對基于Simulink的數字鎖相環調頻器研究與設計分析

摘 要：鎖相環在現代通信系統中的應用極為廣泛，如調頻和解調技術，壓控振蕩器、環路低通濾波器、鑒相器則屬于鎖相環的主體構成，基于此，本文采用Simulink仿真平臺開展了數字鎖相環調頻器研究，最終驗證了其具備的閉環信號跟蹤特性。

關鍵詞：Simulink；數字鎖相環調頻器；數字信號

前言：無論是現代數字傳輸網絡，還是傳統的模擬通信系統，鎖相環的應用均能夠較好滿足信息化社會的發展需要，這種需要的滿足與鎖相環的優良的信號跟蹤等特性存在直接聯系，而為了保證鎖相環能夠更好服務于頻率的調制和解調，正是本文圍繞數字鎖相環調頻器開展具體研究的原因所在。

1.原理分析

一連串離散采樣點序列屬于數字鎖相環信號的表現形式，且每個樣點信息為無量綱的數字量。數字鎖相環一般由DPD、DLF、NCO組成，分別代表數字鑒相器、數字環路濾波器、數控振蕩器，輸入信號、本地估算序列、相位校正序列、相位誤差序列同樣屬于數字鎖相環的重要組成部分。值得注意的是，當數控振蕩器必須輸出一個相位樣點時，必須適當延時反饋環路的信號序列。

2.Simulink仿真

2.1 2-FSK信號調制器

圖1為2-FSK信號調制器仿真圖，結合該圖不難發現，數控振蕩器輸出實數類型的信號，即2-FSK信號。但由于現代數字通信的數據信號產生、發送、接收多采用二維（復數）形式，因此實數類型的2-FSK信號需要轉換為二維復指數形式，通過這種轉換即可最終獲得調制信號。進一步分析圖1不難發現，運用鎖相環的調制端采用了數字乘法器作為鑒相器，并采用了10000Hz的采樣頻率。數字乘法器擁有兩個輸入端，分別輸入數控振蕩器的反饋數字振蕩信號、離散載波信號。圖1中采用的載波頻率、采樣頻率（離散正弦信號）分別為1000Hz、10000Hz。為濾除數字信號中的噪聲和高頻成分，環路數字低通濾波器需要輸入數字乘法器的輸出信號[1]。

無限沖擊響應低通濾波器、有限沖擊響應低通濾波器屬于常用的濾波器類型，二者均可作為環路數字低通濾波器。數字鎖相環一般采用無限沖擊響應低通濾波器，但考慮到具備方便靈活特點的數字實現方式，有限沖擊響應低通濾波器同樣能夠為數字鎖相環提供服務。圖1所示仿真圖的環路數字低通濾波器采用了六階切比雪夫二型無限沖擊響應低通濾波器，其通帶截止頻率、阻帶截止頻率分別為2000Hz與5000Hz。

為實現數控振蕩器的輸出信號控制，數字鎖相環調頻器的到數控振蕩器控制電壓需要插入數字基帶信號。結合圖1不難發現，2-FSK信號調制器采用了相加處理的方式，通過將環路數字低通濾波器輸出信號與基帶數字信號相加，得到了數控振蕩器控制電壓。在數控振蕩器輸入數字控制電壓后，數控振蕩器會自動輸出對應的數字正弦信號，其輸出信號一方面作為調制完成的信號輸出，另一方面則需要輸入數字乘法器的一端（作為反饋信號）。由于輸出的信號為實數形式，因此需要進行復數信號形式的轉換，轉換需采用模塊，由此即可最終得到復數信號形式的調制信號。值得注意的是，在數字鎖相環反饋回路中，數字序列延時器屬于其中的重要環節，如圖1中的“Tapped Delay”，其頻率、延遲數分別為10000Hz與1。

2.2 2-FSK信號調解器

圖2為2-FSK信號解調器仿真圖，結合該圖不難發現，鎖相環被用于信號的解調，信號載頻f1與鎖相環路的穩定靜態中心頻率相同，由此即可使鎖相環輸入信號（2-FSK）與離散壓控振蕩器輸出信號間產生不同的相位差效果。在離散壓控振蕩器輸入端（環路低通濾波器輸出端），相位差信號會對應輸入信號頻率變化產生電壓變化信號，如輸入信號載頻為f1，鎖相環中心頻率f1上會將信號鎖定，當其為f2時，鎖相環失鎖。依次獲得解調的基帶序列信號并進行抽樣判決，即可最終獲得數字基帶信號（輸入信號的解調信號）[2]。

解調開始，數字鎖相環鑒頻器的一個輸入端需要輸入復數形式的信號（2-FSK），該信號由對應的信號產生模塊產生，采用數字乘法器作為鑒相器，采用10000Hz的采樣頻率。離散壓控振蕩器的反饋輸出由數字乘法器接收，圖2采用了離散壓控振蕩器，其參數設置包括輸出幅度、輸入靈敏度、采樣時間、靜態中心頻率、初始相位，分別為1、1Hz/V、0.0001s、1000Hz、0。

數字乘法器可輸出初步解調信號，該信號含有高頻成分，其輸出信號的濾波采用環路低通濾波器，圖2采用了二階切比雪夫二型數字低通濾波器，通帶截止頻率、阻帶截止頻率分別設置為48Hz與2000Hz。信號增益模塊輸入信號需經濾波處理，采樣時間設為0.01s，該模塊的輸出信號需輸入復數信號幅度相位提取模塊，由此實現相位信號提取、高頻成分衰減。為調節離散壓控振蕩器輸出信號頻率，復數信號幅度相位提取模塊需要進行復數控制信號處理，以此完成實數控制信號轉換。進一步仿真可以發現，抽樣判決的離散VCO控制電壓處理，可最終獲得解調信號。

結論：綜上所述，數字鎖相環調頻器的研究具備較高現實意義，在此基礎上，本文涉及的仿真分析，則進一步證明了數字電路實現鎖相環具備的廣闊發展前景，而為了更好推動鎖相環發展，其門限、窄帶濾波、跟蹤特性的利用必須得到重視。

參考文獻：

[1]韓偉，王艷秋，江超.BH1417鎖相環調頻廣播發射器設計[J].中國科技信息，2015（05）：191-192.

[2]史凱運，雷振亞，侯建強.鎖相環產生具有高線性度三角調頻信號的方法[J].電子科技，2015，28（02）：147-149.

作者簡介：

張瑜（1997-），女， 陜西省延安市人，漢族，學生，在讀本科生，研究方向：微電子。