模擬調(diào)制技術論文(2)
模擬調(diào)制技術論文篇二
基于sIMULINK的模擬鎖相環(huán)調(diào)頻調(diào)制器研究與設計
【摘要】利用鎖相環(huán)能夠?qū)π盘栠M行自動跟蹤和捕捉，現(xiàn)代通信系統(tǒng)廣泛地將鎖相環(huán)應用在調(diào)頻技術上。鑒相器、環(huán)路低通濾波器、壓控振蕩器構(gòu)成鎖相環(huán)的主體。本文運用MATLAB提供的Simulink仿真平臺，直觀地搭建出模擬鎖相環(huán)調(diào)頻和解調(diào)器仿真圖，實現(xiàn)并驗證鎖相環(huán)調(diào)頻效果。
【關鍵詞】Simulink;鎖相環(huán);調(diào)頻;信號跟蹤
隨著信息化社會對電子通信技術越來越高的要求，鎖相環(huán)憑借著其優(yōu)良的信號跟蹤等特性，正得到越來越多的重視和應用。鎖相環(huán)將反饋輸出信號與參考輸入信號進行相位比較，并產(chǎn)生含有相位誤差信息的電壓來控制輸出信號的振蕩頻率，使得環(huán)路能夠鎖定于與參考輸入信號同頻的狀態(tài)中[1～2]。鎖相環(huán)主要應用在頻率合成、調(diào)制解調(diào)、位同步與載波提取三個方面。
信號頻率調(diào)制需要通信系統(tǒng)根據(jù)基帶信號的變化產(chǎn)生不同頻率的輸出振蕩波。由于鎖相環(huán)實現(xiàn)的是對信號頻率的控制，所以通過其可以方便地實現(xiàn)頻率調(diào)制和解調(diào)。文章利用matlab R2010a中的Simulink軟件在模擬通信領域利用鎖相環(huán)依次進行調(diào)頻和解調(diào)的仿真，并對實驗過程和效果進行探討。
把基帶信號插入到鎖相環(huán)的低頻部分，以此對VCO做頻率的調(diào)制。
調(diào)頻過程中，在這種具有載波跟蹤特性的鎖相環(huán)路內(nèi)，VCO輸出信號振蕩頻率伴隨著輸入調(diào)制信號的變化，并且可以發(fā)生較大的偏移，從而形成調(diào)頻波輸出。同時，讓基帶調(diào)制信號的頻譜處于環(huán)路低通濾波器通帶之外，使調(diào)制信號不會通過環(huán)路低通濾波器，從而可以讓VCO的中心頻率鎖定于穩(wěn)定度很高的輸入晶體振蕩頻率上[3]。
2.Simulink模型的構(gòu)建與分析
2.1 模擬鎖相環(huán)調(diào)頻器
在圖2模擬鎖相環(huán)調(diào)頻仿真模型中，調(diào)頻器運用鎖相環(huán)產(chǎn)生調(diào)頻信號。將載波輸入鑒頻器的其中一個輸入端。鑒頻器的作用是比較輸入信號Ui(t)(此處便是載波信號)與壓控振蕩器輸出信號U0(t)的相位，其輸出Ud(t)是這兩個信號相位差的函數(shù)。這里選乘法器“Product”作為鑒頻器。鑒頻器的另一個輸入端接收中心頻率w0壓控振蕩器VCO的輸出反饋信號。鎖相環(huán)輸入載波信號的表達式為：
載波的中心頻率為1300HZ，壓控振蕩器的輸出中心頻率集中在1200HZ～1300HZ之間。經(jīng)過乘法器之后，輸出信號的頻率集中在2600HZ和0HZ附近。
將乘法器的輸出Ud(t)送入環(huán)路低通濾波器之中，目的是將Ud(t)中的高頻分量濾掉，在實際工程中還會包括噪聲干擾信號的濾除，最后得到控制電壓Uc(t)。
環(huán)路低通濾波器在鎖相環(huán)路中扮演了窄帶濾波器的角色。窄帶濾波器的通帶有多窄而又不會導致濾除需要的直流信號往往是評判設計的鎖相環(huán)電路性能優(yōu)良的重要依據(jù)[3]。現(xiàn)實通信系統(tǒng)中，在幾十兆赫的頻率范圍內(nèi)，實現(xiàn)幾十兆赫甚至幾兆赫的窄帶濾波，可以有效地將混進輸入信號中的噪聲和雜散干擾濾除掉[4]。仿真圖2中選取四階巴特沃思(Butterworth)模擬低通濾波器。
隨后，需要將基帶信號插入到環(huán)路的低頻信號中。仿真圖2中將基帶信號與環(huán)路低通濾波器的輸出Uc(t)用加法器相加得到新的控制電壓Ub(t)，目的是為了將基帶信號的信號變化反映到壓控振蕩器的電壓控制輸入端，以此控制壓控振蕩器輸出帶有基帶信號變化信息的高頻調(diào)頻波。本文著重用鋸齒波作為基帶信號進行分析。
Ub(t)輸入壓控振蕩器模塊來控制VCO輸出信號的振蕩頻率，以此產(chǎn)生壓控調(diào)頻波。同時，環(huán)路也將VCO輸出反饋回鎖相環(huán)乘法器的一端，使環(huán)路不斷捕捉和跟蹤信號來產(chǎn)生調(diào)頻波。在壓控振蕩器VCO的參數(shù)設定中KW為輸入靈敏度，其量綱為HZ/V，它表示在單位控制電壓的控制條件下，所引起的VCO輸出信號振蕩角頻率變化的大小[7]。在模擬信號條件下，壓控振蕩器輸出的信號頻率W(t)與控制電壓Ub(t)之間近似為線性關系。
將FM解調(diào)模塊的輸出信號通過帶寬合適的低通濾波器進行濾波，便得到最終解調(diào)信號，由于模擬鎖相環(huán)系統(tǒng)是基于線性系統(tǒng)近似計算設計，而實際的工程應用中很難達到理論標準，再加上信號高頻成分不可避免的濾除和丟失，使得模擬鎖相系統(tǒng)往往都會有不同程度的波形失真。
2.2 模擬調(diào)頻信號鎖相環(huán)解調(diào)器
模擬調(diào)頻信號鎖相環(huán)解調(diào)器仿真圖4中利用鎖相環(huán)的信號跟蹤特性來對模擬調(diào)頻信號進行解調(diào)。鎖相環(huán)的鑒相器部分同樣采用乘法器，并在其一端輸入調(diào)頻波。當環(huán)路低通濾波器有足夠的帶寬濾除高頻信號和噪聲來控制VCO的輸出時，基帶信號變化規(guī)律就能被鎖相環(huán)通過輸入調(diào)頻波的瞬時頻率跟蹤到，并從VCO輸出一個與輸入調(diào)頻波具有相同調(diào)制規(guī)律的頻率變化振蕩信號。同時，可以從環(huán)路低通濾波器的輸出端得到解調(diào)的基帶信號。
壓控振蕩器的靜止中心頻率為1300HZ。壓控振蕩器的輸出信號和調(diào)頻信號同時輸入乘法器，兩者相乘之后輸出含有高頻成分的初步解調(diào)信號頻率主要集中在2500～2700HZ和0～100HZ中。 將乘法器的輸出信號通過環(huán)路低通濾波器將高頻成分濾除，得到低頻解調(diào)信號，同時也將其作為控制電壓反饋控制壓控振蕩器，來使壓控振蕩器輸出頻率變化的正弦振蕩波。仿真圖4中選取八階切比雪夫二型(ChebyshevⅡ)模擬低通濾波器來進行濾波，設定其阻帶截止頻率為320HZ，并且阻帶衰減70dB。環(huán)路低通濾波器的輸出信號就是通過鎖相環(huán)解調(diào)后的信號，其高頻成分已經(jīng)得到了很大的衰減，只需要進一步濾波便可以得到最終的解調(diào)信號。由于只能濾出基帶信號的低頻諧波成分，不可避免地造成了信號失真。其波形和頻譜如圖5所示。
3.結(jié)論
本文將鎖相環(huán)運用進了模擬信號調(diào)頻和解調(diào)系統(tǒng)中，并對用Simulink搭建的各個模型進行仿真分析。在模擬信號系統(tǒng)條件下采用模擬鎖相環(huán)。調(diào)制方式上，模擬調(diào)頻器將基帶信號插入VCO的輸入電壓控制端，來使振蕩器輸出頻率變化的振蕩正弦波，同時將中心頻率鎖定在鎖相環(huán)的輸入基準振蕩源上。模擬鎖相環(huán)在時域中用微分方程描述，盡管其具有非線性特性，但在相位誤差足夠小的情況下，大多可以近似為一個線性模型，可以使用傳遞函數(shù)進行分析與設計[8]。解調(diào)器方面，模擬鎖相環(huán)解調(diào)器的利用了鎖相環(huán)的閉環(huán)信號跟蹤特性，根據(jù)輸入信號的不同，輸出不同的VCO控制信號。模擬信號解調(diào)器處理的信號是實數(shù)信號，傳遞函數(shù)的計算基于線性理論[8]。同時由于實際應用中往往由于信號成分的多樣性和元件的非線性，經(jīng)常造成輸出信號一定的失真。
參考文獻
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作者簡介：黃俊奇(199—)，男，福建莆田人，碩士，主要從事多媒體信號處理研究。
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