【文章內容簡介】 ? ???? dttUKdttt f )()()( 022 ?? （ 27） 因此， VCO 的傳輸函數 )(/)(/ f20 sUssK ?? （ 28） 對與相位信號來說 VCO 可以簡單地視為一個積分器，那么我們可以得出鎖定狀態(tài)的數學模型如圖 23 所示。 圖 23 鎖定狀態(tài)鎖相環(huán)的數學模型 未鎖定狀態(tài)下的鎖相環(huán)性能 線性鎖相環(huán)的線性模型只在鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)時有效。如果鎖相環(huán)失鎖，它的數學模型會變得非常復雜，表現為非線性。 想要使鎖相環(huán)系統(tǒng)保持相位跟蹤，必須滿足以下三個條件： （ 1）參考信號的角頻率必須在同步范圍內。 （ 2）鎖相環(huán)參考輸入端施加的頻率階躍的最大值必須小于拉出范圍。 （ 3）參考信號的頻率變化速率必須小于 2n? 。 無論什么時候，只要不滿足上述三個條件之一，鎖相環(huán)就會失鎖。 在鎖相環(huán)中有四個關鍵的參數可以規(guī)范鎖相環(huán)工作的頻率范圍： （ 1）同步范圍。這是鎖相環(huán)能夠靜態(tài)的保持相位跟蹤的頻率范圍。只有在這個范圍內，鎖相環(huán)才能有條件的保持穩(wěn)定。 （ 2）拉出范圍。這是鎖相環(huán)穩(wěn)定工作的動態(tài)界限。如果在這個范圍內跟蹤丟失，一般情況下鎖相環(huán)還能再次鎖定，但如果是捕捉過程，這個過程會比較慢。 （ 3）捕捉范圍。在此范圍內鎖相環(huán)總能回到鎖定狀態(tài)，但過程會更加緩慢。 （ 4）鎖定范圍。 在這個范圍內，鎖相環(huán)可以在參考頻率和輸出頻率之間的一個單排音內鎖定。通常情況下，鎖相環(huán)的工作頻率范圍限制在鎖定范圍。 畢業(yè)設計（論文） 7 除此之外，還定義了一些鎖相環(huán)達到鎖定所需的時間的相關參數： （ 1）鎖定時間。這是捕獲過程為一個鎖定過程是鎖相環(huán)達到鎖定需要的時間。 （ 2）捕捉時間。這是當捕獲過程為一個捕捉過程是鎖相環(huán)達到鎖定需要的時間。 頻移鍵控 FSK FSK（頻移鍵控）是常用于調制解調器的一種調制方法 FSK 信號可以在基帶傳輸，也可以用于調制載波。已調信號的時域表達式為 ?????????? ???? n nn nF S K tnTtgatnTtgate 212 c o s)(c o s)()( ?? （ 29） 式中， )(tg 為單極性不歸 0 的矩形脈沖信號， na 為 na 的反碼，若只考慮在一個碼元的持續(xù)時間內，則 ???? ”“ ”“ 2,c os 1,c os)(212 tA tAte FS K ?? （ 210） 輸入序列為 100101 時，已調 2FSK 的輸出波形如圖所示，圖 24 中 1f 代表 1， 2f 代表 0。 圖 24 2FSK 輸出波形 對于矩形脈沖序列頻移鍵控調制器可以采用模擬信號調頻電路實現，也可以采用鍵控法，即用輸入二進制序列去控制兩個獨立的載波發(fā)生器，序列中的 1 碼控制輸出載波頻率 1f ,0 碼控制 輸出載波頻率 2f .兩種調制器的框圖分別如圖 25，圖 26 所示。 畢業(yè)設計（論文） 8 圖 25 模擬信號調制信號 圖 26 鍵控法 頻移鍵控信號的解調也可以采用相干解調或非相干解調，原理與二進制序列幅移鍵控信號的解調相同，如圖 27 及圖 28 所示。 圖 27 2FSK 信號相干解調原理框圖 畢業(yè)設計（論文） 9 圖 28 2FSK 信號非相干解調原理框圖 圖 29 為非相干解調原理框圖的各點波形。圖 27 中的抽樣判決電路是一個比較器，對上下兩支路低通濾波器送出的信號電平進行比較，如果上支路輸出的信號大于下支路，則判為 1 碼。 圖 29 非相干解調原理框圖對應的各點波形 解調 2FSK 信號還可以用鑒頻法、過零檢測法及差分檢波法等。其中過零檢測法的基本思想是，利用不同頻率的正弦波在一個碼元間隔內過零點數目的不同，來檢測已調波中頻率的變化。其原理框圖幾個點波形如圖 210 所示。 輸出 )(39。 tS )(2tv )(tyi 帶通濾波器 1? 包絡檢波器 帶通濾波器 2? 包絡檢波器 抽樣判決器 )(1ty )(2ty )(1tv 抽樣脈沖 輸入 畢業(yè)設計（論文） 10 圖 210 2FSK 信號過零檢測原理框圖及波形 圖 210 中限幅器將接收序列整形為矩形脈沖，送入微分和整流，得到尖脈沖（尖脈沖的個數代表了過零點數），在一個碼元間隔內尖脈沖數目的多少直接反映載波頻率的高低，所以只要將其展寬為具有相同寬度的矩形脈沖，經低通濾波器濾除高次諧波之后，兩種不同的頻率就轉換成了兩種不同幅度的信號，送入抽樣判決器即可恢復原序列信息。 畢業(yè)設計（論文） 11 第三章 基于 PLL 芯片的 FSK 調制與解調模塊的設計原理 將在本章中主要討論有關 FSK 調制解調的一些設計思路，工作原理，常用實現辦法以及它們之間的優(yōu)缺點。 基于 PLL 芯片的 FSK 調制模塊設計 基于 PLL 芯片的 FSK調制模塊原理 鎖相環(huán)應用于 FSK 調制的電路大致分為兩類，一種是頻率合成法，一種是直接移頻法。 頻率合成法的主要思路是，當 FSK 調制信號所需的兩個頻率 1f 和 2f 均已產生，就可以利用鎖相環(huán)得到相位連續(xù)的 FSK 信號。調制其框圖如圖 31 所示。數字信號控制能夠產生頻率分別為 1f 和 2f 的兩個振蕩器。當數字信號為 “1”時則輸出頻率為 1f 的波形，當數字信號為 “0”時，輸出頻率為 2f 的波形。鎖相環(huán)的壓控振蕩器的輸出頻率適中跟蹤并鎖定在輸入信號的頻率上。通過這種方式就可以產生 FSK 的調制信號。 直接移頻法的主要思路是用數字調制信號直接改變壓控振蕩器的振蕩頻率來實現FSK 信號調制。其原理框 圖如圖 32 所示。 當 VCO 的控制電壓在一定的范圍內時， VCO 的振蕩頻率如式（ 21）。由于 0? 和 0K為常量，所以當 VCO 處于線性工作范圍時，只要改變 VCO 的控制電壓為一個合適值，就能得到所要的 FSK 調制頻率。這種 FSK 調制器的頻率穩(wěn)定度主要由 VCO 的外部元件確定。相比于頻率合成法，直接頻移法的 FSK 調制器的振蕩源只有一個壓控振蕩器，所以其電路參數非常容易調整，也有 較高的工作穩(wěn)定性。同時，由于調制器的外圍電路很少，所以工作可靠性也很高。這種調制器性能好，成本低。 畢業(yè)設計（論文） 12 圖 31 頻率合成法 FSK 信號調制原理框圖 圖 32 直接頻移法 FSK 信號調制原理框圖 基于 PLL 芯片的 FSK 解調模塊設計 基于 PLL 芯片的 FSK 解調模塊原理 當我們把一個已經經過頻率調制的輸入信號加到 PLL 時，為了保持環(huán)路鎖定， VCO頻率就會對輸入頻率進行密切跟蹤。在兩個頻率之間來回跟蹤并且鎖 定。由于 VCO 的頻率正比于控制電壓，所以信號調制波形和控制電壓幾乎相同。這樣，調制信號就可以從 VCO 控制電壓中恢復出來。其原理框圖如圖 33 所示。 調制信號輸入至 PLL 的參考信號引腳中，由 VCO 產生的信號輸入至相位比較器輸)(tUo )(tUd FSK 輸出 參考鑒相電平 鑒相器 PD 環(huán)路濾波器 LF 壓控振蕩器 VCO 定時元件 （容阻或晶振） 數字調制 信號 振蕩器 1 與門 非門 振蕩器 2 與門 或門 鎖相環(huán) 數字調制信號 FSK 輸出 畢業(yè)設計（論文） 13 入信號引腳中，兩個信號通過相位比較器之后由于相互之間的相位差產生一個輸出方波，該方波通過濾波器之后成為直流電壓，作為 VCO 控制電壓送回 VCO 輸入引腳，控制 VCO 產生的信號的頻率，經過一定時間之后完成對該輸入信號的鎖定。由于輸入信號的頻率在兩個頻率之間不斷變化，所以 PLL 也在兩個不同的頻率之 間不斷的跟蹤鎖定，從而完成解調。 圖 33 FSK 解調原理框圖 FSK 解調輸出 )(tUo )(tUd )(2tU )(1tU FSK 輸入信號 鑒相器 PD 環(huán)路濾波器 LF 壓控振蕩器 VCO 輸出濾波器 畢業(yè)設計（論文） 14 第四章 器件選用及電路原理 在本章中主要介紹在本次設計中用到的器件以及模塊電路，工作原理及具體實現辦法。 在本次設計中選用了兩片由 TI 公司生產的型號為 CD4046 的 PLL 芯片，其中一片作為調制主控芯片，一片作為解調主控芯片。在有源濾波器的設計中選用的運放的芯片為最常見的 LM324 芯片，在電壓比較器當中所使用的運放芯片也是 LM324。 CD4046 在本次設計中的應用 在本次設計中，選用的 PLL 芯片為由 TI 公司生產的 CD4046。在該芯片中包含一個壓控振蕩器和兩個相位比較器。其中兩個相位比較器分別為由異或網絡構成的相位比較器和由邊沿觸發(fā)的 JK 觸發(fā)器構成的相位比較器。芯片引腳圖如圖 41 所示。 過去的鎖相環(huán)多采用分立元件和模擬電路構成，現在常使用集成電路的鎖相環(huán)， CD4046 是通用的 CMOS 鎖相環(huán)集成電路，其特點是電源電壓范圍寬（為 3V－ 18V），輸入阻抗高 (約100 ?M )，動態(tài)功耗小，在中心頻率 0f 為 10kHz 下功耗僅為 600 W? ，屬微功耗器件。采用 16 腳雙列直插式，各引腳功能如表 11 所示。 圖 41 CD4046 管腳圖 CD4046 內部還有線性放大器和整形電路，可將 14 腳輸入的 100mV 左右的微弱輸畢業(yè)設計（論文） 15 入信號變成方波或脈沖信號送至兩相位比較器。源跟隨器是增益為 1 的放大器， VCO的輸出電壓經源跟隨器至 10 腳作 FM 解調用。齊納二極管可單獨使用，其穩(wěn)壓值為 5V，若與 TTL 電路匹配時，可用作輔助電源。 表 11 CD4046 引腳功能表 符號 引腳 名稱功能 outPCP 1 輸出端（相位脈沖輸出） 相位比較器 2輸出的相位差信號，為上升沿控制邏輯。環(huán)路入鎖時為高電平，環(huán)路失鎖時為低電平。 inSIGN 14 相位比較器輸入端（基準信號輸入），相位比較器輸入信號，輸入允許將，輸出至相位比較器。 inCOMP 3 相位比較器輸入端（比較信號輸入）通常 PD來自 VCO 的參考信號。 1PC 2 PDⅠ 輸出端 相位比較器 1 輸出的相位差信號，它采用異或門結構，即鑒相特性為 。 2PC 13 PDⅡ 輸出端 相位比較器 Ⅱ 的輸出端，它采用，上升沿控制邏輯。 inVCO 9 壓控振蕩器的控制端。 outVCO 4 壓控振蕩器輸出端。 INH 5 VCO 禁止端， 1 有效 控制信號輸入，高電平時禁止，低電平時允許壓控振蕩 器工作。 1R 11 VCO 外接電阻 R1。 2R 12 VCO 外接電阻 R2。 1C 并接振蕩電容 C1，以控制 VCO 的振蕩頻率。 outDEM 10 解調信號輸出端。 ZEN 15 內部獨立的齊納穩(wěn)壓二極管負極。 CD4046 工作原理如下：輸入信號 iU 從 14 腳輸入后，經放大器 A1 進行放大、整形后加到相位比較器 Ⅰ 、 Ⅱ 的輸入端，圖 41 開關 K 撥至 2 腳，則比較器