 调制信号波形图
图4：改变FM 调制频率后信号波形图（提高1.5倍）
解释：调制信号频率增加，导致模拟乘法器输出的和频分量和差频分量均增大，低通滤波后差频分量依然影响VCO 的振荡频率（也增大）见下图：
图5：改变低通滤波器低通截止频率（缩小一半） 解释：差频分量减小导致VCO 振荡频率减弱见下图：
图6：增大环路制度增益效果图（显然）
图6：解调器输出图 解释：因为满足u d (t )
很多，故如下两图
K f K o
f (t ) ，当系数远大于
1时，输出频率将比输入频率大
结 论
综上所述，通过用System View 对一阶PLL 实现的FM 解调器的仿真，验证了在数字通信中的应用，PLL 解调器可以具有很好的性能，同时也可以看出System View是一个系统仿真和分析强有力的工具，工程设计人员利用它进行系统仿真 分析和设计是十分方便的！
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参 考 文 献
1、樊昌信、曹丽娜，通信原理，国防工业出版社，2006.
2、罗卫兵等，SystemView 动态系统分析及通信系统仿真设计，西安电子科技大学出版社。
3、郑继禹，锁相技术，西安电子科技大学出版社，2012.
4、朱春华，锁相技术实验指导书，内部资料，2013.
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