一种基于软件锁相环实现位同步的设计

设计 开发
种基于软件锁相环实现位同步的设计
张素琴
（ 常州信 息职业技术学院 电子与电气工程 学院， 江苏常州 ２ １ ３ １ ６ ４ ）
摘要： 提 出一种用软件锁 相环（ ｓ Ｐ Ｌ Ｌ ） 实现短波数传 中位同步的捕 获和跟踪的设计方法 。 在位 同步捕获期 间用带宽较 宽的锁相环减小
＝
２＝阶模拟镶相环
模拟锁相环是根据输入信号与输出信号之间的相位差， 对输出
ａ ３ ＝（ ∞ ／ ２ ） ／ （ １ — ４ ／ ｃ ｏ Ｔ ）
（ １ １ ）
Ｔ 为信号的采样周期， 软件锁相环结 构框 图可用 图ｌ 表示 。
开环传递 函数 用差分方程 来实 现： 信号的相位进行连续的调整 以实现同步的闭环控制系统。 锁相环路 由三个部件组成 ： 鉴相器、 环路滤波器和压控振荡器 。 （ ｎ ） ：２ ０ （ ｎ 一１ ） 一Ｏ （ ｎ 一２ ） ＋ａ ， ｘ （ ｎ ） ＋ａ ２ ｘ （ ｎ 一１ ） ＋ａ ３ ｘ （ ｎ 一 ２ ） （ １ ２ ） 通常锁相环的传递 函数有开环传递函数 、 闭环传递函数和误差 得到的序列 ０ （ ｎ ） 是数控振荡器的瞬时相位增量 ， 在控 制量为零 传递 函数三种 。 当锁相环 反馈 支路在开路情况 下， 二阶锁相环开环 时 ， 数控振 荡器每采样周期的相位增量为２ 丌ｆ １ ｒ ， ｆ 为码 元速率 。 假设 传递 函数定义 为： ｆ ＝ ７ ５ Ｈｚ ， ￣ Ｊ Ｊ Ｔ＝１ ／ ９ ６ ０ ０ ｓ 。 因此 ， 相位增量 为 丌／ ６ ４ 。 对于鉴相器来说 ， 还要将输出的瞬 １ ４ ｏ （ Ｓ ） ＝Ｏ ｏ （ ） ／ （ ） ＝（ ２ ￣ ｃ ｏ ￣ Ｓ＋（ － Ｏ ｎ ） ／ （ １ ） 要求输入的是一定相位的正弦波而不是相位本身 ， 时相位值转换为正弦信号波形 ， 用公式表示为 ： ｙ （ ｎ ） ＝ ｃ ｏ ｓ ［ （ 丌／ ６ ４ ） ｎ ＋ 反馈支路 闭合时 ， 闭环传递函数 为 ： ０（ ｎ ） 】 ， 可得到输出相 位的余 弦值 。 Ｈ（ Ｓ ） ＝ （ ） ／ （ ） ＝（ ２ ＋ ） ／ （ Ｓ ＋２ ＋ ） （ ２ ） ３ ． １ 位 同步捕 获 锁相 环 的软 件 实现 相位误差对输人相 位 ｅ ： （ ｓ ） 的传递 函数定义为误差传递函娄 ： 由开环传递 函数求 出相位增量后 ， 要合 成的正弦 波形为 ： Ｈｅ （ ） ＝Ｏ ｅ （ ） ／ （ ） ：Ｓ ／ （ ＋ ２ ￣ ｃ ｏ Ｓ＋ ） （ ３ ） ｙ （ ｎ ） ＝ ｃ ｏ ｓ ［ （ 丌／ ６ ４ ） ｎ ＋０（ ｎ ） ］ 其 中， ∞ 是无 阻尼振荡频率 ， ｛ 是 阻尼系数 ， 用 、 ， 及环路 ＝ Ｃ Ｏ Ｓ （ 丌 ｎ ／ ６ ４ ） ｃ ｏ ｓ ０ （ ｎ ） 一 ｓ ｉ ｎ （ ７ ｌ ＂ ｎ ／ ６ ４ ） ｓ ｉ ｎ ０ （ ｎ ） （ １ ３ ） 增益Ｋ 、 Ｋ 示为： 三角函数采用查 表的方法得到 能降低 系统的软件开销 。 其 中 （ Ｋｏ ／ ） “ （ ４ ） ｃ ｏ ｓ （ 丁 【 ｎ ／ ４） ６ 、 ｓ ｉ ｎ （ ｎ ｎ ／ ６ ４ ） ￣７ ５ Ｈｚ 信号Ｐ Ｊ Ｏ ６ ０ ０ Ｈｚ ￣ 的样值 ， 重复 周 眚＝Ｏ ． ５ ｒ ２ （ ／ ｆ １ ） “ （ ５ ） 期为 １ ２ ８ 点。 假设地址ｎ 中的数值是ｓ ｉ ｒ １ （ ７ ｒ ｎ ／ ４） ６ ， 则相差３ ２ 个采样点 环路对噪声的过滤性能可用等效噪声带宽来描述 ， 其定义为： ￣ Ｉ Ｉ （ ｎ ＋ ３ ２ ） 模１ ２ ８ 单元 中的数值就是ｃ ｏ ｓ （ ７ ｒ ｎ ／ ６ ４ ） ， 通过查表得到 了中 ｆ ０ Ｉ Ｈ （ ｊ ２ ￣ ｒ ｆ ） ］ ａ ｆ （ ６ ） 心频率 采样点 的余弦和正弦值 。 同理Ｃ ｏ ｓ ０（ ｎ ） 、 ｓ ｉ ｎ ０（ ｎ ） 的获取也采用查表的方法。 表格的设置则 对理想的二阶环路， 可求得等效噪声带宽的表达式为 ： 取决于系统的频差校正精度 。 假设无线通信 中需要的频差校正精度 ０ ． ５ ｌ ＋ （ ４ ） Ｉ （ ７ ） 为１ Ｈｚ ， 内存 中就要存贮 １ Ｈｚ 表格， Ｗ￣ｃ ｏ ｓ ０（ ｎ ） 、 ｓ ｉ ｎ ０（ ｎ ） 时就用 １ Ｈｚ 的表格 。 如果一个采样周期为９ ６ ０ ０ 点， 能表示的最小相位为 ０ …＝ ２ ７ ｒ ／ ９ ６ ０ ０ ， ￣ － ｃ ｏ ｓ ０（ ｎ ） 、 ｓ ｎ ０（ ｉ ｎ ） 的方法与￣ｃ ｏ ｓ （ ｒ ｒ ｎ ／ ４） ６ 、 ｓ ｉ ｎ （ ｒ ｔ ｎ ／ ６ ４ ）
捕获 时间： 在位 同步跟踪期 间用带宽较 窄的锁相环减 小相位抖 动， 实现 了低信噪 比下的无线通信 获； 跟 踪
中图分类号： Ｔ Ｍ３ ４ ３
文献标识码 ： Ａ
文章编号： １ ０ ０ ７ － ９ ４ １ ６ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ２ － ０ １ ６ ６ － ０ １
１ 引言
３软件镶相环的实现
软件锁相环的设计是基于模拟锁相环 的设计技术 ， 首先求 出模 锁相环技术广泛应用在同步获取、 相干解调 、 频率合成等领域 。 目 前使用 的锁相环可以分为模 拟锁相环（ ＡＰ Ｌ Ｌ ） 、 数字锁相环（ Ｄ Ｐ ｌ Ｉ Ｉ ． ） 拟锁相环的阻尼系数 荨和 自然频率 ∞ ， 得到模拟锁相环的开环传递 和软件锁相环（ ｓ Ｐ Ｌ Ｌ ） 等几种 。 软件锁相和硬件模拟锁相相 比， 摆脱 函数Ｈｏ （ Ｓ ） ， 然后对Ｈｏ （ Ｓ ） 进行双线 Ｉ 生 变换得到相应 的数字锁相环的 了复杂的硬件电路设计 ， 修改参数简单方便 ， 具有很好的扩展 性， 有 开环传递函数 Ｈ ｏ （ Ｚ ） 。 因此可得到数字锁相环 的Ｈ ｏ （ Ｚ ） 为： 良好 的抗干扰 能力 ， 能 以较快速度 、 较高精度实现锁相［ 】 １ 。 软 件锁 相 Ｈｏ （ ｚ ） ＝（ ａ ｌ ＋ ａ ２ ｚ ＋ 口 ３ ｚ ） ／ （ １ — ２ ｚ ＋Ｚ － ２ ） （ ８ ） 环采用的基本思想与模拟锁相环和数字锁相环相 比没有根本不同 ， （ ９ ） （ ￣ ｏ ｏ ７／ ２ ） ／ （ １ ＋４ ／ ） 只是其实现方式不 同。 本文建立软件锁相环 的传递函数 、 型和 差分 方程 ， 提 出一种用软件锁相环来捕获和跟踪位 同步的方法。 （ １ ０ ） ａ ２ ＝２ （ ｃ ｏ Ｔ／ ２ ）