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论文写作模式-基于不同载噪比的锁相环跟踪环路噪声分布研究

作者:学术家 发布时间:2021-04-23 13:25 www.qmjij.com

   进入21世纪以来,随着科学技术和生产力水平的提高,电子通信产品大量涌入市场,相应地人们对电子产品的需求也不断增加。锁相环技术被广泛地运用到通信系统中去,是信息领域新钻研的一门专门研究相位关系的技术,可以对相位进行自动化的控制,而且可经过相位的自动调节作用来使两个相位一直维持同步统一,这一任务的实现主要是通过锁相环的负反馈系统来实现的。锁相环技术之所以近年来被广泛地运用到航天、电视、通信等各个领域中去,是因为其高质量高速度地对信号进行提取、跟踪和同步,因此被广泛地运用到电子设备中去,成为电子设备的常用部件之一。接收机观测精度受一系列因素的影响。限制接收机精度的最重要因素是跟踪环路噪声,本文主要研究热噪声、动态应力噪声、Allan方差噪声和外界环境振动引起的噪声。因此,研究噪声的分布有利于锁相环的改进。

 
  本文基于不同载噪比的锁相环跟踪环路噪声进行了阐述,并对其中各组成部件的噪声做了较为具体的展开描述,得到了不同噪声的分布情况。
 
  在现代电子通信领域中,锁相环被普遍用于模拟、数字或是模数混合电路系统之中,并且起着不可或缺的作用。例如:在通信系统中,主要在接收机处起作用,当接收到众多信息时,能够从中提取多个时钟的相位信息,进而对信息进行处理;也可以将两个时钟信号进行相位同步,此过程就称为锁相。锁相环是在反馈原理的基础上建立的自动控制系统,可根据系统输出变化的信息来进行控制,例如,在电视机接收信号时,会受到多种因素的干扰,将锁相环运用于电视生产线中,使其同步信号的接收得以稳定;到上世纪中叶,多国大力发展航空事业,锁相环在其中发挥着举足轻重的作用,像信号的跟踪、收发等;接着传统的纯模拟锁相环出现了明显的不足,数字电子技术应运而生,改变了锁相环的可靠性,使得锁相环在多领域、多设备中起着举足轻重的作用;到了21世纪的今天,锁相环已广泛用于各个领域,与空间技术的结合,使得锁相环技术涵盖了大到通信、雷达,小到计算机、家用电器的使用。总而言之,锁相环已与我们生活息息相关,是电子通信产品不可或缺的一部分。
 
  锁相环技术由最初的模拟信号发展到现在常用的模数混合信号和全数字信号,同时锁相环回路的阶数由二阶上升到如今到三阶、多阶,未来更多不同锁相环将被制造和应用,在通信系统中已起着不可或缺的作用。但是,不同场景对锁相环提出了不同的要求,已知现有的锁相环产品需改变产业结构,向轻量化、低成本方向发展,以节约资源。锁相环系统的不同性能会受到各种干扰的影响,其中,由于噪声的种类多,且在锁相环的不同部位产生影响,使得锁相环的跟踪性能降低,噪声又是随机信号,使环路捕获变得困难。因此研究噪声(热噪声、动态应力噪声、Allan方差噪声、外界环境振动引起的噪声)的分布情况有助于改善锁相环回路的综合性能指标,促进锁相环技术的安全、准确度,也可以优化锁相环产品结构,以充分利用资源,保护环境,对电子通信行业的发展具有推动作用。
 
  1.2锁相环技术国内外研究现状
 
  1.2.1锁相环概述
 
  锁相环(PLL:Phase-lockedloops),它的功能是使锁相环的输出时钟与外部参考时钟同步。若参考时钟的频率或相位变化,将会被锁相环回路检测到,比较后,锁相环的输出频率或相位被调节至与参考时钟的信号相同,这就实现了锁相,而这个过程就是反馈控制。
 
  锁相环包含三个主要的部分:
 
  (1)鉴相环(记为PD或PC):相当于一个比较器,比较的是输入信号的相位和基准信号的相位,该部分的输出电压会受到这两个信号的相位差的影响。
 
  (2)低通滤波器(记为LPF):是环路中的线性电路,能够滤除鉴相环的输出电压中的高频分量,起平滑滤波的作用。可由R、C、L或运算放大器等多种组和[1]。
 
  (3)压控振荡器(记为VCO):该环节的振荡频率随振荡器控制电压的变化而变化,且二者之间符合线性变化规律。在锁相环中的控制电压被压控振荡器转换为相位[2]。
 
  图1.1锁相环结构图
 
  锁相环在不同领域中都起着不可替代的作用,像无线通信、现在的数字电视、普通的广播等都有锁相环的存在。具体的应用领域包括:无线通信系统收发模块(Transceiver)、数据及时钟恢复电路(ClockandDataRecovery-CDR)、频率综合电路(Frequencysynthesizer)、跳频通信(Frequency-hoppingspreadspectrum-FHSS)、数字电视接收机等。
 
  按照锁相环环路信号的不同,可分为模拟锁相环回路(AnalogPLL)和数字锁相环回路(DigitalPLL);按照锁相环反馈回路的不同,可以分为整数倍分频锁相回路(Integer-NPLL)和分数倍分频锁相回路(Fractional-NPLL);按照内部鉴频鉴相器的完成方式,可以分为电荷泵锁相环锁相回路(Charge-PumpPLL)和非电荷泵锁相回路;按照锁相环环路的带宽的不同,可划分为宽带锁相回路(WidebandloopPLL)和窄带锁相回路(NarrowbandloopPLL)。
 
  1.2.2国内外研究现状
 
  锁相技术是由自动控制系统理论中频率和相位控制结合产生的。对该实践体系的探究最早可追溯到上世纪30年代,由数学相关知识产生萌芽,由自动控制理论为基础开始发展。接下来的十年间,对锁相环技术的数学描述得到完善,伴随着同步检测技术的发展,使得锁相技术在同步接收机中得以运用,但由于当时的局限性和高成本的缘由,并没有被广泛采用。在20世纪40年代初,在黑白电视机中运用锁相环技术可以使被外部噪声影响的同步信号的得以稳定,进而在屏幕上产生稳定清楚的画面,在不久后的多色电视中应用的是带有同步彩色脉冲串的锁相电路。以此为契机,锁相环技术的发展道路向前跨出了一大步,。到了20世纪中叶,空间技术的出现进一步推动了锁相环技术的发展,科学家将锁相环技术运用于导弹中,相继又发表了有关锁相环理论的文献资料,对锁相环环路的设计提出了各种优化措施。
 
  60年代初,相关人员在锁相环环路的非线性研究中取得了巨大进展,在此时期,众多学者发表了与之相关的学术论文,其中基于无噪声的锁相环研究论述曾轰动一时。刚开始碍于技术水平低下和成本高昂的起因,用分立元件搭建锁相环,致使锁相环仅在航天、航空、军事和精密测量等得到应用。1965年,人们受到集成电路技术和半导体技术的启发,研发并制造出了锁相环芯片,标志着锁相环成本高的问题得到解决。最初的锁相环只由各种模拟电路组成,当工作环境稳定时,各个模块才是线性的,这种锁相环的环路特性主要取决于鉴相器的特性,具体可用于对信号的调制,尤其是对载波信号有不错的跟踪性能。
 
  到了70年代,人们对锁相环的研究日新月异,开始对二阶、高阶锁相环进行分析,这其中涉及了线性与非线性的论述。接着数字电子技术的产生和发展,人们对锁相环技术的理论和应用向着更深层次和多方面发展。数字电路开始用在锁相环环路中,出现了将数字电路和模拟电路混合的混合锁相环环路,由于其优越的性能,逐渐代替了刚开始的纯模拟锁相环环路。为了应对已有的问题和隐患,像用于建造设备的费用高昂、设备的性能存在缺陷等,各大厂家开始在集成电路方面投入更多,使产品的性价比逐渐提高。要做到这些,就要求开发设计者针对压控振荡器和高频率的分频器进行相应的革新,相关人员也日以奋进地寻找改进措施,如将压控振荡器和分频器中原本的串接换成堆叠结构,现在已经有工作频率达50GHz的锁相环。集成锁相环路的问世,标志着锁相环被应用于工业领域[3]。
 
  2003年6月,跨国公司国家半导体推出高操作频率的锁相环系列,即LMx243x芯片,此款产品普遍用于移动电话或基站等,使语音或视频信号更加稳定,且做到了低功耗、超低的相位噪声。之后两年,该公司又推出LMX2531芯片,获得当时业界最低相位噪声的称号,工作频率起于756MHz高至2790MHz,多用于无线传输、网络设施中、手机及卫星的接收端、汽车电子系统和测试仪表等产品中。在2004年5月,美国模拟器件公布了一款高频率、高集成度的集成数字锁相环芯片ADF4106,它有着高达6GHz的工作频率,该芯片与合适的集成电路和外围电路相组合,即可构成一个完整的频率合成器,可在无线发射机和接收机中,为上下变频提供振动信号。
 
  2007年,一款全新独特的锁相环系列产品诞生,与以往锁相环不同的是该产品采用了差分压控振荡器和电荷泵,这样设计的目的是为了抑制衬底噪声对压控振荡器的影响,从而使环路噪声对锁相环环路的影响降低;使输出时钟信号保持0.25的占空比且与振荡器同频,这是差分压控振荡器的又一大亮点,由于这样的设计省略了倍频振荡的使用,致使功率的损耗降为此前压控振荡器的25%,值得自豪的是该产品由我国上海浩凯微电子有限公司研发。尽管,我国国内仅有少数企业掌握着锁相环的核心技术,自主研制产品也出名,但经过国内科研人员的不懈奋斗,渐渐地赶上了世界的脚步,在芯片设计方面,集成度更高,功耗、费用明显降低。最明显的是在我国,已经形成了完整的系列,这标志着我国锁相核心技术和关键技术方面,已经跻身世界先进水平。
 
  数字电路技术的发展为锁相环技术的发展提供了动力,并且弥补了最初纯模拟锁相环的劣势。数字电子产品不易受噪声干扰的影响,且易于调控、修正,利于实现自动控制,数字电子技术的引用提高了锁相环环路的可靠性,实现了锁相环环路向性能强、体积小、成本低的转变,锁相环产品也如雨后春笋般得涌现在全球市场。当气候环境条件发生变化时,锁相环环路的实时处理能力会受到严重影响,而锁相环环路的实时处理能力从开始至今都是锁相环技术发展创新的主要发展方向和核心发力点。数字锁相环环路控制的电压是分离且分散的,其控制信号也是离散的,并不是连续的[4]。锁相环技术已经发展了快一百年,成为了一门系统的理论科学,已经出现在各种电器和大型设备之中,与人们的生活息息相关。
 
  1.3论文研究的目的和意义
 
  锁相环环路的性能主要由相位噪声(Phasenoise)和动态性能(Dynamics)决定。本文主要研究锁相环环路噪声的分布,由于环路噪声普遍存在于通信系统之中,且严重影响通信系统的性能,因此设计锁相环时,对环路噪声有着明文规定的指标要求。锁相环环路的动态性能决定的是同步参考源的速度和精度,以及在跟踪参考源时速度和精度的方位大小。总之,在不同条件下,不同噪声的大小不同,相应地需要的噪声和需要消除的噪声也不尽相同。研究锁相环不同环路噪声的分布情况,有助于依据不同背景条件对锁相环进行改造,提高其抗干扰能力,也可以针对不同噪声,采取不同的抑制措施,提高系统的严谨性、准确度[5]。
 
  1.4论文的研究内容
 
  首先,载噪比是用来衡量锁相环性能的重要参数,也是影响锁相环信号处理的控制量[6],通常记作c/no(dB-Hz)或者C/No。当提高载噪比时,系统网络的可靠性、接收率、通信质量就会提高。载噪比可作为通信信道质量的标尺[7]。载噪比的dB-Hz单位换算公式为:c/no=10lg(C/No)。噪声干扰可分为两大类,即内部干扰和外部干扰。内部干扰主要是锁相环环路内部器件本身的发热或外界的条件影响所产生的,主要噪声源是压控振荡器;外部干扰是随输入信号一起进入环路。由于噪声干扰的存在,使得环路捕获变得困难,跟踪性能降低,环路输出相位产生的抖动又会产生新的噪声。综上所述,分析锁相环环路噪声的分布情况是很有必要的,它对锁相环环路的优化设计与性能测评是不可缺少的,可以针对噪声,采取直接有效的抑制措施。本文主要分析当视线方向加速度为1g,载噪比分别取25dB-Hz、30dB-Hz、35dB-Hz、40dB-Hz,锁相环跟踪环路不同噪声分布情况。
 
  第二章噪声分布研究
 
  2.1环路噪声分类
 
  锁相环(PhaseLockedLoop,PLL)会受到一系列因素的影响。主要是环路噪声,包括热噪声、动态应力噪声、Allan方差噪声和外界环境振动引起的噪声。热噪声和动态应力噪声主要影响接收信号和复制信号之间的相关性[8],而Allan方差噪声和外界环境振动引起的噪声对压控振荡器(NCO)有影响[9]。本文研究二阶锁相环。
 
  2.1.1热噪声
 
论文写作模式-基于不同载噪比的锁相环跟踪环路噪声分布研究
  由于锁相环环路中的电子器件的热扰动,产生了热噪声,在相关积分时影响接收机环路。它由锁相环带宽、载噪比和相干积分时间决定。1-sigma热噪声可表示如下:
 
   (2-1)
 
  其中是锁相环带宽(Hz),是相干积分时间(s),是载噪比[10]。
 
  2.1.2动态应力噪声
 
  动态应力噪声与接收天线有关,而锁相环跟踪是不可避免的,在跟踪性能中起着重要的作用。是通过影响相关积分过程中的输入信号影响接收机环路。动态应力误差(1-sigma)取决于回路顺序,描述如下:
 
   (2-2)
 
  式中是视线加速度(m/s^2),此处取1g;是锁相环带宽(Hz),是载波频率(Hz),其值为5019.8MHz;是电磁波在自由空间的传播速度(m/s);是二阶锁相环比例系数,其值为0.2809[11]。
 
  2.1.3Allan方差噪声
 
  Allan方差噪声和振动引起的噪声通过影响载波NCO的基准振荡频率最终影响接收机PLL环路误差[12]。
 
  Allan偏差相位噪声是由接收振荡器的漂移引起的,由振荡器的材料和工艺决定。频率漂移引起的相位噪声可以表示为如下:
 
   (2-3)
 
  其中是单边振荡器相位噪声谱密度,
 
  在式(2-3)中,可描述为:
 
   (2-4)
 
  其取决于循环顺序的参数,在式(2-4)中,二阶锁相环可以用表示。
 
  在式(2-3)中,可描述为:
 
   (2-5)
 
  其中,是载波频率,是时钟的功率谱,可表示如下:(闪烁相位和白相位噪声由于其对振荡器误差的影响微弱而被忽略)
 
   (2-6)
 
  本研究中,选铷钟振荡器,则;
 
  结合方式(2-3)、式(2-4)、式(2-5)和式(2-6),导出了二阶锁相环的Allan偏差相位噪声:
 
   (2-7)
 
  2.1.4振动引起的噪声
 
  由于环境振动,而引起的相位噪声与接收时钟的抖动有关。环境振动引起的相位噪声模型与Allan方差噪声模型相似。模型编写如下:
 
   (2-8)
 
  式(2-8)中,是单边带振荡器相位噪声谱密度,式(2-9)表示为振动诱导相位噪声,
 
   (2-9)
 
  其中是振荡器的g灵敏度(parts/g),是振动的单边功率谱密度(g^2/Hz),将式(2-9)中的代入式(2-8),导出了二阶锁相环的振动诱导相位噪声[11]:
 
   (2-10)
 
  2.2本章小结
 
  本章先明确所要研究的内容,介绍了锁相环环路噪声,以及对各个环路噪声进行了简要概括说明,结合各个噪声的影响因素给出了一些从整体角度上的结论和经验,列写了各自的公式。为接下来的仿真工作创造了基本的条件。
 
  
 
  第三章基于MATLAB仿真分析
 
  3.1MATLAB介绍
 
  首先MATLAB(MATrix?LABoratory),作为美国TheMathWorks公司旗下的学习交流软件,凭借其强大的功能,受到众多学者的青睐,小到加减乘除的计算,大到设计多种计算机语言的使用,可以说MATLAB无所不能。MATLAB可用于高级技术计算语言和交互式环境中,以进行算法开发,数据可视化,数据分析和数值计算。除了最常用的功能(例如矩阵运算、绘图功能、数据图像),MATLAB还可以用于创建用户界面并调以其他语言编写的程序,像最基础的C语言、C++、Python或Java等。
 
  随着MATLAB软件版本的不断更新,MATLAB自带了越来越多的工具箱,可供使用者选择下载,使得MATLAB可以完成越来越多的任务。在不同领域中,都可以用到MATLAB,例如工业领域中对控制系统构造;通信领域中,对图像、信号进行处理、金融领域的建模与分析等。MATLAB配套的软件包Simulink,为使用者提供一个可视化开发环境,可满足使用者对系统模拟、动态/嵌入式系统开发等方面的要求。
 
  3.1.1MATLAB的功能
 
  1、可进行简单的数值、矩阵运算;
 
  2、可构造、修改不同图像(二维和三维图形均可);
 
  3、兼容多种计算机语言,通用度高;
 
  4、开发环境好,可对代码、数据等进行管理;
 
  5、兼容多种数值计算,如线性代数、傅里叶变换、拉普拉斯变换、统计等[13]。
 
  3.1.2MATLAB的选择
 
  本次仿真使用的MATLAB软件版本为MATLAB2016b。
 
  3.2仿真过程及结果
 
  首先打开MATLAB2016b,新建两个脚本,分别命名为BPLL1.m(附录1)、pie2.m(附录2)。在BPLL1.m中依据第二章式2-1、式2-2、式2-7、式2-10编写程序,选择目标文件夹保存后运行程序,得到锁相环环路噪声随带宽变化分布图如图3.1所示。
 
  图3.1中黄色实线为载噪比为25dB-Hz时四种噪声的和随锁相环带宽变化的趋势,当锁相环带宽为28.6Hz时,和取得最小值,为34.6279°;紫红色点线为载噪比为30dB-Hz时四种噪声的和随锁相环带宽变化的趋势,锁相环带宽为40.6Hz时,和取得最小值,为17.7345°;黑色加粗点线为载噪比为35dB-Hz时四种噪声的和随锁相环带宽变化的趋势,锁相环带宽为55.1Hz时,和取得最小值,为10.2709°;红色虚线为载噪比为40dB-Hz时四种噪声的和随锁相环带宽变化的趋势,锁相环带宽为74Hz时,和取得最小值,为6.4396°;而蓝绿色虚线是跟踪门限为15°。
 
  本次实验中带宽取40Hz相干积分时间取为1ms,振荡器的g灵敏度取1*10^-9parts/g,振动的单边功率谱密度取0.05g^2/Hz,分别代入式2-2、式2-7、式2-10中,计算后可得动态应力噪声为10.3641°、Allan方差噪声为0.0608°、及振动引起的噪声为3.4860°,当载噪比分别取25dB-Hz、30dB-Hz、35dB-Hz、40dB-Hz,代入式2-2中,可得热噪声分别为32.7385°、14.0345°、6.9347°、3.7132°,在pie2.m中运用pie函数代入这些数据,保存并运行pie2.m,得到不同载噪比条件下,锁相环环路噪声分布,如图3.2所示。
 
  图3.1和图3.2分别说明了锁相环带宽和载噪比对锁相环环路噪声的影响。如图3.1所示,当视线加速度定为1g时,锁相环接收机的载噪比应不小于30db-Hz,以保持环路锁定。从图3.2可看出,随着载噪比的增高,锁相环环路的热噪声所占比重逐渐减小,Allan方差噪声所占比例最低,不足1%,动态应力噪声随载噪比的增大所占比重逐渐增大;因此,当载噪比小时,锁相环环路主要受热噪声影响,当载噪比较大时,可通过削弱动态应力噪声来减弱噪声对锁相环环路的干扰。
 
  图3.1锁相环环路噪声随带宽变化分布图
 
  图3.2不同载噪比条件下,锁相环环路噪声分布
 
  3.3本章小结
 
  本章首先介绍了MATLAB的功能及其用途,接着在上一章总结的公式的基础上,在MATLAB上进行了仿真,得到了锁相环环路噪声分布图,并且进行了简单的分析说明。
 
  第四章结论
 
  本文主要在视线方向加速度为1g的前提下分析不同载噪比时锁相环环路噪声的分布。用到仿真软件MATLAB,本文选C(4-8GHz)频段。
 
  本文的整体设计思路:
 
  1、介绍了研究锁相环的背景、国内外现状以及本文要研究的内容。
 
  2、对锁相环环路的不同噪声进行分析,分析其产生原因,得到了对应的公式。
 
  3、在MATLAB中新建脚本,基于公式进行编程。
 
  最终得到仿真结果,即随着载噪比的增大,热噪声逐渐减小,所占比重也减小。虽然本文对锁相环环路不同噪声进行了分析,但并未依次对锁相环提出优化措施,此问题将在今后的研究中逐步完善。