文档介绍：基于Matlab的数字锁相环的仿真设计
摘要:锁相环是一个能够跟踪输入信号相位变化的闭环自动跟踪系统。它广泛应用于无线电的各个领域,并且,现在已成为通信、雷达、导航、电子仪器等设备中不可缺少的一部分。然而由于锁相环设计的复杂性,用SPICE对锁相环进行仿真,数据量大,仿真时间长,而且需进行多次仿真以提取设计参数,设计周期长。本文借助于Matlab中Simulink仿真软件的灵活性、直观性,在Simulink中利用仿真模块搭建了全数字锁相环的仿真模型。先借助模拟锁相环直观形象、易于理解的特点,通过锁相环在频率合成方面的应用,先对模拟锁相环进行了仿真,对锁相环的工作原理进行了形象的说明。在模拟锁相环的基础上,重新利用仿真模块搭建了全数字锁相环的仿真模型,通过仿真达到了设计的目的,验证了此全数字锁相环完全能达到模拟锁相环的各项功能要求。
关键词:锁相环,压控振荡器,锁定,Simulink,频率合成,仿真模块
1 引言
Bellescize提出同步捡波的理论,首次公开发表了对锁相环路的描述。到1947年,锁相环路第一次应用于电视接收机的水平和垂直扫描的同步。到70年代,随着集成电路技术的发展,逐渐出现集成的环路部件、通用单片集成锁相环路以及多种专用集成锁相环路,锁相环路逐渐变成了一个成本低、使用简便的多功能组件,为锁相技术在更广泛的领域应用提供了条件。锁相环独特的优良性能使其得到了广泛的应用,其被普遍应用于调制解调、频率合成、电视机彩色副载波提取、FM立体声解码等。随着数字技术的发展,相应出现了各种数字锁相环,它们在数字信号传输的载波同步、位同步、相干解调等方面发挥了重要的作用。而Matlab强大的数据处理和图形显示功能以及简单易学的语言形式使Matlab在工程领域得到了非常广泛的应用,特别是在系统建模与仿真方面,Matlab已成为应用最广泛的动态系统仿真软件。利用MATLAB建模可以快速地对锁相环进行仿真进而缩短开发时间。
选题背景与意义
Matlab是英文MATrix LABoratory(矩阵实验室)的缩写。1980年,时任美国新墨西哥大学计算机系主任的Cleve Moler教授在给学生讲授线性代数课程时,为使学生从繁重的数值计算中解放出来,用FORTRAN语言为学生编写了方便使用Linpack和Eispack的接口程序并命名为MATLAB,这便是MATLAB的雏形。经过几年的校际流传,在John Little的推动下,由John Little 、Cleve Moler和Steve Bangert合作,于1984年成立了MathWorks公司,并正式推出MATLAB
第一版。以后,MATLAB版本不断更新,内容不断扩充,功能也越来越强大,并以其强大的扩展功能为其在各个领域的应用提供了基础。如今各个领域的专家学者相继推出了Matlab工具箱,其中主要有信号处理(signal processing)、控制系统(control system)、神经网络(work)、图形处理(image processing)、鲁棒控制(robust control)、非线性系统控制设计(nonlinear control system disign)、系统辨识(sys identification)、最优化(optimisation)、μ分析与综合(μ analysis and synthesis)、模糊逻辑(fuzzy logic)、小波(wavelet)、样条(spline)等工具箱、而且工具箱还在不断增加。这些工具箱给各个领域的研究和工程应用提供了有力的工具、借助于这些“巨人肩上的工具”,各个层次的研究人员可直观、方便地进行分析、计算及设计工作。
Simulink是Matlab的重要组成部分,它是MathWorks公司于20世纪90年代开发的产品,是Matlab环境下对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包。它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统,也支持具有多种采样频率的系统,Simulink包含有Sinks(输入方式)、Source(输入源)、Linear(线性环节)、Nonlinear(非线性环节)、Connections(连接与接口)和Extra(其他环节)子模型库,而且每个子模型库中包含有相应的功能模块,且用户可以定制和创建用户自己的模块。在该软件环境下,用户可以在屏幕上调用现成的模块,并将它们适当连接起来以构成系统的模型,即所谓的可视化建模。建模以后,以该模型为对象运行simulink中的仿真程序,可以对模型进行仿真,并可以随时观察仿真结果和干预仿真过程。Simulink由于功能强大、使用简单方便,已成为应用最为广泛的动态系统仿真软件。
锁相环是继IC之后出现的新技术,其历史