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DPLL_FM

已有 14 次阅读| 2025-12-17 14:03 |个人分类:通信原理书籍|系统分类:芯片设计

% https://blog.csdn.net/HNU_Csee_wjw/article/details/102979871?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522159938409619724835806002%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334.pc%255Fblog.%2522%257D&request_id=159938409619724835806002&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~blog~first_rank_v2~rank_blog_v1-1-102979871.pc_v2_rank_blog_v1&utm_term=%E9%94%81%E7%9B%B8%E7%8E%AF++MATLAB&spm=1018.2118.3001.4187

% =========================================================================

% 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 

close all;

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');

Klpf=1; 

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);        

     pd(i) = mult(i);

     % 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]);

% 极简二阶DPLL解调FM信号（无噪声版）

clear; clc; close all;

%% 1. 系统参数

Fs = 8000*2;          % 采样频率

fc = 1000;          % 载波频率

Fm = 10;            % 调制信号频率, change FM need to modify Tau ,Tau decide loop filter band width

beta = 3;           % 调制指数

Ts = 1/Fs;          % 采样周期

t = 0:Ts:1-Ts;      % 时间向量

N = length(t);

%% 2. 生成FM信号

m = sin(2*pi*Fm*t); % 调制信号

phi_fm = 2*pi*fc*t + 2*pi*beta*Fm*cumsum(m)*Ts; % 瞬时相位（积分），t=n*Ts

s_fm = cos(phi_fm); % FM信号

%% 3. DPLL解调核心（一阶环路滤波器）

Kd = 2;             % 鉴相器增益

Kv = 2*pi*fc;       % VCO增益

%BL=1.5*Fm*beta/40;

%tau = 1/BL/2/pi;

tau = 0.02;         % 环路滤波器时间常数

alpha = Ts/(tau+Ts);% 离散化系数

% 初始化

theta_vco = zeros(1,N);  % VCO相位

v_lf = zeros(1,N);       % 环路滤波器输出

m_demod = zeros(1,N);    % 解调输出

% DPLL迭代

for n = 2:N

    % 鉴相器：乘法器+低通（简化）

    pd = s_fm(n) * cos(theta_vco(n-1));%use sin also ok

    % 环路滤波器（一阶IIR）

    v_lf(n) = alpha*Kd*pd + (1-alpha)*v_lf(n-1);

    % VCO相位更新

    theta_vco(n) = theta_vco(n-1) + (2*pi*fc + Kv*v_lf(n))*Ts;

    theta_vco(n) = mod(theta_vco(n), 2*pi); % 相位折叠

    % 解调输出

    m_demod(n) = v_lf(n);

end

% 幅度校准

m_demod = m_demod * (max(m)/max(abs(m_demod)));

%% 4. 绘图显示

figure;

subplot(2,1,1); plot(t, m, 'b', t, m_demod, 'r');

xlabel('时间(s)'); ylabel('幅度'); title('原始调制信号与解调输出');

legend('原始','解调'); grid on;

subplot(2,1,2); plot(t(1:1000), s_fm(1:1000));

xlabel('时间(s)'); ylabel('幅度'); title('FM信号波形'); grid on;

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