【正文】 ............................................................ 25 附錄： (外文翻譯 ) ........................................................ 26 致謝 .................................................................... 49 1 第 1 章 緒論 研究背景 實(shí)現(xiàn)調(diào)頻波解調(diào)的方法有很多，而鎖相環(huán)鑒頻是利用現(xiàn)代鎖相環(huán)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)鑒頻方法，具有工作穩(wěn)定失真小，信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛用在通信電路系統(tǒng)中。在對 2ASK、 2FSK、 2PSK 解調(diào)時(shí)，低通濾波器輸出的波形失真比較大，不過最后經(jīng)過抽樣判決電路整形后可以再生數(shù)字基帶脈沖。 該 文首先介紹了鎖相環(huán)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀、方向以及背景，并對 PLL 的原理進(jìn)行了闡述。 LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 畢業(yè)設(shè)計(jì) 題 目 基于 Multisim的鎖相環(huán)解調(diào)系統(tǒng)仿真 學(xué)生姓名 學(xué) 號 09250107 專業(yè)班級 通信工程一班 指導(dǎo)教師 學(xué) 院 計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院 答辯日期 2021 年 6 月 13 日 I 基于 Multisim 的 鎖相環(huán)解調(diào) 系統(tǒng) 仿真 PLL Demodulation System Simulation Based on Multisim I 摘要 實(shí)現(xiàn)調(diào)頻波解調(diào)的方法有很多，而鎖相環(huán)鑒頻是利用現(xiàn)代鎖相環(huán)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)鑒頻，具有工作穩(wěn)定 ， 失真小，信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛用在通信電路系統(tǒng)中。 鎖相環(huán) 其原理是通過 鑒相檢測輸入信號和輸出信號的相位差，并將檢測出的相位差信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，該信號經(jīng)低通濾波器濾波后形成 壓控振蕩器的控制電壓，對振蕩器輸出信號的頻率實(shí)施控制 。在以上的基礎(chǔ)上，分別設(shè)計(jì)了 2ASK、 2PSK、 2FSK 的調(diào)制解調(diào)電路，其 功能 為數(shù)字基帶信號 經(jīng)過調(diào)制輸出一個(gè)模擬信號，然后用鎖相環(huán)進(jìn)行解調(diào)， 最后采用 Multisim軟件進(jìn)行仿真。 在整個(gè)電路設(shè)計(jì)中，力求要做到電路簡單，并完成任務(wù)書提到的要求。 鎖相環(huán)路是一種反饋電路，鎖相環(huán)的英文全稱是 PhaseLocked Loop，簡稱 PLL。因鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用 于閉環(huán)跟蹤電路。作為一個(gè)窄帶跟蹤濾波器，可提取淹沒在噪聲中的信號；用高穩(wěn)定的參考振蕩器鎖定，可提供高穩(wěn)定的頻率源；可進(jìn)行高精度的香味與頻率測量等等。 現(xiàn)在通過分析與研究，加深對鎖相環(huán)解調(diào)方式的理解，并根據(jù) 它的原理 ，設(shè)計(jì) 出2FSK、 2PSK、 2ASK 的 調(diào)制電路 ， 并通過鎖相環(huán)解調(diào)出來 ?？捎糜谑謾C(jī)中、 SDH 網(wǎng)絡(luò)中、在汽車 MP3 無線發(fā)射器中‘測量汽車轉(zhuǎn)速都是十分典型的應(yīng)用。當(dāng)載波信號的頻率與鎖相環(huán)的固有振蕩頻率 ω0 相等時(shí)，壓控振蕩器輸出信號的頻率將保持 ω0 不變。當(dāng)然，鎖相環(huán)的許多優(yōu)越性使得鎖相環(huán)解調(diào)技術(shù)在很多我們周圍都可以見到的物品中發(fā)揮著其巨大的功效。隨著通信及電子系統(tǒng)的飛速發(fā)展，促使集成鎖相環(huán)和數(shù)字鎖相環(huán)突飛猛進(jìn)。 2 研究內(nèi)容介紹 調(diào)制和解調(diào)電路是通信設(shè)備中重要組成部分。 該文主要建立了 2ASK、 2FSK、 2PSK 的調(diào)制 解調(diào) 電路 。 鎖相環(huán)路的輸出信號頻率可以精確地跟蹤輸入?yún)⒖夹盘栴l率的變化 ,環(huán)路鎖定后輸入?yún)⒖夹盘柡洼敵鰠⒖夹盘栔g的穩(wěn)態(tài)相位誤差可以通過增加環(huán)路增益被控制在所需數(shù)值范圍內(nèi) .這種輸出信號頻率隨輸入?yún)⒖夹盘栴l率變化的特性稱為鎖相環(huán)的跟蹤特性 .利用此特性可以做載波跟蹤型鎖相環(huán)及調(diào)制跟蹤型鎖相環(huán)。所謂的解 調(diào)就是用攜帶信息的輸出信號 uo來還原載波信號 ui的參數(shù)，載波信號的參數(shù)有幅度、頻率和位相，所以，解調(diào)有調(diào)幅（ AM）、調(diào)頻（ FM）和調(diào)相（ PM）三種。 該文 中調(diào)制出 2FSK、 2ASK、 2PSK，調(diào)制時(shí)采用的是鎖相環(huán)解調(diào)出來 ,最后用 Multisim進(jìn)行仿真出效果。 3 第 2 章 基本原理 Multisim 介紹 隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品已與計(jì)算機(jī)緊密相連，電子產(chǎn)品的智能化日益完善，電路的集成度越來越高，而產(chǎn)品的更新周期卻越來越短?？梢栽O(shè)計(jì) 、 測試和演示各種電子電路 ， 包括電工電路、模擬電路、數(shù)字電路、射頻電路及部分 微機(jī)接口電路等。 它有豐富的元件庫 ， 為用戶提供元器件模型的擴(kuò)充和技術(shù) ； 虛擬測試儀器儀表種類齊全 ， 其操作方法與實(shí)際儀器十分相似 ； 具有較為詳細(xì)的電路分析功能 ， 可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時(shí)域和頻域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析、離散傅里葉分析、電路零極點(diǎn)分析、交直流靈敏度分析等 18 種電路分析方法 ， 提供了多種輸入輸出接口 ， Multisim10 可以與國內(nèi)外流行的印刷電路板設(shè)計(jì)自動化軟件 Protel 及電路仿真軟件 Pspice 之間的文件接口 ， 也能通過 Windows 電路圖送往文字處理系統(tǒng)中進(jìn)行編輯排版 ， 同時(shí)還支持 VHDL 和 Verilog HDL 語言的電路仿真與設(shè)計(jì)。 Multisim 10 提供了 18 種儀表，儀表工具欄通常位于電路窗口的右邊，也可以用鼠標(biāo)將其拖至菜單的下方，呈水平狀。 其元器件庫提供數(shù)千種電路元器件供實(shí)驗(yàn)選用 ， 同時(shí)也可以新建或擴(kuò)充已有的元器件庫 ， 而且建庫所需的元器件參數(shù)可以從生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品使用手冊中查到 ， 因此可以很方便地在工程設(shè)計(jì)中使用。 (3) Multisim 10 具有較詳細(xì)的電路分析功能 ， 可以完成電路 的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析、時(shí)域和頻域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲和失真分析、離散傅里葉分析、電路零極點(diǎn)分析、交直流靈敏度分析等 ， 以幫助設(shè)計(jì)人員分析電路的性能?？梢詫Ρ环抡娴碾娐分械脑骷O(shè)置各種故障 ， 如開路、短路和不同程度的漏電等 ， 從而觀察不同故障情況下的電路工作狀況。 Multisim10 是一個(gè)電路原理設(shè)計(jì)、電路功能測試的虛擬仿真軟件。 Multisim10 是一個(gè)電路原理設(shè)計(jì)、電路功能測試的虛擬仿真軟件，該軟件為電子工程師提供了一個(gè)電路設(shè)計(jì)與仿真平臺，不僅與國際著名的模擬電路仿真軟件 spice 兼容，而且具有較強(qiáng)的 VHDL 和 Verilog 設(shè)計(jì)與仿真功能。 Multisim10 的虛擬測試儀器種類齊全 ， 有一般實(shí)驗(yàn)用的通用儀器，如萬用表、信號發(fā)生器、雙通道示波器、直流、交流電源；還有一般實(shí)驗(yàn)室少有或沒有的儀器，如波特圖示儀、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器、失真度測試儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等。 Multisim10 可以設(shè)計(jì)、測試和演示各種電子電路，包括電工電路、模擬電路、數(shù)字電路、射頻電路及微機(jī)接口電路等；可以對被仿真的電路中的元器件設(shè)置各種故障，如開路、短路和不同程度的漏電等，從而觀察不同故障情況下的電路工作狀況。 5 鎖相環(huán)基本原理 鎖相環(huán)的基本組成 許多電子設(shè)備 要正常工作，通常需要外部的輸入信號與內(nèi)部的振蕩信號同步，利用鎖相環(huán)路就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。鎖相環(huán)的特點(diǎn)是：利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號的頻率和相位。鎖相環(huán)在工作的過程中，當(dāng)輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時(shí)，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱的由來。 L F V C OP D 圖 鎖相環(huán)基本組成 鎖相環(huán)中的鑒相器又稱為相位比較器，它的作用是檢測輸入信號和輸出信號的相位差，并將檢測出的相位差信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，該信號經(jīng)低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓，對振蕩器輸出信號的頻率實(shí)施控制 。 U i（ t）U o U 圖 乘法器 鑒相器的工作原理是：設(shè)外界輸入的信號電壓和壓控振蕩器輸出的信號電壓分別 6 為： ? ? ? ?sini m i iu t U t t???????? （ 21） ? ? ? ?c oso o m o ou t U t t???????? （ 22） 式中的 ω 0為壓控振蕩器在輸入控制電壓為零或?yàn)橹绷麟妷簳r(shí)的振蕩角頻率，稱為電路的固有振蕩角頻率。即 ()cUt為： 1( ) si n {[ ( ) ] [ ( ) ] }2c m o m i i o oU t K U U t t t t? ? ? ?? ? ? ? （ 26） si n{ [ ] [ ( ) ( ) ] }dm i o i oU t t t t? ? ? ?? ? ? ? （ 27） 式中的 ω i為輸入信號的 瞬時(shí)振蕩角頻率， ()i t? 和 ()ot? 分別為輸入信號和輸出信號的瞬時(shí)位相，根據(jù)相量的關(guān)系可得瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)位相的關(guān)系為： 即 ( ) ( ) dot t dt? ? ???? （ 29） 則，瞬時(shí)相位差 θ d 為 [ ] ( ) ( )d i o i ot t t t? ? ? ? ?? ? ? ? （ 210） ()() dtt dt?? ? ） （ 211） 對兩邊求微分，可得頻差的關(guān)系式為 ( ) [ ( ) ( ) ]d i o i od d t t d t td t d t d t? ? ? ? ????? （ 212） 上式等于零，說明鎖相環(huán)進(jìn)入相位鎖定的狀態(tài)，此時(shí)輸出和輸入信號的頻率和相位 7 保持恒定不變的狀態(tài)， ()cUt為恒定值。 因壓控振蕩器的壓控特性如圖 所示，該特性說明壓控振蕩器的振蕩頻率 ω u以ω 0為中心，隨輸入信號電壓 ()cUt的變化而變化。 8 第 3 章 調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計(jì) 2FSK 調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計(jì) 2FSK 調(diào)制電路設(shè)計(jì)原理 2FSK 即叫做二進(jìn)制移頻鍵控或二進(jìn)制頻移鍵控。 （ 1）模擬調(diào)頻法：即直接利用一個(gè)矩形脈沖序列對一個(gè)載波進(jìn)行調(diào)頻而獲得。其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制方便，設(shè)備簡單，得出的是 2FSK 信號，相位連續(xù)。如圖 ： f1 振 蕩 器反 相 器f 2 振 蕩 器選 通 開 關(guān)選 通 開 關(guān)相 加 器e （ t） 圖 鍵控法 2FSK 鍵控法的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快、波形好、穩(wěn)定度高且易于實(shí)現(xiàn)，故應(yīng)用廣泛，但設(shè)備要復(fù)雜些，得出的是 2FSK 信號，相位不連續(xù)。設(shè)計(jì)原理圖如圖 所 示 : 9 開 關(guān)4 0 6 6 B D基 帶信 號脈 沖 信 號 f1雙 D 觸 發(fā) 器 2 f1變 頻 電 路（ 產(chǎn) 生 正弦 波 ）變 頻 電 路（ 產(chǎn) 生 正弦 波 ）2 F S K 圖 2FSK調(diào)制原理圖 2FSK 調(diào)制單元電路的設(shè)計(jì) 要將 時(shí)鐘脈沖信號 經(jīng)過 2FSK 調(diào)制成為 2FSK 信號，我們采用一個(gè)受基帶脈沖控制的開關(guān)電路去選擇兩個(gè)獨(dú)立的頻率源作為輸出。 1） 四雙向模擬開關(guān) CD4066 CD4066 的引腳功能如圖 所示。當(dāng)控制端加高電平時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)控制端加低電平時(shí)開關(guān)截止。模擬開關(guān)可傳輸數(shù)字信號和模擬信號，可傳輸?shù)哪M信號的上限頻率為 40MHz。 圖 四雙向模擬開關(guān) CD4066 輸入的基帶信號由轉(zhuǎn)換開關(guān)分成兩路，一路控制 f1=32KHz 的載頻，另一路經(jīng)倒相去控制 f2=16KHz 的載頻。此時(shí)輸出 f2=16KHz，于是可在輸出端得到 2FSK 已調(diào)信號。兩路載頻分別經(jīng)射隨、 LC 選頻、射隨再送至模擬開關(guān)。 壓 控 振 蕩 器抽 樣 判 決模 擬 乘 法 器 低 通 濾 波 器調(diào) 制 信 號基 帶 信 號定 時(shí) 脈 沖 圖 2FSK 解調(diào)原理框圖 1）鎖相環(huán)中的鑒相器通常由模擬乘法器組成，利用模擬乘法器組成的鑒相器電路如圖 ： U i（ t）U o U 圖 乘法器 2）低通濾波器如圖 ： 用低通濾波器 LF 將和頻分量濾掉，剩下的差頻分量作為壓控振蕩器的輸入控制電壓 uC（ t）。該特性的表達(dá)式為 0( ) ( )u o ct K u t???? （ 31） 圖 壓控特性 上式說明當(dāng) uc（ t） 隨時(shí)間而變時(shí)，壓控振蕩器的振蕩頻率 ω u也隨時(shí)間而變，鎖相環(huán)進(jìn)入 “ 頻率牽引 ” ，自動跟蹤捕捉輸入信號的頻率，使鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定的狀態(tài)，