电子线路基础序言

锁相环及载波同步通信原理第十二讲锁相环及载波同步•锁相环基本原理–锁相环–相位检测器（鉴相器）–环路滤波器–压控振荡器–锁相环的环路方程–简要分析–锁相环在通信系统中的应用锁相环基本原理锁相环PLL由鉴相器、环路（低通滤波器）和压控振荡器三个基本部件组成相位反馈控制系统锁定、跟踪（同步带）、捕捉鉴相器PD环路低通滤波器LF压控振荡器VCOvP(t)vi(t)vD(t)vo(t)锁相环基本原理锁定、失锁、跟踪（同步带）、捕捉)(tvP0ff捕捉带同步带鉴相器鉴相器PDvi(t)vD(t)vo(t)鉴相器完成输入信号与压控振荡器之间相位差到电压的转换)()(0ttfviDvo(t)e(t)-vo(t)e(t)-vo(t)-e(t)某些相位检测器的特性鉴相器鉴相器PDvi(t)vD(t)vo(t))()(0ttfviDvo(t)-e(t)2)()(2sin)()(sin)](cos[)](sin[)](cos[)](sin[00000oimDoiDoiDoioimDoooiiiAAKKtttKttKttttAAKvttAvttAvvi(t)vD(t)vo(t)环路低通滤波器•环路滤波器的主要功能：–滤除误差信号中的高频分量–为锁相环提供一个短时记忆，如果系统由于瞬时噪声而失锁，可确保锁相环路迅速重新捕获信号。•环路滤波器的设计对环路的各项性能都有重要影响–稳态相差、跟踪时间、捕捉带宽、稳定性等。鉴相器PD环路低通滤波器LF压控振荡器VCOvP(t)vi(t)vD(t)vo(t)PLL的主要性能指标，主要取决于环路滤波器的设计压控振荡器•压控振荡器)()(0tvgtP自由振荡频率或中心（角）频率电压控制部分(t)vP(t))()(0tvKtPVdvKtdvKttPVPV)()()()(000锁相环的环路方程dvKtPV)()(0H(f)LFVCOvP(t)vi(t)vD(t)vo(t))()(sinttKvoiDD)(ti)()()(thtvtvDP锁相环的环路方程dvKtPV)()(0)()(sinttKvoiDD)()()(thtvtvDP)(*)()(sin)(0thttKKdttdoiDV线性化，假定相位误差较小)()()()(*)()(0tttthtKKdttdoieeDV解微分方程得到结论锁相环的环路方程)()()()(*)()(0tttthtKKdttdoieeDVDVPPPioioPoKKKsHKssHKsssTsHssKss)()()()()()()()()(拉氏变换求解微分方程H(S)1/Si(s)o(s)KP不同的环路滤波器，可以求出相位不同的传输函数，进行分析，得到稳态相差、稳定度等指标锁相环的复频域模型两种锁相环分析示例)()()()()(sHKssHKsssTPPio)()()()()(ssHKsssssiPoie1)(sHRCs1KsKRCsRCCsRCssH1111)(拉普拉斯变换20202020022cossin)(1/1/1)(1)(sstststeststUtt两种锁相环分析示例2/)(0/)(0sstttssttii）（）（只有相差有频率差两种锁相环分析示例1)(sH只有相差时稳态相差为有频率差时有稳态相差)()(sKsssiPe)(lim)(0sKssssiPse0)(sePeKs)(2/)(0/)(0sstttssttii）（）（两种锁相环分析示例)()()(ssHKsssiPe)()(lim)(0ssHKssssiPse0)(sepeKs)(2/)(0/)(0sstttssttii）（）（KsKsH)(只有相差时稳态相差为有频率差时有稳态相差锁相环应用分析例•分析锁相环成为FM鉴频器的条件H(f)LFVCOvP(t)vi(t)vD(t)vo(t)dmKtAtvFMci)(cos)(H(S)1/Si(s)o(s)KP)(1)()()(sMsKsdmKtFMiFMi)()()()()()()(sMKsHKssHKsssTsssVFMPPioP锁相环应用分析例•分析锁相环成为FM鉴频器的条件–条件1：低通滤波器LF的带宽大于信号带宽–条件2：H(S)1/Si(s)o(s)KP)()()()()()()(sMKsHKssHKsssTsssVFMPPioP)()(sMKKsKsVFMPPP为信号带宽BBKP2/截止角频率为Kp的低通滤波器)()(sMKsVFMP锁相环在通信系统中的应用•锁相环在通信系统中有很多应用，包括：高稳定FM信号产生、FM鉴频、调幅信号的相干解调、倍频、频率合成以及数字系统中的比特同步等等•AM信号的相干解调LPFVCOLPF-/2AM信号相干解调输出锁相环在通信系统中的应用•用于频率合成器的锁相环LPFVCO振荡器f=fx分频输出fout分频器N分频器MxoutfMNf载波同步•载波同步–插入导频法–直接提载法–载波同步系统性能–载波相位误差对解调系统的影响载波同步载波同步是指在相干解调时，接收端需要提供一个与接收信号中的调制载波同频同相的相干载波。这个载波的获取称为载波提取或载波同步，载波同步是实现相干解调的先决条件。已调信号插入载波/导频载波恢复相干解调信道载波同步已调信号含有同步信息载波恢复相干解调信道由发送端发送专门的同步信息（常被称为导频），接收端把这个导频提取出来作为同步信号的方法，称为外同步法。发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到的信号中提取同步信息的方法，称为自同步法。已调信号不含同步信息插入载波/导频载波恢复相干解调信道AMSSB载波同步已调信号插入载波/导频载波恢复相干解调信道同步本身虽然不包含所要传送的信息，但只有收发设备之间建立了同步后才能开始传送信息，所以同步是进行信息传输的必要和前提。同步性能的好坏又将直接影响着通信系统的性能。如果出现同步误差或失去同步就会导致通信系统性能下降或通信中断。因此，同步系统应具有比信息传输系统更高的可靠性和更好的质量指标，如同步误差小、相位抖动小以及同步建立时间短，保持时间长等。载波同步---插入导频法抑制载波的双边带信号（如DSB、等概的2PSK）本身不含有载波，残留边带（VSB）信号虽含有载波分量，但很难从已调信号的频谱中把它分离出来。对这些信号的载波提取，可以用插入导频法（外同步法）。尤其是单边带（SSB）信号，它既没有载波分量又不能用直接法提取载波，只能用插入导频法所谓插入导频，就是在已调信号频谱中额外插入一（多）个低功率的线谱，以便接收端作为载波同步信号加以恢复，此线谱对应的正弦波称为导频信号插入的导频：位置、强度、与传输信号关系？导频插入在任意位置（一般在通带内）载波同步---插入导频法导频与信号同时（频带）传输互不干扰导频线谱的强度远大于信号谱，以便于接收端滤波或锁相跟踪导频插在信号谱的零点或与信号正交传输，以保证不干扰信号在信号频带外，单独传输？DSB插入导频的方案之一发送端：相乘调制~taCCcos2/带通滤波相加m(t)输出s(t)0fCfC+fmfC-fmfDSB信号的导频插入tattmatsccccsincos)()(已调信号插入导频DSB插入导频的方案之一接收端：tatatmattattmattsttrtvcccccccccccc2sin22cos2)(2sincoscos)(cos)(cos)()(2相乘器带通滤波r(t)fc窄带滤波/PLL低通滤波m(t)v(t)2/相干载波恢复DSB插入导频的方案讨论讨论：–能否在插入同相导频–能否在带外插入导频–SSB怎么插入导频0fCfC+fmfC-fmfDSB信号的导频插入0fCfC+fmfC-fmfDSB信号的导频插入相干解调后有直流分量VSB插入导频的方案之一发送端：f1fcf2fc-fmfr1f2fH(f)2211ffffffffrCmCVSB插入导频的方案之一接收端：2211ffffffffrCmCf1窄带滤波/PLLf2窄带滤波/PLL接收信号f2-f1低通q次分频fc窄带/PLL载波输出移相目标：利用f1、f2的和、差、倍关系得到fc1234VSB插入导频的方案之一接收端：–f1、f2相乘滤波取差频–q次分频)2cos()2cos(2211tftf122121212)1)((2cos21)(2cos21tfffffftffffrmrmr2211ffffffffrCmC211ffffqrm12qrtffa)(2cos2qVSB插入导频的方案之一接收端：–与f2相乘滤波取差频–移相电路调整相位得到相干载波）（tfatfffffCqrrC2cos2)(2cos212222211ffffffffrCmC34tfaC2cos2VSB插入导频的方案讨论2211ffffffffrCmCf1窄带滤波/PLLf2窄带滤波/PLL接收信号f2-f1低通q次分频fc窄带/PLL载波输出移相1234f2-f1fr+f2fC通过调整△f2、△f1可得到整数倍的q增大△f2或△f1有利于减少信号频谱对导频的干扰，但所需频带加宽。211ffffqrm直接提取载波•信号中含有载波分量，利用PLL或滤波器可直接提取载波。•信号经过非线性变换后含有“载波分量”•平方环提取载波输入已调信号平方律部件鉴相器环路滤波器VCO二分频载波输出锁相环平方环提取载波利用平方变换提取DSB载波•DSB信号：•经过平方律器件：•二分频后产生180相位模糊问题–对模拟解调，相位模糊造成解调信号反向，影响不大–对数字信号解调，相位模糊影响较大，需要采取一定的措施ttmtsccos)()(ttmtmttmtscc2cos2)(2)(cos)()(22222二倍频分量利用同相正交变换提取DSB载波•利用锁相环提取载波分量的另一种方法称为同相正交变换法。即压控振荡器输出分两路：同相信号，正交信号。通常称为同相正交或科斯塔斯（Costas）环法低通压控振荡器低通环路滤波器/2输出输入已调信号v3v5v1v2v4v6v7利用同相正交变换提取DSB载波•输入信号：•VCO输出：低通压控振荡器低通环路滤波器/2输出输入已调信号v3v5v1v2v4v6v7ttmtsccos)()()cos(1tvc)cos(cos)()()sin(cos)()()sin(14232tttmtsvvtttmtsvvtvccccccos2)(sin2)(65tmvtmv)(412sin8)(22657tmtmvvv很小时7v反馈调整最终变换法提取载波•信号中不含有载波分量，可以将信号经过非线性变换后提取载波分量。•Costas环与平方环都是利用锁相环（PLL）提取载波的常用方法。Costas环与平方环相比，虽然在电路上要复杂一些，但它的工作频率即为载波频率，而平方环的工作频率是载波频率的两倍，显然当载波频率Costas环易于实现；其次，当环路正常锁定后，Costas环可直接获得解调输出