第一章 设计思路及方案在2DPSK 相干解调时，接收端需要产生一个和接收信号同频同相的本地载波，用以和接受的2DPSK 信号相乘，再经过一系列的处理还原AK 码。

该课程设计的目的就是要求从2DPSK 信号中提取载波。

载波同步的方法有两大类：一是在发送端的发送信号中插入一个专门导频正弦波，接收端提取出导频，利用此导频的频率和相位来决定本地载波的频率和相位，这类方法称为插入导频法；二是在接收端直接从发送信号中直接提取出载波，而不需要插入专门的导频，这类方法称为直接提取法。

直接法又有平方环法和科斯塔斯环法两种常见的方法。

用平方环法提取载波时，一种简单的原理方框图如图1-1所示。

本设计用锁相环PLL 代替窄带滤波器，由图1-2所示。

由于锁相环的输出信号具有良好的稳定、跟踪、窄带滤波和记忆性能。

在现代数字通信系统中得到广泛使用。

基本锁相环由鉴相器（PD ）、环路滤波器(LF)、压控振荡器(VCO)组成。

设接收信号为：t cos t m t S 0ω）（）（= 式中m （t ）为调制信号，它无直流分量。

这样在S （t ）中没有载频分量。

将此信号平方后，得到：2022t m 21t 2cos t m 21t ）（）（）（+=ωS 其中包含二倍的载频f0用窄带滤波器将此分量滤出，并经过二分频，就得出载频f0。

此信号中只包含有直流分量和2ω0频率成分，理论上对此信号再行隔直流和二分频处理就得到相干载波。

锁相环似乎是多余的，当然并非如此。

实际工程中考虑到下列问题必须用锁相环：平方电路不理想，其输出信号幅度随数字基带信号变化，不是一个标准的二分频正弦信号。

即平方电路输出信号频谱中还有其它频率分量。

必须滤除；接收机收到的2DPSK信号中含有噪声，因而平方电路输出信号中也含有噪声，必须用一个窄带滤波器滤除噪声；锁相环对输入电压信号和噪声相当于一个带通滤波器，我们可以选择适当的环路参数使带通滤波器带宽足够小；图1-1简单平方环原理方框图图1-2 平方环法提取载频原理方框图在现代数字接受机中，锁相环的具体电路可能大大有别于上图中的电路，但是其性能是等效的。

起到鉴相器作用的相乘电路可以用一组匹配滤波器代替，其中每个匹配滤波器的匹配特性具有稍微不同的相位偏置，其输出送给一个加权函数，使加权函数给出相位误差的估值。

看起来这样做很复杂，但是用数字信号处理技术则很容易实现。

又如，压控振荡器也可以用一个只读存储器实现，只读存储器的指针受一个时钟和误差估值器的输出联合控制。

反馈路径也可能不是连续的，可以每帧只进行一次相位矫正，或每组一次，视信号结构而定。

此外，在信息流中还可以加入一个特殊的已知符号序列作为“头”，以辅助估值过程。

它的工作过程如下：相位比较器把输入信号作为标准，将它的频率和相位与从VCO输出端送来的信号进行比较。

如果在他的工作范围内检测出任何相位差，就产生一个误差信号,这个误差信号正比于输入信号和VCO输出信号之间的相位差，通常是以交流分量调制的直流电平。

环路滤波器的作用是滤除误差电压Ue（t）中的高频分量及噪声，以保证环路所要求的性能，增加系统稳定性。

环路滤波器还产生Uc（t）去控制VCO,使VCO振荡频率向减小相位误差的方向改变，直至两者的频率相同，保持一个较小的剩余相差为止。

所以锁相就是压控振荡器VCO被一个基准电压信号控制，使得VCO输出信号的相位和基准信号的相位保持某种特定关系，达到相位同步或相位锁定的目的。

如果VCO的输出频率低于输入基准信号的频率，相位比较器的输出振幅为正，经滤波后去控制VCO，使其频率增加，直到两个信号的频率和相位精确同步。

相反，若VCO输出的频率高于输入基准信号，下面较详细地介绍它的捕捉过程和跟踪。

设VCO在没有输入信号控制时的固有振荡频率为ωο，加入输入信号后若输入信号频率ωi与ωi很接近，则相位比较器将输出这两个频率信号的差值，因其频率很低，它将顺利通过低通滤波器，然后加载到VCO输入端去作控制电压，VCO受此差拍调频，其中心频率仍为ωο。

调频信号又立即返回相位比较器中，在它的输出信号已具有一个直流分量，经过低通滤波器的积分作用取出来，再加到VCO输入端，从而使VCO得中心频率发生偏移。

这个偏移方向恰好是朝着输入信号频率ωi的方向移动，是相位比较器输出的差拍信号频率变得越来越低，相位差的直流分量也会越来越大。

这个逐渐变大的直流分量经低通滤波器后去控制VCO，以更快的速度使VCO得振荡频率趋向于ωi。

上述过程以极快的速度反复循环进行，直至从量变发生质变：VCO的振荡频率由原来的ωο变为ωi，环路在这个频率上稳定下来这时相位比较器的输出也由差拍波变为直流电压，环路进入锁定状态。

这种锁定状态是环路通过频率的逐步牵引而进入的，这个过程叫做捕捉过程。

若ωο与ωi的频差太大环路通过滤波的逐步牵引也可能始终进不了锁定状态，就称处于失锁状态。

这是因为ωi与ωο相差很大时，相位比较器输出的差拍电压的频率很高，它将被低通滤波器除掉，滤波器的输出电压基本上为0或保持不变，因此VCO的输出频率也保持ωο不变，这种将一直持续下去。

对于已锁定的环路，若输入信号的频率或相位稍有变化，立刻会在两个输入信号的相位差上反映出来，鉴相器的输出也会随着改变并驱动VCO的频率和相位以同样的规律跟着变化。

环路的这种状态称为跟踪状态。

因此可以说锁相环是一个相位自动控制系统，其锁定状态的取得是靠相位差的作用，锁定状态的维持也仍然依靠相位差的作用。

环路的自然谢振频率ω及阻尼系数ξ是两个重要的参数。

ω越小，环路的低通特性截止频率越小；等效带通滤波器的带宽越窄；ξ越大，环路稳定性越好。

第二章 单元电路设计2.1 平方模块平方模块就是将信源单元输入的2DPSK 信号进行放大，其电路如图2-1所示。

它主要是由模拟乘法器MC1496、三极管3DG6及多个电阻和电容构成。

2DPSK 信号从模拟乘法器1、4引脚和8、10引脚输入，从6脚输出平方信号，三极管3DG6射极输出起到缓冲作用。

设调制信号为m （t ），m （t ）中无直流分量，则抑制载波的双边带信号为t t m t s c ωcos )()(=接收端将该信号进行平方变换，即经过一个平方律部件后就得到：t t m t m t t m t e c c ωω2cos )(212)(cos )()(2222+==e （t ）经电容隔直滤波后只留下二倍的载波频率分量，即MU 信号。

图2-1平方模块电路图MC1496 是双平衡四象限模拟乘法器。

其引脚功能如下：引脚8 与10 接输入电压Ux，1 与4 接另一输入电压Uy，输出电压U0 从引脚6 与12输出。

引脚2 与3 外接电阻RE，对差分放大器VT5、VT6 产生串联电流负反馈，以扩展输入电压Uy 的线性动态范围。

引脚14 为负电源端（双电源供电时）或接地端（单电源供电使），引脚5 外接电阻R5。

用来调节偏置电流I5 及镜像电流I0 的值。

MC1496在自动控制、通信系统、信号处理等领域得到了广泛的应用。

具体应用有：平方运算和倍频、除法运算、平方根运算、均方根运算、压控增益、低电平调幅、同步检波、混频、相位鉴频等应用。

本次课程设计它用于平方运算和鉴相。

本模块该芯片主要实现对2DPSK信号进行平方运算。

2.2 模拟锁相环模块模拟锁相环由鉴相器（PD）MC1496、环路滤波器（LF）RC及压控振荡器（VCO）组成，原理图如图2-2所示，电路图如图2-3所示。

对于本模拟锁相环，ω、ξ、环路的等效噪声带宽B及等效低通滤波器的品质因数Q的计算结果如下：f=4.433ΜHZ,ω=2πf，ξ=5ΚΩ×2.2μF×0.5ω,B=ω(1+4ξ²﹚／8ξ,Q=f／BUo(t)图2-2锁相环方框图图2-3模拟锁相环电路图任何一个理想的模拟乘法器都可以用作鉴相器，本设计用MC1496作鉴相器。

1和2作为输入端把MU信号输入鉴相器，鉴相器把输入信号作为标准，将它的频率和相位与从电压输出端送来的VCO信号进行比较。

如果在它的工作范围内检测出任何相位（频率）差，就产生一个误差信号LF用来滤除乘法器输出的高频分量（包括和频及其他的高频噪声）形成控制电压uc (t)，在uc(t)的作用下、uo (t)的相位向ui(t)的相位靠近。

设ui(t)=Uisin[ωit+θi(t)]，u o(t)=U o cos[ωi t+θo(t)]，则u d(t)=U d sinθe(t)，θe(t)=θi(t)-θo(t)，故模拟锁相环的PD是一个正弦PD。

设u c (t)=ud(t)F(P)，F(P)为LF的传输算子，VCO的压控灵敏度为Ko，则环路的数学模型如图2-4所示。

图2-4模拟环数学模型当|θe(t) |≤π／6时，e d e d U t U θθ=)(sin ，令K d =U d 为PD的线性化鉴相灵敏度、单位为V/rad ，则环路线性化数学模型如图2-5所示。

图2-5环路线性化模型MC1496采用单电源供电，其双端输出至由UA741运算放大器构成的双端低频放大器，放大器的输出端有由R 、C 构成低通滤波即LF 。

VCO 压控振荡器由晶振、可调变容、变容二极管组成。

输出信号从3DG6放大器的集电极输入，发射极输出构成共基电路，实现电压放大，且输入与输出同相，具有输入阻抗低，输出阻抗高，频率特性好，常用于高频放大。

适合本设计，因为该模块晶振频率为4.433MHZ ，频率很高。

信号进入第二个晶体管构成共集电极电路，又称电压跟随器，起缓冲作用。

输出即是VCO 信号，VCO 反馈输入到模拟乘法器ＭC1496D 的8、10引脚，信号的处理上面已阐述。

2.2.1 鉴相模块鉴相模块的电路如图2-2-1所示。

该模块由模拟乘法器MC1496和UA741以及多个电阻电容组成。

图2-2-1鉴相器电路图2.2.2 环路滤波模块环路滤波器(LF) 是一个低通滤波器，其作用是滤除鉴相器输出电压中的高频分量,起平滑滤波的作用。

通常由电阻,电容或电感等组成,有时也包含运算放大器,电路图如图2-2-2所示图2-2-2环路滤波器模块3.2.3压控振荡器模块2.2.3压控振荡模块压控振荡器(VCO) 受环路滤波器输出电压的控制，使振荡频率向参考信号的频率靠拢，直到两者的频率相同，保持一个较小的剩余相差为止。

压控振荡器被一个外来的基准信号控制，使得压控振荡器输出信号的相位和外来的基准信号的相位保持某种特定关系，达到相位同步和锁定的目的，即把控制电压转换为相位，电路图如图3-2-3所示。

主要由两个三极管3DG6、晶体管、二极管、可调电容和电阻、电容组成。

图3-2-3压控振荡器模块3.3分频模块分频模块是系统的最后一个模块，经过该模块后我们就可以得到我们需要的CAR-OUT，即于提取出的载波。