实验二 数字锁相环实验
一、实验原理和电路说明
在电信网中，同步是一个十分重要的概念。
同步的种类很多，有时钟同步、比特同步等等，其最终目的使本地终端时钟源锁定在另一个参考时钟源上，如果所有的终端均采用这种方式，则所有终端将以统一步调进行工作。
同步的技术基础是锁相，因而锁相技术是通信中最重要的技术之一。
锁相环分为模拟锁相环与数字锁相环，本实验将对数字锁相环进行实验。
B
C
A
H
G
F E
D
本地时钟14336KHz 外部测试64KHz
倍频
÷63 ÷64
÷65
÷28
÷4
延时10ns 采样1
采样2
UM01：FPGA
TPMZ03
TPMZ05
图2.2.1 数字锁相环的结构
TPMZ04
TPMZ02
÷8
TPMZ01
数字锁相环的结构如图2.2.1所示，其主要由四大部分组成：参考时钟、多模分频器（一般为三种模式：超前分频、正常分频、滞后分频）、相位比较（双路相位比较）、高倍时钟振荡器（一般为参考时钟的整数倍，此倍数大于20）等。
数字锁相环均在FPGA 内部实现，其工作过程如图2.2.2所示。
A ：14336KHz
B ：448KHz
C ：64KHz E ：16KHz F ：16KHz 000111011/631/641/651/64
D ：16KHz (G, H)
可变分频器分频数
T1时刻
T2时刻
T3时刻
T4时刻
图2.2.2 数字锁相环的基本锁相过程与数字锁相环的基本特征
在图2.2.1，采样器1、2构成一个数字鉴相器，时钟信号E 、F 对D 信号进行采样，如果采样值为01，则数字锁相环不进行调整（÷64）；如果采样值为00，则下一个分频系数为（1/63）；如果采样值为11，则下一分频系数为（÷65）。
数字锁相环调整的最终结果使本地分频时钟锁在输入的信道时钟上。
在图2.2.2中也给出了数字锁相环的基本锁相过程与数字锁相环的基本特征。
在锁相环开始工作之前的T1时该，图2.2.2中D 点的时钟与输入参考时钟C 没有确定的相关系，鉴相输出为00，则下一时刻分频器为÷63模式，这样使D 点信号前沿提前。
在T2时刻，鉴相输出为01，则下一时刻分频器为÷64模式。
由于振荡器为惯性方式，因而在T3时刻，鉴相输出为11，则下一时刻分频器为÷65模式，这样使D 点信号前沿滞后。
这样，可变分频器不断在三种模式之间进行切换，其最终目的使D 点时钟信号的时钟沿在E 、F 时钟上升沿之间，从而使D 点信号与外部参考信号达到同步。
在该模块中，各测试点定义如下：
1、 TPMZ01：本地经数字锁相环之后输出时钟（56KHz ）
2、 TPMZ02：本地经数字锁相环之后输出时钟（16KHz ）
3、 TPMZ03：外部输入时钟÷4分频后信号（16KHz ）
4、 TPMZ04：外部输入时钟÷4分频后延时信号（16KHz ）
5、 TPMZ05：数字锁相环调整信号
注：以上测试点通过JM05测试头引出，测量时请在测试引出板上进行。
JM05的排列如下图所示：
TPMZ01□□TPMZ02
TPMZ03□□TPMZ04
TPMZ05□□TPMZ06
TPMZ07□□
地□□
二、实验仪器
1、Z H5001通信原理综合实验系统一台
2、20MHz双踪示波器一台
3、函数信号发生器一台
三、实验目的
1、了解数字锁相环的基本概念
2、熟悉数字锁相环与模拟锁相环的指标
3、掌握全数字锁相环的设计
四、实验内容
准备工作：将调制方式设在BPSK方式，用函数信号发生器产生一个64KHz的TTL方波信号送入数字数字信号测试端口J007（实验箱左端）。
1.锁定状态测量
用示波器同时测量TPMZ03、TPMZ02的相位关系，测量时用TPMZ03同步；在理论上，环路锁定时该两信号应为上升沿对齐。
2.数字锁相环的相位抖动特性测量
数字锁相环在锁定时，输出信号存在相位抖动是数字锁相环的固有特征。
测量时，以TPMZ03为示波器的同步信号，用示波器测量TPMZ02，仔细调整示波器时基，使示波器刚好容纳TPMZ02的一个半周期，观察其上升沿。
可以观察到其上升较粗（抖动），其宽度与TPMZ02周期的比值的一半即为数字锁相环的时钟抖动。
3.锁定频率测量和分频比计算
将函数信号发生器设置在记数状态（频率计）。
参见数字锁相环的结构如图2.2.1数字锁相环的结构，测量各点频率。
记录测量结果，计算分频比。
4.锁定过程观测
（1）用示波器同时观测TPMZ03、TPMZ02的相位关系，测量时用TPMZ03同步；复位通信原理综合实验系统，则FPGA进行初始化，数字锁相环进行重锁状态。
此
时，观察它们的变化过程（锁相过程）。
（2）用示波器测量TPMZ05波形，复位通信原理综合实验系统，观察调整的变化过程。
5.同步带测量
（1）用函数信号发生器产生一个64KHz的TTL信号送入数字信号测试端口J007。
用示波器同时测量TPMZ03、TPMZ02的相位关系，测量时用TPMZ03同步；正常
时环路锁定，该两信号应为上升沿对齐。
（2）缓慢增加函数信号发生器输出频率，直至TPMZ03、TPMZ02两点波形失步，记录下失步前的频率。
（3）调整函数信号发生器频率，使环路锁定。
缓慢降低函数信号发生器输出频率，直至TPMZ03、TPMZ02两点波形失步，记录下失步前的频率。
（4）计算同步带。
6.捕捉带测量
（1）用函数信号发生器产生一个64KHz的TTL信号送入数字信号测试端口J0007。
用示波器同时测量TPMZ03、TPMZ02的相位关系，测量时用TPMZ03同步；在理
论上，环路锁定时该两信号应为上升沿对齐。
（2）增加函数信号发生器输出频率，使TPMZ03、TPMZ02两点波形失步；然后缓慢降低函数信号发生器输出频率，直至TPMZ03、TPMZ02两点波形同步。
记录下
同步一刻的频率。
（3）降低函数信号发生器输出频率，使TPMZ03、TPMZ02两点波形失步；然后缓慢增加函数信号发生器输出频率，直至TPMZ03、TPMZ02两点波形同步。
记录下
同步一刻的频率。
（4）计算捕捉带。
7.调整信号脉冲观测
（1）用函数信号发生器产生一个64KHz的TTL信号送入数字数字信号测试端口J0007。
用示波器观测数字锁相环调整信号TPMZ05处波形。
（2）增加或降低函数信号发生器输出频率，观测TPMZ05处波形的变化规律。
五、实验报告
1、画出数字锁相环的锁定过程。
2、画出各测量点的波形。
3、分析总结数字锁相环与模拟锁相环同步带和捕捉带的大致关系。