郝 楠，杜云明，藺幸宇，蔣 野

(佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院 黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

鎖相技術(shù)是一門(mén)利用負(fù)反饋控制原理實(shí)現(xiàn)頻率及相位的同步技術(shù)，已深入到通信、雷達(dá)、原子物理學(xué)、流體力學(xué)等領(lǐng)域[1]，涉及面非常之廣，掌握這一門(mén)技術(shù)是通信類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生就業(yè)的最基本條件。目前各個(gè)高校都開(kāi)設(shè)了相關(guān)課程，由于沒(méi)有實(shí)物器件、即一些實(shí)際應(yīng)用來(lái)使學(xué)生加深對(duì)鎖相環(huán)的了解和理解，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)Proteus軟件仿真實(shí)現(xiàn)FM信號(hào)的調(diào)制和利用鎖相環(huán)器件CD74HC4046A解調(diào)，希望通過(guò)本次仿真實(shí)驗(yàn)使學(xué)生理論能聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用并加深理解。

1 FM調(diào)制解調(diào)原理

1.1 FM調(diào)制原理

FM調(diào)頻信號(hào)是用調(diào)制信號(hào)控制載波的頻率變化的一種調(diào)制方法[2]。在函數(shù)發(fā)生器輸入端輸入調(diào)制信號(hào)Ui=AΩcosΩt，在函數(shù)發(fā)生器內(nèi)部設(shè)置載波信號(hào)，即可得到FM(已調(diào))信號(hào)。

1.2 FM解調(diào)原理

將函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的FM信號(hào)送到鑒相器信號(hào)輸入端，同時(shí)鎖相環(huán)74HC4046A壓控振蕩器的輸出信號(hào)即為本振(載波)信號(hào) 送到鑒相器比較輸入端，兩信號(hào)相乘實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)，因環(huán)路濾波器具有低通特性，濾掉高頻信號(hào)，所以解調(diào)后的輸出信號(hào)Ui=AΩcosΩt，即為調(diào)制信號(hào) 。

2 FM調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)如圖1所示，它包括FM信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)電路，調(diào)制由函數(shù)發(fā)生器和調(diào)制信號(hào)組成，解調(diào)電路由鎖相環(huán)的鑒相器、環(huán)路濾波器和VCO壓控振蕩器組成。

圖1 FM信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)

2.1 FM信號(hào)的調(diào)制

FM信號(hào)的調(diào)制電路如圖2所示，在函數(shù)發(fā)生器FM端輸入幅值Umi=1V，頻率為fi=4kHz調(diào)制信號(hào)。利用示波器測(cè)得其波形值如圖3所示，電壓?jiǎn)挝皇?.5V/div，刻度值是2，調(diào)制信號(hào)fi的幅值Umi=0.5*2=1V；調(diào)制信號(hào)頻率刻度值是2.5，掃描時(shí)間單位是100us/sweept，計(jì)算周期T=(2.5*100)=250us，那么調(diào)制信號(hào)頻率fi=1/(2.5*100)us=4kHz。函數(shù)發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生的載波信號(hào)fc=10MHz，經(jīng)函數(shù)發(fā)生器作用，可得FM信號(hào)fm，利用示波器測(cè)得FM信號(hào)的波形如圖4所示，電壓?jiǎn)挝皇?V/div，F(xiàn)M信號(hào)fm的幅值Ufm=Umo=2.85V*2=5.7V，掃描時(shí)間單位是1us/sweept。

圖2 FM信號(hào)的調(diào)制

圖3 調(diào)制信號(hào)波形

圖4 FM信號(hào)波形

2.2 FM信號(hào)的解調(diào)

CD74HC4046A芯片內(nèi)含有一個(gè)VCO、二個(gè)鑒相器PC1、PC2(或三個(gè)鑒相器)，由于本次設(shè)計(jì)相關(guān)要求，選擇鑒相器PC1，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電路原理圖如圖5。參數(shù)設(shè)定如下。

圖5 電路原理圖

(1) 雙擊CD74HC4046A芯片，將Frquency range頻率設(shè)定為11MHz，將Frquency offset 頻率設(shè)定為10MHz。

圖6 解調(diào)后仿真波形

圖7 相位余量伯德圖

圖8 FM等四種信號(hào)

(2) 根據(jù)CD74HC4046A datasheet設(shè)定相關(guān)的外部電容和電阻，本實(shí)驗(yàn)C1=40pF，R1=11MΩ，R2=22kΩ來(lái)使Frquency range和Frquency offset符合相應(yīng)要求。

(3) 根據(jù)低通濾波器設(shè)計(jì)要求，本實(shí)驗(yàn)將截止頻率設(shè)定為4kHz，R3和C2分別設(shè)定為40kΩ和1nF。

(4) 將原始信號(hào)FM信號(hào)、PC1OUT端、VCOIN端與示波器相連，調(diào)節(jié)時(shí)間旋鈕至100us/sweept和示波器中A和B幅度旋鈕調(diào)至2V/div，C幅度旋鈕調(diào)至5mV/div，D幅度旋鈕調(diào)至5mV/div，得解調(diào)后波形如圖6所示。從上至下分別是調(diào)制信號(hào)、FM調(diào)頻信號(hào)、解調(diào)信號(hào)和解調(diào)輸出端10的信號(hào)。

3 相位余量的MATLAB仿真

3.1 相位余量

相位余量(相位裕度)是指開(kāi)環(huán)增益降至0dB時(shí)，開(kāi)環(huán)相位與180°的差值。為了確保環(huán)路穩(wěn)定，通常要求相位余量在50°～60°左右[3]。

3.2 MATLAB仿真

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖來(lái)判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，仿真結(jié)果如圖7所示。由仿真的相位余量伯德圖圖7可以看出，開(kāi)環(huán)增益降至0dB時(shí)，開(kāi)環(huán)相位與180°的差值為0.906°，理論上環(huán)路不穩(wěn)定。有資料為證，RC環(huán)路濾波器組成的鎖相環(huán)系統(tǒng)通常是不穩(wěn)定的，但截止頻率較大，如1kHz，100Hz時(shí)，增益沒(méi)有出現(xiàn)較大峰值，環(huán)路特性穩(wěn)定，而低于此頻率時(shí)出現(xiàn)較大峰值，環(huán)路特性不穩(wěn)定，即使環(huán)路特性穩(wěn)定，VCO輸出中也會(huì)出現(xiàn)比頻率較大的寄生成分，不能得到高純正度的輸出信號(hào)[4]。在本仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，由于截止頻率是4kHz，所以是能滿足穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)解調(diào)的。

實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，壓控振蕩器輸出是正常的10MHz信號(hào)，見(jiàn)圖8，仿真波形由上至下分別是FM信號(hào)、調(diào)制信號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)的10MHz正弦信號(hào)和壓控振蕩器輸出的10MHz信號(hào)。若人為的將壓控振蕩器輸出到鑒相器比較輸入端的信號(hào)去掉，那么測(cè)環(huán)路濾波器后，即壓控振蕩器輸入端(VCOIN)沒(méi)有解調(diào)信號(hào)，也就是說(shuō)不能實(shí)現(xiàn)解調(diào)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用Proteus虛擬軟件進(jìn)行FM調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，替代了硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)相關(guān)參數(shù)的更改，可以實(shí)現(xiàn)不同頻率的調(diào)制和解調(diào)，在功能上與硬件系統(tǒng)相同，既節(jié)約了成本，又解決了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備投資不足問(wèn)題，在提高同學(xué)對(duì)相關(guān)知識(shí)理解的同時(shí)也增強(qiáng)了同學(xué)們的動(dòng)手能力。