1、本科毕业论文（20 届）基于 VisSim 的锁相环性能仿真所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要锁相环技术(PLL)是一门能够时相位不需要外界条件而自行控制刚兴起的技术。锁相也叫相位锁定,我们也可称之为自动相位控制(APC),能使相位自行调整，能让两个信号相位同步。上面的功能锁相环都能实现，同时其为进行负反馈的控制性系统。由于锁相环具有捕获，跟踪和窄带滤波的作用；因此，被应用在通信、微处理器、以及卫星等许多领域。在通信电路里，锁相环是一个重要部分，广泛应用于时钟系统设计中，包括相位同步等的。本论文首先介绍锁相环历史发展和现在的研究进度，接着论文
2、首先介绍了模拟锁相环，因为它是我们要进行后续研究的基石，于是它的工作原理就显得非常重要。同时简单介绍了鉴相器、压控振荡器、环路滤波器工作原理等。着重分析了锁相环的跟踪特性、捕获特性等各种特性。我们进行了锁相环的数学模型的分析并且推导了环路方程，得到了需要的结论。在分析和设计的过程中，同时本论文中主要通过对 VisSim/comm 软件的学习和使用，利用其丰富的模板以及本科对锁相环原理知识的掌握对电路进行仿真。后将学习总结出的相应理论与 VisSim/comm 中丰富的模块相结合实现仿真系统的建模,并且调整参数观察仿真波形输出，观察效果，最终对设计结论进行总结。因 VisSim/comm 主要实
3、现的就实通信系统的仿真，我们用其来实现锁相环性能的仿真，因此本论文主要介绍了用 VisSim/comm 来实现输入为复信号的锁相环的线性跟踪。和调频信号的解调，BPSK 的载波同步的仿真实现等等。关键词：锁相环技术；VisSim 软件；仿真；跟踪AbstractThe technology of phase locked loop (PLL) is a new technology for automatic phase control. Phase locked is locking phase, we can also call it automatic phase control (AP
4、C), and the phase synchronization of two signals can be obtained by the method of phase automatic adjustment .The phase lock loop is the phase negative feedback control system for the task. Because of the capture, tracking and narrow band filtering, the phase lock loop is applied in many fields such
5、 as communication, microprocessor and satellite and so on. In the communication circuit, the PLL is an important part of the clock system designing, including the phase synchronization and so on.Firstly this paper introduces the history of the PLL and the progress of the research. Then, the basic pr
6、inciple of PLL is introduced based on the structure of the traditional analog PLL. At the same time, the working principle of the phase detector, the voltage controlled oscillator and the loop filter are simply introduced. The performance of the phase locked loop and the performance of the PLL are a
7、nalyzed. We analyze the mathematical model of the phase locked loop and deduce the loop equation, and get the conclusions. In the process of analysis and design. At the same time in this paper mainly through the learning and use of software VisSim/comm,. To make the circuit simulation ,we use the PL
8、L principle knowledge we learn when we are masters and make use of the rich templates and undergraduate. And then combining the theory summed up we learnt with the abundance modules of VisSim/comm to realize the simulation system modeling, and adjust the parameters of the simulation waveform output
9、observation, observation effect, the final conclusion of the design were summarized in this paper. Because of VisSim/comm is mainly to achieve the real communication system simulation, we used to realize the simulation of phase-locked loop performance, so this paper mainly introduces the VisSim/comm
10、 to realize input for a complex signal of the PLL linear tracking, input for income of complex signal and real signal tracking performance in comparison. And demodulation of FM signal and BPSK carrier synchronization simulation and so on.Keywords: Phase Locked Loop technology; VisSim/comm software;
11、simulation; tracked目 录第 1 章 绪论 .11.1 锁相环的历史发展 .11.2 国内外研究现状 .21.3 综述与分析 .3第 2 章 锁相环的介绍 .52.1 锁相环的基本构成及琐相的概念 .52.2 锁相环的数学模型 .62.3 锁相环的特性 .112.3.1 锁相环路的线性跟踪性能 .112.3.1.1 环路对典型输入相位的跟踪性能112.3.2 锁相环路的稳定性 .142.3.3 锁相环路的捕获特性 .152.4 锁相环的应用 .162.4.1 在调制与解调技术中的应用 .162.4.2 在载波提取、跟踪与位同步技术中的应用 .162.4.3 在测速与测距技术中
12、的应用 .162.5 本章小结 .17第 3 章 VisSim/Comm 仿真 .173.1 VisSim/Comm 的基本介绍 .173.2 VisSim/Comm 的功能介绍 .183.2.1 如何使用 VisSim.183.2.2 comm 模块集 .193.3 本章小结 .28第 4 章 用 VisSim/Comm 对锁相环的仿真 .284.1 对锁相环的性能的仿真 .284.2 锁相环应用的仿真 .314.2.1 锁相环的鉴频 .314.2.2 锁相环的 BPSK 载波跟踪 .354.3 本章小结 .37结论 .37参考文献基于 ViSsim 的锁相环性能仿真 11基于 visSim
13、 的锁相环性能仿真第 1 章 绪论1.1 锁相环的历史发展自动相位制和控自动率频控制的融合叫做锁相环(PLL-Phase Locked L00P)。一开始研究锁相环是在 1930-1939 年，在这期间线无技电术的期初；20 世纪 30 年代开始了步同制控理论的研究，1932 年法国工程师贝尔赛什(Bellescize)发表了锁相环路的数学描述和同步检波论， 1 作为公开发表对锁相环路的数学描述的先驱。该技术首先出现在同步接收里，给同步检波一个与输入信号载波同频的本地参考信号 1，同步检波工作在低信噪比情况下，同时不具有大号信检波致导真失的缺点，所以比较引起重视，但并未在大范围内进行应用，主要
14、是因为组成电路复杂，费用也很高。 20 世纪 40 年代，PLL 技术次首成功地在黑白电视接收机进行应用，主要是它水平描扫与直垂扫票同步电路中，它的优点是减小描扫随机发触使画面抖动情况，这些情况都是由噪声干扰得到的，最后得到不抖动不模糊的荧光屏图像；随后，在彩色电视接收机中也用锁相环路来同步彩色副载波信号 2；锁相环技术在这个转折点之后吸引了大量关注并且发展得很快。在 1950-1959 这十年间，因为空间技术的进步，杰费(Jaffe)和里希廷(Rechtin)研究出导弹信标的跟踪滤波器， 3当然这是一锁相环路为基础的。他们也首次发表了含有声噪应效的 PLL 线性论理析分文章，同时搞定 PLL
15、 最佳设计化问题 3；因为空间技术在历史洪流中的不断前进人们也对 PLL 和它理论知识的讨论，这件事情对 PLL 有今天的成就起了很大推动作用。1960-1969 年间，维特比(Viterbi)研究了无噪声 PLL 的非线性论理题问，随之出版相干通信原理一书 2。一开始 PLL 的搭建使用分立元件，因为术技、本成方面的问题，因此当年是非常难得的，所以只用于航天、航空等事军和密精量测等领域。1965年前后成集电路术技出现，半导体术技也在发展，第一块 PLL 芯片出现 4，锁相环才才真正走向大规模发展与应用以一种不高的费用多功能身份。一开始 PLL 只是模拟的(APLL)，它的块模皆为模拟电路 2
16、，基本上是由四象限拟模法乘器来组成 PLL 里 PD，LF 为通低波滤器(阻电 R 容电 C 构成)，VCO 有很多中构造；在 APLL 在定稳工作中，每一个块模皆能看成是性线踪跟，因此可以称为线性锁相环 LPLL(Linear Phase Loc基于 ViSsim 的锁相环性能仿真 22k Loop)；APLL 对正弦特性号信的相位踪跟极佳，其环路特性很大一部分取决于 PD。其主要用于对信号的调制。在 1960-1970 年间，有两位学者查理斯(Chanes)和林特赛(Undsy)实现了有噪的一、二阶乃至比较有难度的高阶 PLL 的非线性理论分析在他们做了相当多实验的条件大约在 20 世纪
17、60 年代世界上出现我们首个 PLL 集成芯片，也就是我们日后知道的模拟集成电路。在微子电技术以飞快速度前进的过程中，我们获到了有很大飞跃提高的锁相环芯片的所在系统的工作频率和其集成度，CMOS、双极、BICOMS 或 GaAS 工艺等都成了他制作工艺的多种实现方法之中的一些。这一些年里锁相环产品种类特别多都是因为关于它的技术发展势头很足。现在，锁相技术在一些技术部门获得了广泛的应用，比如在空间技术、电视及高保真设备、通信、导航设备、计算机、测量仪表。因为我们已经可以将其看成为一门系统的理论科学。 我们国家对锁相环技术应用工作的研究和是开始比较早的，早在 1950-1959 年就已经进行了。锁
18、相环技术在支持着一些重要技术，尤其重要的比如发射和定点地球同步卫星、发射导弹、发射卫星和回收等技术的不断前进。我国在 1970 年 4 月 24 日成功地发射了第一颗人造卫星，地面站成功地对人造卫星发射的信号进行了接受以及遥测遥控，证明了我国当时对多项技术的研究和应用都达到了较先进的水平。在 1999年 11 月 20 日“神州一号”飞船的收回和发射。时间在到 2008 年 9 月 25 日“神州七号”飞船的收回和发射。还有 2007 年 10 月 24 日我国第一颗探测月球上午卫星现在闻名世界的嫦娥一号，值得一提的是 2010 年 10 月 1 日嫦娥二号探月卫星任务工程目标和科学目标的实现
19、，再到 2011 年 4 月 10 日第八颗“北斗”导航卫星的圆满成功发射，进一步证明了我国在包括锁相技术在内的一批核心技术和关键技术方面，已经达到世界先进水平。基于 ViSsim 的锁相环性能仿真 331.2 国内外研究现状 一家位于上海的浩凯微电子有限公司，也是我们国内几乎是唯一一家研究出非常佳性能的 IP 系列产品：极佳性能时钟锁相环。目前经过 MPW 验证就是此系列产品。这个系列的产品使用的是与众不同的架构，与众不同的设计电荷泵和差分 VCO 的部分，就是为了使 PLL 有低噪声这个性能，它是通过抑制和衬底噪声和电源对压控振荡器的影响。与众不同的差分压控振荡器可以输出与压控振荡器同频，
20、与此同时时钟保证了 50占空比。因为倍频振荡的不需要，我们常规设计的四分之一是它现在本身的功耗，它的作用就是尽可能降低功耗；我们国家和别的国家进行比较可以看出我国有比较落后的水平的 IC 设计。锁相环的技术大部分都在别的国家的手里，我国在佳性能锁相环的中心的技术的掌握上只有很少的一部分企业能够做到，而同时我国的设计模拟环路的能力更是薄弱。我国锁相环产品较少，应用颇多的一种锁相环叫做 CPPLL，可能它的理论方面是相对成熟，但是它的设计与实现涉及到信号与系统、集成电子学、版图、半导体工艺和测试等方面，难度比较大 12。基于 ViSsim 的锁相环性能仿真 44提供信息支持 5。1.3 综述与分析
21、本人简单介绍下在进行 ViSsim 锁相环性能仿真时的一些内容：首先，学习我们用到的软件相关的关于锁相环的原理知识，如锁相环每个部分的组成，及其相关作用，而且从理论上来说不一样的信号在通过系统每个部分后发生的变化可能是不同的，要了解 VisSim/Comm 的仿真原理，和如何使用该团建，需要明白该软件的充足的模块组的应用方法及功能体现； 其次，要做锁相环系统的基本部分的仿真，本文主要做的是模拟的部分，而且要用 VisSim 进行锁相环中不同部分如鉴相器、环路滤波器、压控振荡器等等的仿真实现。并且讲这些分部分合并到一起，观察当给予不同模块的参数变化是，相位差的波形图的变化； 最后，是分析部分。对
22、应不同性能仿真或是锁相环应用我们会给不一样的设置关于参数的，进行观察得到的不一样的波形图，是对应了什么的变化。然后在进行论文创作中得到的结论是否相同。然后给出自己得出的分析结论。基于 ViSsim 的锁相环性能仿真 55第 2 章 锁相环的介绍2.1 锁相环的基本构成及琐相的概念一个锁相环系统，它有三个基本块：鉴相器(Phase Detector：PD )、低通滤波器(LowPass Filter：LPF)，亦即环路滤波器(Loop Filter：LF)，和压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator：VCO) 6；基本锁相环说的就是这三个模块组成的环路，线形锁相环(
23、LPLL)也是这个意思，如图 2-1 所示。 图 2-1 锁相环原理图 比较VCO输出的信号 输入信号 的相位的就是鉴相器（PD）的作用。在锁)(tVo)(ti定的环路中，鉴相器的输出一直流电压，将其标为电压 ，它值的大小有一个正比)(tVd的关系和鉴相器输入端两个信号的相差。鉴相器的种类很多，本文讨论的是正弦型鉴相器。它的两个输入信号像为差 输出电压 )(td：可以得出下面等式：)(te( 2-1 )sinVed环路滤波器(LPF)的功能是滤除鉴相器输出误差电压 )(tVd中的高频成分，起滤波平滑作用，并保证环路稳定，改善环路跟踪性能和噪声性能 7。压控振荡器(VCO)的功能是让它的输入信号
24、电压 大小值来对它输出信号)(tc)(tVo的频率起决定性作用。输入信号 )(tVi相位变化可以看成起因，输出信号 )(tVo相位在这个起因的作用下发生改变，即得出结果。同时得到环路的相位跟踪。从这我们可以看出，可以将锁相环看成控制系统，其作用即为控制相差。它用来调整VCO相位和频率的是误差电压。这个误差电压则产生于输出输入两个信号的相差，起一个调控的作用。最后的目的就是得到同频信号与此同时，相位差也是固定的。锁相是相位锁定的简称，表示压控振荡器输出信号与进入锁相环的信号之间的相位同步与否。若两正弦信号如下所示：( 2-2 ) )(sin)(sin)( tVtVtviii ( 2-3 )ooo输入输出信号频率相等，而且相差为一常数说的就是相位同步。当 ，两个信oiw号之间的相位差 为常数,不随时间变化而发生改变，此时两信号oit)(相位同步。当 ,两个信号的相位差 ，不论 是oiw oioitwt)()( i
