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1、 目录 1.锁相频率合成器原理及电路 2 2.锁相频率合成器环路参数设计 2 3.锁相频率合成器环路测量方法 7 4.实验步骤 8 5.锁相频率合成器的各项性能测试数据 12 6.心得体会 14 锁相频率合成器 1.锁相频率合成器原理及电路 移动通信系统必须配置多个无线频道，允许多个用户同时通话，这样系统才能容纳大量用户。因而移动通信系统中的收发信机工作频率必须能在系统配置的多个频率间切换。这些众多频率点的产生通常用频率合成技术来实现。 当前应用最广的锁相频率合成器，常用的单环锁相频合成方框图如图 晶振 fR ÷R fr PD
2、iJ LF Uc VCO fv ÷N CPU fr 图中，PD为鉴相器；LF为环路滤波器；VCO为压控振荡器，其震荡频率fv受控制电压uc的控制而改变，一般有 fv=f0+K0*uc 式中，f0为VCO的固有震荡频率，K0为压控灵敏度；÷N为程序分频器，其分频比由CPU程序设置可变；÷R为参考分频器，将稳定的晶体振荡器频率fR分频得到的环路参考频率fr。 2.锁相频率合成器环路参数设计 2.1环路参数设计公式 U1内部的鉴相器PD采用电荷泵PD输出，如图是采用单端三态电流型电荷泵及外接的环路滤波器电
3、路。图中，两只场效应管工作与开关状态：Ip为恒流源；R2，C1为环路滤波器；环路按照理想二阶环设计，有关公式如下 （1）环路自然谐振频率 Wn =[IpK0/(2πNC1)]（1/2） 式中K0为压控灵敏度，N为分频比 （2）环路阻尼系数 Ζ=R2C1wn/2 要保证环路稳定余量足够大及瞬态响应快应选取 Ζ=0.6--1.0 （3）锁相调频 PD LF VCO ÷N fr iJ Uc + + Um Uc
4、 fv 当锁相频合器作为调频发射机的主频时，其电路如图，基带调制信号Um由VCO前单点注入环路，与环路控制电压uc相加后去控制VCO的频率。当环路设计成载波跟踪环时，uc为直流，um无畸变的到达VCO输入端，实现了理想调频。 锁相调频频合器的相位模型框图 Kd F(S) K0 1/S 1/N θi + - θe Uc + + Um θ0 θ0=dθ0/dt 理想二阶环误差频率特性截止频率 ζ 0.500 0.707 1.000 Wc/Wn 0.79 1.00 1.55 2.2环路参数设计方法 进行
5、环路参数设计之前Ip，K0，N及fr等已经确定，再按照一下步骤进行： （1）首选选定环路阻尼系数； （2）折中选取wn； （3）将值带入公式，求出环路滤波器元件值。 2.3环路参数设计举例 试验系统中BS发射机锁相频率合成器的VCO压控特性实测结果如表1所示。 表1 BS发射机VCO压控特性 CH 1 20 fTx(MHz) 46.000 46.475 Uct(V) 0.78 0.98 电荷泵PD充放电流Ip=2.5mA；各频道分频比N见表2，环路参考 信号频率fr=5KHz，根据以下步骤可以设计出环路参数。 选择ζ=1，已知
6、话音信号最低频率fL=300Hz。 由已知条件求VCO压控灵敏度平均值为： K0=（46.475-46.000）/（0.98-0.78）V。 由表1求环路分频比平均值为： N=（9295+9200）/2=9247.5≌8248。 （4） 将Ip、K0、N及ωn代入式C1=2.5×1.49×10000000/（2×3.14×9248×（2×3.14×100）（2×3.14×100））=1.62uF。实际可取C1=1uF。算出R2=3.3K欧姆。 为进一步滤除鉴相波纹，在实际的环路中通常在滤波器前或后串连第二的附加低通滤波器，但其截止频率要远高于R2，C1组成的低通滤波器的截止频率，实
7、际的环路滤波器电路及元件参数不见得如此 环路滤波器对环路性能有重大影响。 Tx频率（MHz） Tx环÷N Rx频率（MHz） Rx-本振频率（MHz） RX-本振环÷N 49.000 9800 46.000 35.300 7060 49.025 9805 46.025 35.025 7065 49.050 9810 46.050 35.050 7070 49.075 9815 46.075 35.075 7075 49.100 9820 46.100 35.100 7080 49.125 9825 46.125
8、35.125 7085 49.150 9830 46.150 35.150 7090 49.175 9835 46.175 35.175 7095 49.200 9840 46.200 35.200 7100 49.225 9845 46.225 35.225 7105 49.250 9850 46.250 35.250 7110 49.275 9855 46.275 35.275 7115 49.300 9860 46.300 35.300 7120 49.325 9865 46.325 35.325 7125
9、 49.350 9870 46.350 35.350 7130 49.375 9875 46.375 35.375 7135 49.400 9880 46.400 35.400 7140 49.425 9885 46.425 35.425 7145 49.450 9890 46.450 35.450 7150 49.475 9895 46.475 35.475 7155 表2 3.锁相频率合成器环路测量方法 3.1误差频率特性 发射机输出调频信号由调频接收机解调后得到基带信号，其系统框图和数学模型如图：Tx Rx
10、 K0He(jW) Kdm (a) (b) Um Um(jw) θ0(jw) Udm Udm(jw) 3.2环路捕捉时间 CPU控制锁相环切换频道，环路重新捕捉，锁定于切换后的新频道上。捕捉过程中，环路控制电压uc发生变化，其瞬态过程时间即环路捕捉时间。为了便于观测，CPU以50ms为周期循环往复在两个频道间切换环路频率，uc波形为图11.8所示周期信号，可用示波器观测。 环路捕捉时间Tp按捕捉过程是否处于快捕带内而不同，如图所示： 4.实验步骤 （一） 测量实验仪发射机锁相频率合工作频率 1.按单台实验配置实验，将数字频率计电缆接至B
11、S（或MS）收发信机输出端ANTB或ANTM，去掉发射机音频调制，利用“前后”以及“确认”进入操作界面。 2.利用“前后”选择频道，利用“+ -”改变频道值，利用“清除”选定BS发射机。按一下“PTT”键该发射机发射，数字频率计测量出被测发射机在该频道的发射信号频率。 3.重复2，测出被测发射机在20个频道上发射信号频率 4.利用“清除”选定MS发射机，重复2-3，测量MS发射机20个频道发射机信号频率。 5.测量结束再按一下“PTT”关闭发射机。将测量结果与理想值比较。 （二） 测量发射机VCO调制灵敏度 1.利用“前后”选择“调
12、制”，利用“+ -”选择“1000HZ”。 2.利用“前后”选择“调制”，利用“+ -”选择某一频道，利用“清除”选定BS发射机。按一下“PTT”该发射机发射，用示波器观测MS接收机解调输出TP207。调节电位器W001，使解调输出端TP207输出的1KHZ音频信号幅度小于3Vp-p。同时，用示波器另一通道（置于DC方式）或高输出阻抗电压表测量BS发射机环路电压uct1及MS接收机一本振环路控制电压uct2。 3.重复2，测量BS发射机及MS接收机在个频道下的锁相频率合环路控制电压，记录数据。 4.利用“清除”选定MS发射机，按以上方法，测量MS发射机及BS
13、接收机在各频道下的锁相频合环控制电压，记录数据。 5.按公式计算出4个锁相频VCO的平均压控灵敏度K0及各频道压控灵敏度Ko。 6. 利用“清除”选定BS或MS发射机，按一下“PTT”该发射机发射，将示波器两个测量探头分别接在该发射机和对方接收机的锁相频合欢路控制电压输出端uct及ucr，示波器扫描时间置于20ms/格.利用“前后”选择“扫描”，收发信机自动扫描20个信道值，示波器现实两个环路控制电压自动步进跳变，直观的现实锁相频合输出频率的控制变化过程。 （三） 测量发射机锁相环调制频率特性及环路自然谐振频率wn 1.将示波器的CH2测量探头接在BS侧输出T
14、P106，示波器CH1测量探头接至MS接收机输出TP207，用于检测调制输入及解调输出音频信号的幅度。 2.利用“前后”选择“频道”，利用“+ -”置收发信机工作在某一频道，利用“清除”选定BS发射机。按一下“PTT”BS发射机发射。 3.利用“前后”选择“调制”，利用“+ -”选择“1000HZ”。通过电位器W001调整调制信号幅度使示波器CH1测量的MS接收解调输出音频信号为3Vp-p，此时发射机调制频偏约3KHZ。 4.保持调制输入音频信号幅度不变，利用“+ -”改变调制信号频率，测量接收机解调输出TP207音频信号幅度，记录数据。
15、 测量完成之后，将Dem2幅度对1KHZ时的幅度进行归一化，得BS发射机锁相环归一化调制频率特性为3DB截止频率fc，亦即环路自然谐振频率fn=wn/2π。 5.将示波器CH1测量探头接至BS接收机输出TP107，利用“清除”选择MS发射机，重复3-4，测量MS发射机锁相环调制频率特性数据记录，求出环路误差频率特性及环路自然谐振频率fn。 6.测量结束再按一下“PTT”关闭发射机，将环路自然谐振频率fn测量值与前面“环路参数设计举例”中所取的fn=100HZ比较。 （四） 观测锁相频合切换频道捕捉过程及捕捉时间 1.将示波器置为上升沿外触发方式，触
16、发输入接至试验仪TPIm端。 2.利用“清除”选定BS发射机，按一下“PTT”BS发射机发射；利用“前后”选择“间跳”，BS发射机，MS接收机锁相频合以50MS为周期在CH1和CH11之间往复切换，频道在LCD上快速切换显示。 3.用示波器观测BS发射机，MS接收机锁相频合环路控制电压uct,ucr波形，观察捕捉过程，根据捕捉过程中鉴相器PD向低通滤波器LF充放电脉冲宽度是否小鱼Tr，判定捕捉过程是否处于快捕捉带内。 4.利用“清除”选定MS发射机，用示波器观测MS发射机，BS接收机锁相频合环路控制电压uct,ucr波形。 5.利用“清除”选定BS发
17、射机，按一下“PTT”BS发射机发射；利用“前后”选择“邻跳”，BS发射机，MS接收机锁相频合以50MS为周期在CH1和CH2之间循环往复切换，频道在LCD上快速切换显示，观测BS与MS锁相频合环路捕捉过程。 6.利用“清除”选定MS发射机，用示波器观测MS发射机，BS接收机锁相频合环路控制电压uct,ucr。 7.结束后再按一下“PTT”关闭发射机。 5.锁相频率合成器的各项性能测试数据 CH 发射接收频率(MHZ) Uct1(V) Ucr2(V) 发射接收频率（MHZ） Uct2（V） Ucr1（V） 1 45.9999 1.90 0 52.4
18、34 0.30 1.20 2 46.0249 1.912 0.185 52.958 0.30 1.245 3 46.0499 1.923 0.201 53.0012 0.30 1.289 4 46.0749 1.934 0.215 53.0077 0.30 1.333 5 46.0999 1.943 0.220 53.0438 0.30 1.380 6 46.1249 1.956 0.230 53.0864 0.30 1.424 7 46.1499 1.973 0.240 53.1276 0.30 1.47
19、0 8 46.1749 1.982 0.250 53.2420 0.30 1.420 9 46.1999 1.993 0.270 53.6184 0.30 1.460 10 46.2249 2.004 0.280 53.2049 0.30 1.500 11 46.2499 2.014 0.310 53.2403 0.30 1.544 12 46.2749 2.023 0.01 53.2552 0.30 1.590 13 46.2999 2.034 0.01 53.2349 0.30 1.635 14 46.
20、3249 2.041 0.01 53.2307 0.30 1.681 15 46.3499 2.052 0.01 53.1724 0.30 1.725 16 46.3749 2.064 0.01 53.5514 0.30 1.770 17 46.3999 2.071 0.01 53.1684 0.30 1.814 18 46.4249 2.083 0.400 53.1781 0.30 1.870 19 46.4499 2.092 0.420 53.2022 0.30 1.921 20 46.4749 2.10
21、1 0.440 53.0599 0.30 2.10 Fin(HZ) 3400 3000 2000 1000 800 600 ..... fc ..... Dem2(Vp-p) 0.72 1.2 1.5 3 3.8 4.9 ..... 2.1 ..... Dem2/Dem2|1KHZ 0.24 0.4 0.5 1 1.3 1.6 ..... 0.7 ..... 6.心得体会 通过锁相频率合成器课程设计的完成，我更进一步的了解锁相频率合成器的原理，锁相调频的原理，以及对锁相频率合成器性能指标的分析。 在刚得到课
22、程设计书时，我们组一起就开始分析原理，设计电路和测量设计所要求的各项数据。组员之间明确分工，各司其职，最后整合。由于以前做实验的时候都没怎么接触过锁相频率合成器，所以大家一开先都很茫然，看实验原理分析看了很久还是处于一知半解的状态，同时测量各项数据也进展不顺有些数据总测量不对。但是我们并没有泄气，我们各自把对锁相频率合成器的原理的理解说出来，大家一起讨论，相互帮助理解，这样子慢慢大家都了解了工作的原理，同时每次测数据时如果测量结果不对就改变一下方法继续测量，通过大家齐心协力的努力终于把各项数据测量了出来。 通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到了很多问题，可以说得是困难重重，后来再回想应该是一件好事情，这样才能发现自己的不足。当遇到问题时，才会去努力思考，才会去想解决的办法，而不是一开始就成功了就会放任自己，也发现不了自己不足的地方。这样才会去深刻的去反省自己，才会更努力地去复习书本上的知识，才会把理论理解的更深刻。 我们组在完成课程设计的过程中遇到了很多问题，在陈老师的耐心指导下，很多问题迎刃而解。课程设计的完成，与陈老师的耐心指导以及大家的努力是分不开的。 14
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