1、頻率合成器實驗十一 鎖相一、實驗目的1了解接收機一本振及發射機振蕩源鎖相頻率合成器原理。2了解鎖相調頻原理。3了解鎖相頻率合成器性能指標。二、實驗內容1測量發射機鎖相頻率合成器輸出頻率與計算值比較，熟悉鎖相頻率合成原理及輸出頻率及頻道間隔的計算。2測量發射機鎖相頻率合成作為鎖相調頻器的調制頻率特性，熟悉鎖相調頻原理。3觀察鎖相頻合頻道切換捕捉過程，了解環路捕捉過程機理。三、基本原理1鎖相頻率合成器原理及電路移動通信系統必須配置多個無線頻道，允許多個用戶同時通話，這樣系統才能容納大量用戶。因而移動通信系統中的收發信機工作頻率（對應于接收機一本振及發射機的主振頻率）必須能在系統配置的多個頻率間切換

2、。這些眾多頻率點的產生通常用頻率合成技術來實現。當前應用最廣的是鎖相頻率合成器（簡稱鎖相頻合或PLL頻合），常用的單環鎖相頻合方框圖見圖11.1。圖11.1 常用的單環鎖相頻率合成器方框圖圖中，PD為鑒相器；LF為環路濾波器；VCO為壓控振蕩器，其振蕩頻率fv受控制電壓uc的控制而改變，一般有fV=f0+K0uc (11-1)式中，f0為VCO的固有振蕩頻率，K0為壓控靈敏度(單位Hz/V或radSV)；N為程序分頻器，其分頻比由CPU程序設置可變；R為參考分頻器，將穩定的晶體振蕩器頻率fR分頻得到環路的參考頻率fr（一般為5KHz、6.25KHz、12.5KHz或25KHz等）。環路鎖定時，

3、PD的兩個輸入信號相差為0或固定值，則頻差為0，即fr=ff=fv/N故fv=Nfr (11-2)由式(11-2)可見，由CPU程序改變N的取值就改變了環路的輸出頻率，且所有頻率都與晶振頻率具有相同的準確度與穩定度。由式(11-2)還可見，頻道間隔f最小可以等于fr，其實際值由系統要求決定。一般模擬調頻通信系統頻道間隔f =25KHz，若鎖相頻合的fr=5KHz，則N變化步長N=5。實際鎖相頻合集成電路包含了圖11-1電路框圖中除LF及VCO以外的全部電路，有的甚至包含兩個這樣的電路，分別用于接收機及發射機，稱為雙PLL頻合，例如MCl45160、MCl45161、MCl45162等。本實驗系

4、統實驗儀使用高集成度的VHF通用單片收發信機集成電路U1/U201，其內部集成了除發信VCO、發射機射頻功放外的所有收發信機電路，包括收信/發信頻率合成器、收信一本振VCO、二本振、第一級混頻器、第二級混頻器、中放、鑒頻器、FSK比較器、音頻功放、MIC放大等，可方便地構成VHF雙工收發信機，用于話音或低速FSK數據通信。本實驗系統實驗儀有兩套收發信機：TRx-BS及TRx-MS，每套收發信機都采用了一片VHF通用單片收發信機集成電路U1/U201，其內部的收信/發信頻率合成器部分與雙PLL頻合MCl45162等十分相似，只是它將RX VCO也集成在內，構成接收機一本振及發射機主振PLL頻合更

5、方便。下面以附圖2(a)BS收發信機為例對照框圖11.1加以詳細說明。附圖2(a)中U1為VHF通用單片收發信機集成電路，同MCl45162等雙PLL頻合IC一樣，其參考分頻器分頻比R及收發兩個環路的程序分頻器分頻比N由CPU通過串行方式由其7、8、9腳送入。實際選取參考分頻器分頻比R=2049，則fr=10.245MHz2049=5KHz。二個環路各頻道的程序分頻器分頻比按照見表11.1，11.2。接收環VCO集成在U1內部，U1的39、40腳接外部LC回路（L2、C7），與內部變容二極管等構成接收機一本振，振蕩頻率由RX VCO電壓控制。VCO的輸出信號在U1內部分成二路，一路作為一本振信

6、號送入U1內部的一混頻器；另一路送入接U1內部的N程序分頻器分頻后送給PD，與fr=5KHz的參考信號鑒相，U1的45腳為PD輸出端，輸出誤差電流流經外接C9、R4、C8及R3、C13構成的環路濾波器得到控制電壓uc，經R2、U1的41腳回送至U1內部的RX VCO，形成圖11.1所示閉合環路。表11.1 MS收發信機頻率（fr=5.00KHz，f1IF=10.700MHz）CHTx頻率(MHz)Tx環NRx頻率(MHz)Rx本振頻率（MHz）Rx本振環N149.000980046.00035.3007060249.025980546.02535.3257065349.050981046.05

7、035.3507070449.075981546.07535.3757075549.100982046.10035.4007080649.125982546.12535.4257085749.150983046.15035.4507090849.175983546.17535.4757095949.200984046.20035.50071001049.225984546.22535.52571051149.250985046.25035.55071101249.275985546.27535.57571151349.300986046.30035.60071201449.325986546.

8、32535.62571251549.350987046.35035.65071301649.375987546.37535.67571351749.400988046.40035.70071401849.425988546.42535.72571451949.450989046.45035.75071502049.475989546.47535.7757155表11.2 BS收發信機頻率（fr=5.00KHz，f1IF=10.700MHz）CHTx頻率(MHzx)Tx環NRx頻率(MHz)Rx本振頻率（MHz）Rx本振環N146.000920049.00038.3007660246.02592

9、0549.02538.3257665346.050921049.05038.3507670446.075921549.07538.3757675546.100922049.10038.4007680646.125922549.12538.4257685746.150923049.15038.4507690846.175923549.17538.4757695946.200924049.20038.50077001046.225924549.22538.52577051146.250925049.25038.55077101246.275925549.27538.57577151346.3009

10、26049.30038.60077201446.325926549.32538.62577251546.350927049.35038.65077301646.375927549.37538.67577351746.400928049.40038.70077401846.425928549.42538.72577451946.450929049.45038.75077502046.475929549.47538.7757755圖11.2 VHF通用單片收發信機集成電路內部框圖發射機主振鎖相頻合同時又是單點注入式鎖相調頻環路，其框圖如圖11.3所示。Q2、L8、D1等構成發信VCO。衰減后的音頻

11、調制信號um（正弦單音、話音、信令數據）加在變容二極管D1的下端，環路控制電壓uc 經R8加在D6的上端，總控制電壓uc=uc-um=uc+(-um)，忽略括號中的負號并不影響工作原理及性能的分析，故得到圖11.3中發信VCO輸入端等效電路。VCO的輸出信號分成兩路，一路送入Q1等構成的功放，功率放大后經雙工器FL2送至天線ANT1發射出去；另一路由U1的48腳送入U1內部的發射環N程序分頻器，分頻后送發射環PD與參考信號鑒相后由U1的1腳輸出誤差電流，流經R6、C20及R13、C18構成的環路濾波器得到控制電壓uc，經R8送VCO變容二極管D1的上端。當環路設計成載波跟蹤環時，uc為直流，控

12、制VCO中心頻率使環路鎖定；um對VCO調頻，實現了鎖相調頻。圖11.3 發射機鎖相調頻頻合器方框圖2鎖相頻率合成器環路參數設計2.1 環路參數設計公式U1內部的鑒相器PD采用電荷泵PD輸出，圖11.4是單端三態電流型電荷泵及外接的環路濾波器電路。圖中，兩只場效應管工作于開關狀態：IP為恒流源；R2、Cl為環路濾波器；環路按照理想二階環設計，有關設計公式如下。(1) 環路自然諧振頻率n=IpK0/(2NC1)1/2 (11-3)式中K0為壓控靈敏度，N為分頻比。(2) 環路阻尼系數=R2C1n/2 (11-4)要保證環路穩定余量足夠大及瞬態響應快應選取=0.61.0 (11-5)圖11.4 單

13、端三態電流型電荷泵及環路濾波器(3) 鎖相調頻當鎖相頻合器作為調頻發射機的主振時，其電路框圖如圖11.3所示，基帶調制信號um由VCO前單點注入環路，與環路控制電壓uc相加后去控制VCO的頻率。當環路設計成載波跟蹤環時，uc為直流，um無畸變地到達VCO輸入端，實現了理想調頻。圖11.3鎖相調頻頻合器的相位模型如圖11.5所示，則基帶調制信號um至VCO調制頻偏0之間的傳遞函數為圖11.5 鎖相調頻頻合器的相位模型框圖則 (11-6)式中，He(S)為誤差傳遞函數，He(j)為誤差頻率特性。由式（11-6）可見，單點注入鎖相調頻的調制頻率特性為環路的誤差頻率特性He(j)乘以常數。容易導出，理

14、想的二階環誤差頻率特性的截止頻率c為 (11-7)把常用代入式(11-7)得表14-3。可見近似有(11-8)表11.3 理想二階環誤差頻率特性He(j)截止頻率0.5000.7071.000c/n0.791.001.55故得理想二階環誤差頻率特性He(j)如圖11.6所示，呈現高通特性。圖中亦標出基帶調制信號um的頻譜um(j)，它占據的頻帶為LH。若環路設計成載波跟蹤狀態即nL，如圖11.5中所示，則可見在Um(j)為非0值范圍內，恒有He(j)=1，代入式(11-6)得0(j)=K0Um(j)，求付里葉反變換得do/dt=Koum(t)，實現了理想調頻。工程上，為保證單點注入式鎖相調頻環

15、實現理想調頻，應選取nL/3 (11-9)圖11.6 理想二階環誤差頻率特性及載波跟蹤條件2.2 環路參數設計方法進行環路參數設計前IP、Ko、N及fr等己確定，再按以下步驟進行設計：(1) 按式(11-5)選定；(2) 由式(11-9)折衷選取n；(3 )將、n值代入式(11-3)、(11-4)，求出環路濾波器元件值： (11-10) (11-11)2.3 環路參數設計舉例實驗系統中BS發射機鎖相頻合的VCO壓控特性實測結果如表11.4所示：表11.4 BS發射機VCO壓控特性CH120fTx（MHz）46.00046.475uct(V)0.780.98電荷泵PD充放電電流IP=2.5mA；

16、各頻道分頻比N見表11.1；環路參考信號頻率fr=5KHz。根據以下步驟可設計出環路參數。(1) 按式(11-5)選擇=l；已知話音信號最低頻率fL=300Hz，按式(11-9)選擇n=2100rad/s。(2) 由已知條件求VCO壓控靈敏度平均值為 （3）由表11.1求環路分頻比平均值為（4）將IP、K0、N及n代入式（11-10）得C1=2.510-31.49107/(29248(2100)2)=1.62 (uF)實際可取C1=1uF。將、n及C1代入式（11-11）得R2=21/(110-62100) =3.18K實際可取R2=3.3K。為進一步濾除鑒相紋波，在實際的環路中通常在濾波器前

17、或后串聯第二個附加低通濾波器，但其截止頻率要遠高于R2、C1組成的低通濾波器的截止頻率。實際的環路濾波器電路及元件參數見附圖2。由以上介紹可見，鎖相環路性能參數、n的設計，就是對環路濾波器幾只電阻、電容的設計，由此可見環路濾波器對環路性能的重大影響。3鎖相頻率合成器環路測量方法3.1 誤差頻率特性He(j)發射機輸出調頻信號由調頻接收機解調后得到基帶信號，其系統框圖及數學模型如圖11.7所示。圖中，調頻發射機的數學模型見式(11-6)，Kdm是接收機Rx的鑒頻增益。由此得圖11.7 調頻收發信系統電路框圖(a)及數學模型(b) (11-12)式中，k=K0Kdm。由式(11-14)可見，圖11

18、.7的調頻收發信系統的解調輸出與調制輸入之間的頻率特性就是發射環的誤差頻率特性。因而通過測量調頻發信-收信系統間的傳輸函數的頻率特性就可得出發射環的誤差頻率特性。3.2 環路捕捉時間CPU控制鎖相環切換頻道，環路重新捕捉，鎖定于切換后的新頻道上。捕捉過程中環路控制電壓uc發生變化，其瞬態過程時間即環路捕捉時間。為便于觀測，CPU以50ms為周期循環往復在兩個頻道間切換環路頻率，uc波形為圖11.8所示周期信號，可用示波50ms50ms器觀測環路捕捉時間TP。圖11.8 循環切換頻道時環路控制電壓波形環路捕捉時間TP按捕捉過程是否處于快捕帶內而不同。捕捉過程處于快捕帶內的實驗標志是捕捉過程中PD

19、向LF充電/放電脈沖寬度未超過兩個鑒相信號中周期(Tr或Tf)較短者，即相差|e|未超過2，如圖11.9所示；反之，處于快捕帶外。圖11.9 捕捉過程uc波形細節（處于快捕外帶的情況）四、實驗器材1移動通信實驗系統1臺；220M雙蹤示波器1 臺3100M數字頻率計1臺4萬用表或電壓表1 臺五、實驗步驟(一) 測量實驗儀發射機鎖相頻合工作頻率1按單臺實驗儀配置實驗，將數字頻率計電纜接至BS（或MS）收發信機輸出端Tx（TP102）（或MTx（TP200），去掉發射機音頻調制（電位器W001左旋到底）。利用“前”或“后”鍵、“確認”鍵進入實驗十一操作界面，如圖11.10所示。圖11.10 實驗操作

20、界面2利用“前”或“后”鍵選擇“頻道”，利用“+”或“-”鍵改變頻道值，利用“清除”鍵選定BS發射機。按一下“PTT”鍵該發射機發射，數字頻率計測量出被測發射機在該頻道的發射信號頻率。3重復2，測出被測發射機在20個頻道上發射信號頻率。4利用“清除”鍵選定MS發射機，重復2-3，測量MS發射機20個頻道發射信號頻率。5測量結束再按一下“PTT”鍵關閉發射機。將測量結果與表11-1、11-2設計標稱值比較。(二) 測量發射機VCO調制靈敏度1利用“前”或“后”鍵選擇“調制”，利用“+”或“-”鍵選擇“1000Hz”。2利用“前”或“后”鍵選擇“頻道”，利用“+”或“-”鍵選擇某一頻道，利用“清除

21、”鍵選定BS發射機。按一下“PTT”鍵該發射機發射，用示波器觀測MS接收機解調輸出TP207。調節電位器W001，使解調輸出端TP207輸出的1KHz音頻信號幅度小于3Vp-p。同時，用示波器另一通道（置為DC方式）或高輸入阻抗電壓表測量BS發射機環路控制電壓uct1及MS接收機一本振環路控制電壓ucr2。3重復2，測量BS發射機及MS接收機在各頻道下的鎖相頻合環路控制電壓，記錄在表11-5中。4利用“清除”鍵選定MS發射機，按以上方法，測量MS發射機及BS接收機在各頻道下的鎖相頻合環路控制電壓，記錄在表11-5中。表11-5 收發信機工作頻率及鎖相頻合控制電壓CHTx-BS及Rx-MS發射、

22、接收頻率（MHz）Tx-BS環Uct1(V)Rx-MS-本振環Ucr2(V)Tx-MS及Rx-BS發射、接收頻率（MHz）Tx-MS環Uct2(V)Rx-BS-本振環Ucr1(V)12345678910111213141516171819205按下式計算出四個鎖相頻VCO的平均壓控靈敏度及各頻道壓控靈敏度K0。 (11-16) (11-17)7利用“清除”鍵選定BS或MS發射機，按一下“PTT”鍵該發射機發射。將示波器兩個測量探頭分別接在該發射機和對方接收機（MS或BS）的鎖相頻合環路控制電壓輸出端uct及ucr，示波器掃描時間置于20ms/格。利用“前”或“后”鍵選擇“掃描”，收發信機自動掃

23、描20個信道，示波器顯示兩個環路控制電壓自動步進跳變，直觀地顯示鎖相頻合輸出頻率的控制變化過程。(三) 測量發射機鎖相環調制頻率特性及環路自然諧振頻率n1將示波器的CH2測量探頭接在BS側調制輸入TP106端（MOD1）；示波器CH1測量探頭接至MS接收機輸出TP207端（Dem2），用于監測調制輸入及解調輸出音頻信號的幅度。2利用“前”或“后”鍵選擇“頻道”，利用“+”或“-”鍵置收發信機工作在某一頻道（如CH10），利用“清除”鍵選定BS發射機。按一下“PTT”鍵BS發射機發射。3利用“前”或“后”鍵選擇“調制”，利用“+”或“-”鍵選擇“1000Hz”。通過電位器W001調整調制信號幅度

24、使示波器CH1測量的MS接收機解調輸出音頻信號幅度為3Vp-p，此時發射機調制頻偏約為3KHz。4保持調制輸入音頻信號幅度不變（由示波器CH2監測），利用“+”或“-”鍵改變調制信號頻率，測量接收機解調輸出TP207端音頻信號幅度，記錄在表11-6中。表11-6 測量發射機鎖相環調制頻率特性（MOD1= Vp-p）Fin(Hz)3400300020001000800600fcDem2 (Vp-p)32.1Dem2/ Dem2|1kHz10.7注：Dem2|1kHz表示1KHz時MS接收機解調輸出音頻信號幅度。測量完畢后，將Dem2幅度對1KHz時的幅度進行歸一化，得BS發射機鎖相環歸一化調制頻率特性，即環路誤差頻率特性He(j)。其中，歸一化幅度等于所對應的頻率為3dB截止頻率fc，亦即環路自然諧振頻率fn=n/2(見式11-8)。5將示波器CH1測量探頭接至BS接收機輸出TP107端（Dem1），利用“清除”鍵選定MS發射機。重復3-4，測量MS發射機鎖相環調制頻率特性數據記錄在如表11-6所示格式的另一張表格中，求出環路誤差頻率特性及環路自然諧振頻率fn。8測量結束再按一下“PTT”鍵關閉發射機。將環路自然諧振頻率fn測量值與