近日由于课程作业的缘故，粗读了杜勇老师著作《锁相环技术原理及FPGA实现》，实属收获满满，由于本科学习高频电子线路时的遗漏，导致本人对所学通信工程专业有所遗憾，不料恰逢合适的时间遇到厉害的老师以及同学，有幸将此知识补缺完整，在驶向新航道的当儿多添一份自信。再者，网络上关于此块内容繁杂，且鲜有合适的代码，感觉当今也少有人能专心研读一些书本类的参考资料，故在此以ppt形式与大家研讨，鉴于本人水平有限，如有不妥恳请赐教。
——2019年11月晚于南大潘忠来楼
% =========================================================================
% 环路增益：K = Kd * K0 * Klpf
% Kd = 1/2 * Ui * U0,鉴相器增益，Ui:输入信号幅值，U0：LLP输出幅值
% K0 = fs/2^Bnco,VCO增益(Hz/V)
% Klpf:低通滤波器增益
% =========================================================================
%% --- 参数初始化
fs = 10e3; % 采样频率10KHz
fo = 400; % LLP固有频率400Hz
df = 35; % 初始频差Hz
fi = fo + df; % 信号频率
Bnco = 32; % 频率累加字位数32Bits
K0 = fs/2^Bnco; % NCO增益(Hz/V),(频率控制灵敏度)
c1 = 2^(-1); % 环路滤波器系数，在FPGA中为移位运算
c2 = 2^(-9);
lfout(1) = 0; % 环路滤波器输出
temp = 0; % 环路滤波器中间变量
LLP_Phase_Index = 0;
PFout = 0;
LLP_Phase_init = fo * 2^Bnco / fs; %初始VCO频率控制字
%% --- 产生400Hz正弦波信号
L = 10000; % 数据长度
N = 8; % 量化位数
st = 0:1/fs:(L-1)/fs;
si = sin(2*pi*fi*st + pi/4); % 生成Sin正弦信号
f_si = si/max(abs(si)); % 归一化处理
Q_si = round(f_si * (2^(N-1)-1)); % 量化处理，round取四舍五入
% figure;
% plot(st(1:1000),Q_si(1:1000));
%% --- FIR低通滤波器设计
Blpf = 8; % 滤波器系数量化
fc = [300 600]; % 过渡带
band_amplitude = [1 0]; % 窗函数幅度
dev = [0.05 0.05]; % 带内纹波
[n,Wn,beta,ftype] = kaiserord(fc,band_amplitude,dev,fs); % 获取kaiser参数，返回滤波器阶数n，标准化频带边缘 Wn，形状因子beta
h_kaiser = fir1(n,Wn,ftype,kaiser(n+1,beta)); % 获取滤波器系数
qh = round(h_kaiser/max(abs(h_kaiser))*(2^(Blpf-1)-1)); % 滤波器系数量化
qh_max = max(abs(qh));
Klpf = qh_max / max(h_kaiser); %计算滤波器增益
% sum_qh = sum(abs(qh));
% figure;
% freqz(h_kaiser,1); %低通滤波器响应
% title('LPF滤波器响应');
K = 1/2 * 2^7 * 2^7 * K0 * Klpf; %环路增益
%乘法运算输出信号初值
mult = zeros(1,L);
%鉴相器输出信号初值
pd = zeros(1,L);
lfout(n) = 0;
lfout(n+1) = 0;
pd(n)=0;
f=zeros(1,L);
% wn = sqrt(K/t1);
%% --- DDS查找表
SinTableLength = 2^10; % DDS的sin表的长度1024
SinTableAmp = 2^7-1; % DDS的sin表的最大幅度，为8位有符号量化
t = 2*pi*(0:SinTableLength - 1)/SinTableLength;
sin_table = floor(sin(t) * SinTableAmp);
cos_table = floor(cos(t) * SinTableAmp);
%DDS相位累加字为32位，而实际存储表为1024个，需要比列缩减
sin_table_Index_Scale = SinTableLength / (2^Bnco);
%% --- 鉴相过程
for i=(1+n):L
DDS_Phase_Index_Table = floor(LLP_Phase_Index * sin_table_Index_Scale) + 1;
sin_nco(i) = sin_table(DDS_Phase_Index_Table); %产生本地参考信号的I之路
cos_nco(i) = cos_table(DDS_Phase_Index_Table); %产生本地参考信号的Q之路
mult(i) = Q_si(i)*cos_nco(i); % PD乘法器
%滤除相乘产生的高频分量
PFout = filter(qh,1,mult(i-n:i)); %理解滤波器的工作原理，防止错误使用
len = length(PFout);
%鉴相器输出
pd(i) = PFout(len);
% 计算时频
y=fft(cos_nco(i-n:i),L);
[m,p]=max(abs(y));
f(i)=p*fs/L;
%环路滤波器，(根据环路滤波器传递函数)
lfout(i) = lfout(i-1) + c1*pd(i) + (c2-c1)*pd(i-1);
lfout1 = temp + c1*pd(i);
temp = temp + c2*pd(i);
% 查表法索引
LLP_Phase_Index = LLP_Phase_Index +LLP_Phase_init + lfout1; % 环路NCO累积，产生本地参考信号
if(LLP_Phase_Index < 0)
LLP_Phase_Index = 0;
end
if(LLP_Phase_Index >= 2^Bnco)
LLP_Phase_Index = LLP_Phase_Index - 2^Bnco;
end
end
%% --- 显示
% figure;
% y2=fft(sin_nco);
% p2=angle(y2);
% phase=p2*180/pi;
% plot(phase(1:5000));
% figure;
% plot(lfout*pi/fs/180);
figure;
plot(pd/fs/SinTableAmp,'b');
title('鉴相器输出(时间-相位差示意图)');
xlabel('时间(t/s)');ylabel('相位差(rad)');
xticklabels([0:1/10:1]);
figure;
hold on;
plot(sin_nco(1:8000)/SinTableAmp,'-k'); % 输出波形
hold on;
plot(Q_si(1:8000)/SinTableAmp,'-g'); % 原始输入信号波形
legend('输出波形', '原始波形')
title('原始信号跟DDS输出波形对比');
xlabel('时间(t/s)');
xticklabels([0:1/10:1]);
x=zeros(1,L);
z=fft(Q_si,L);
[a,b]=max(abs(z));
x(1:L)=b*fs/L;
figure;
hold on;
plot(f(1:5000),'-r');
hold on;
plot(x(1:5000),'-b');
title('时域-频域示意图');
legend('输出频率', '参考频率')
xlabel('时间(t/s)');ylabel('频率(f/Hz)');
xticklabels([0:1/10:1]);
figure;
phin = 2*pi*fi*st + pi/4;
pvco=phin-pd/fs;
t1 = 1:1:10000;
plot(t1,phin/SinTableAmp,t1,pvco/SinTableAmp)
title('输出相位与参考相位')
legend('参考相位', '输出相位')
xlabel('时间(t/s)');ylabel('相位(rad)');
xticklabels([0:1/10:1]);
运行结果见ppt
需要原始资料可以关注我的个人公众号，里面有我的联系方式~
本文同步分享在 博客“小王曾是少年”(CSDN)。
如有侵权，请联系 [email protected] 删除。
本文参与“OSC源创计划”，欢迎正在阅读的你也加入，一起分享。