基于MATLAB平臺的鎖相環應用實例教學研究

牛曉偉，陳立萬，陳強，謝輝

摘要：針對鎖相環與頻率合成技術課程理論性強、數學推導過程復雜、模型多、學科知識交叉、應用廣泛等特點，提出將MATLAB代碼仿真、圖形化界面和PLL原理相結合，并給出具體應用實例的實驗教改方法。實踐表明，教學實踐取得了良好的效果。

關鍵詞：鎖相環；鎖相技術；頻率合成

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）37-0048-02

一、鎖相環課程現狀分析

鎖相技術課程是我國高校信息與電子工程學科一門工程性和綜合性都很強的專業基礎課。對學生的要求比其他課程高得多，用傳統的教學方法學生課上只是被動地聽教師講課，課下沒能認真的理解概念和過程，對鎖相環的理解不夠深刻，實驗環節給出通用單片集成鎖相芯片給予管腳配置和說明，連接相關硬件電路，按講義配置相關參數，得到鎖相環的一般通用性結論，使得學習積極性仍得不到最大程度的調動，對鎖相環捕獲、同步、鎖定、失鎖、同步帶、快捕獲帶等相關概念沒有一個很好的全面深刻的認識，往往達不到很好的效果，同仁對鎖相技術這門課做了很多教學上的改革。如聶翔等人通過針對鎖相技術課程采用雙語教學的方法，對如何在高等工程教育中融入雙語授課、提高雙語教學效果進行了有益探討。孫嬌燕在將計算機引入鎖相技術課程的教學中，用計算機來模擬鎖相環路的捕捉過程和對其進行穩定性分析。浙江工商大學信息與電子工程學院采用更加生動形象的PPT課件、Matlab應用軟件、虛實結合的實驗模式等多種輔助教學手段來改革傳統的教學思路，這些方法在一定程度上提高了學生的積極性，豐富了教師上課的方式和教學互動的內容，提高了效率。但存在著以下幾個方面的問題：①鎖相課程理論性強，數學公式及圖形表示多，看懂公式是第一步，配合圖形了解環路實際運行狀態才是最重要的。學生在學習過程中，除了看懂公式以及了解圖形大概所呈現的意思外，對兩者之間的聯系很難有更深的理解和認識，在理解和掌握過程中產生了與知識的脫節。②鎖相課程中涉及到其他學科的內容比較多，學生在學習過程中由于基礎知識不扎實，很多知識容易混淆，甚至根本理解不清楚。而鎖相應用實驗又必須涉及相關知識，缺乏一種以具體應用實例為參考的教學模式。如：調制跟蹤、載波跟蹤、同步解調、信號的跟蹤、濾除噪音、2FSK信號的調制解調。③學生對鎖相過程及應用不能獨立的編程實現相關功能，說明對鎖相捕獲、鎖定、跟蹤、頻率牽引過程沒有真正的想清楚，并落實到每一步，想不清楚就寫不出算法步驟，自然就似懂非懂。

二、引入MATLAB，將公式轉化為形象的圖形過程

將Matlab引入至鎖相技術的理論及實踐教學中，從一開始就樹立處處仿真的獨立意識。在教學過程中，采用Matlab工具作為輔助教學手段，要求學生自己動手運用Matlab軟件強大的圖形功能將理論公式轉化為更形象的圖形表述。通過這個過程，學生可以更好地理解公式所要表達的意思以及從圖形中可以進一步加快和加深對公式的理解和認識，將死記硬背公式的方式轉化為以理解公式和圖形為主的方法。減少學生在學習過程中的困難，使學習內容更形象具體，便于理解。使學生對鎖相技術的基本概念、性質、方法等有更加透徹的理解，提高鎖相技術課程的教學質量。

三、應用仿真例證分析

要求仿真正弦波的跟蹤過程，僅加入高斯白噪聲，原正弦波為exp（j*w0t），恢復出的NCO波形為exp（-j*w0t），兩者相互補償使鑒相器的輸出趨于0，穩定后鑒相輸出為0，環路濾波器的輸出為輸入信號的初相。

部分代碼如下：

clear all；

theta=60*pi/180；

f=70e3；fs=8.5e3；

k=1：1：1000；delf=0；

cpx=exp（j*（2*pi*k*（f+delf）/fs+theta））+0.2*（rand（1，length（k））+j*rand（1，length（k）））；

for n=2：length（cpx）

nco（n）=conj（exp（j*（2*pi*n*f0/fs+phi_hat（n-1））））；

phd_output（n）=imag（cpx（n）*nco（n））；

phd_output（n）=asin（imag（cpx（n）*nco（n）））；

phd_output（n）=atan（imag（cpx（n）*nco（n））/real（cpx（n）*nco（n）））；

index_stop=1000；

subplot（411），plot（1：index_stop，phd_output（1：index_stop）），ylabel（'Ph.Det.'）；title（'鑒相輸出'）；

subplot（412），plot（1：index_stop，C（1：index_stop）/kp），ylabel（'Est. Phs.'）；title（'積分輸出輸出'）；

subplot（413），plot（1：index_stop，e（1：index_stop）*180/pi），ylabel（'Est.Phs.'）；title（'環路濾波輸出'）；

subplot（414），plot（1：index_stop，phi_hat（1：index_stop）*180/pi），ylabel（'Est.Phs.'）；title（'相位輸出'）；

subplot（3，1，1），plot（1：index_stop，phd_output（1：index_stop）），ylabel（'Ph. Det.'）；

subplot（3，1，2），plot（1：index_stop，real（nco（1：index_stop）），1：index_stop，real（cpx（1：index_stop））），

ylabel（'RE-PLL'）；subplot（3，1，3），plot（1：index_stop，phd_output（1：index_stop），'-v'，1：index_stop，

50*C（1：index_stop），'-+'），ylabel（'Ph. Det.'）；title（'鑒相輸出'）；

四、實驗教學效果分析

通過在鎖相實驗課上應用MATLAB實例教學分析，學生一致認為此種教學方式比傳統的基于單片集成芯片的硬件教學模式要生動形象。而且由于是計算機仿真教學，加深了對鎖相基本概念和MATLAB圖形化命令的操作模式，而且也鍛煉了學生的編程能力，以具體實例來引導學生加深對鎖相環鑒相器、環路濾波器及壓控振蕩器各部件功能的理解，便于激發學生學習鎖相環這門課程的積極性，將死記硬背公式和概念轉化為具體形象的實際應用。

參考文獻：

[1]張厥盛，鄭繼禹，萬心平.鎖相技術[M].西安電子科技大學出版社，2010：13-18.

[2]孫嬌燕.將計算機引人“鎖相技術”課程教學的嘗試[J].交通高教研究，1993，（3）：55-59.endprint