基于Matlab的数字锁相环的仿真设计.docx_matlab实现锁相环,matlab锁相环资源-CSDN文库

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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

1932 年法国的 H.de 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。

1.1 选题背景与意义

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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（neural

network）、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，

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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，其历史很悠久。锁相环的方案是与负反馈放大

器同时提出的。在锁相环出现以前，几乎所有的无线接收机中都采用超外差方式。超外

差接收方式是由 E.H.Armstrong 于 1918 年发明的，接收机接收来的电波信号与接收机

内部振荡器产生的信号进行混频，从而得到较低频率的信号，即中频信号。再对中频信

号进行检波与放大，然后驱动扬声器发声。这就构成了高灵敏度而频率选择性优良的接

收机。然而，由于超外差接收机是由本振、混频、中频、放大器、检波器等组成的，其

构成很复杂，而且，本振需要使用频率漂移非常小的振荡器。 1932 年，法国的 H.de

Bellescize 提出采用 PLL 电路作为新的无线接收方式替代超外差方式，并发表了相关论

文。当时不使用 PLL 术语，而称为 Synchrodyne（同步接收机）。它是使内部振荡器与

接收的电波信号同步振荡，为此，原理上内部振荡器不会产生频率漂移，电路构成也比

较简单。20 世纪 50 年代，电视机实用化，电视机的垂直与水平同步电路广泛采用 PLL

电路。然而，当时还没有称之为 PLL 电路，而是根据其功能称为 AF（Automatic

Frequency Control，自动频率控制）。但是，由于技术上的复杂性以及较高的成本，

锁相环的应用并没有得到普及，应用锁相电路的领域主要在航天方面，包括轨道卫星的

测速定轨和深空探测，性能要求较高的精密测量仪器和通信设备有时也用到它。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，

这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

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￴￴￴￴288

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程显超

2023-09-28

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wanvzheguilai123

2024-04-17

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