鎖相環(huán)及載波同步課件

1、鎖相環(huán)及載波同步鎖相環(huán)及載波同步通信原理第十二講通信原理第十二講鎖相環(huán)及載波同步鎖相環(huán)及載波同步 鎖相環(huán)基本原理鎖相環(huán)基本原理 鎖相環(huán)鎖相環(huán) 相位檢測器（鑒相器）相位檢測器（鑒相器） 環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器 壓控振蕩器壓控振蕩器 鎖相環(huán)的環(huán)路方程鎖相環(huán)的環(huán)路方程 簡要分析簡要分析 鎖相環(huán)在通信系統(tǒng)中的應用鎖相環(huán)在通信系統(tǒng)中的應用鎖相環(huán)基本原理鎖相環(huán)基本原理 鎖相環(huán)鎖相環(huán)PLL由鑒相器、環(huán)路（低通濾波器）和由鑒相器、環(huán)路（低通濾波器）和壓控振蕩器三個基本部件組成相位反饋控制系統(tǒng)壓控振蕩器三個基本部件組成相位反饋控制系統(tǒng) 鎖定、跟蹤（同步帶）、捕捉鎖定、跟蹤（同步帶）、捕捉鑒相器PD環(huán)路低通濾波器L

2、F壓控振蕩器VCOvP(t)vi(t)vD(t)vo(t)鎖相環(huán)基本原理鎖相環(huán)基本原理鎖定、失鎖、跟蹤（同步帶）、捕捉鎖定、失鎖、跟蹤（同步帶）、捕捉)(tvP0ff捕捉帶捕捉帶同步帶同步帶鑒相器鑒相器鑒相器PDvi(t)vD(t)vo(t) 鑒相器完成輸入信鑒相器完成輸入信號與壓控振蕩器之間號與壓控振蕩器之間相位差到電壓的轉換相位差到電壓的轉換 )()(0ttfviD vo(t)e(t)-vo(t)e(t)-vo(t)-e(t)某些相位檢測器的特性某些相位檢測器的特性鑒相器鑒相器鑒相器PDvi(t)vD(t)vo(t) )()(0ttfviD vo(t)-e(t) 2)()(2sin)()(

3、sin)(cos)(sin)(cos)(sin00000oimDoiDoiDoioimDoooiiiAAKKtttKttKttttAAKvttAvttAv vi(t)vD(t)vo(t)環(huán)路低通濾波器環(huán)路低通濾波器 環(huán)路濾波器的主要功能：環(huán)路濾波器的主要功能： 濾除誤差信號中的高頻分量濾除誤差信號中的高頻分量 為鎖相環(huán)提供一個短時記憶，如果系統(tǒng)由于瞬時為鎖相環(huán)提供一個短時記憶，如果系統(tǒng)由于瞬時噪聲而失鎖，可確保鎖相環(huán)路迅速重新捕獲信號。噪聲而失鎖，可確保鎖相環(huán)路迅速重新捕獲信號。 環(huán)路濾波器的設計對環(huán)路的各項性能都有重要影響環(huán)路濾波器的設計對環(huán)路的各項性能都有重要影響 穩(wěn)態(tài)相差、跟蹤時間、捕捉

4、帶寬、穩(wěn)定性等。穩(wěn)態(tài)相差、跟蹤時間、捕捉帶寬、穩(wěn)定性等。鑒相器PD環(huán)路低通濾波器LF壓控振蕩器VCOvP(t)vi(t)vD(t)vo(t)PLL的主要性能指標，的主要性能指標，主要取決于環(huán)路濾波主要取決于環(huán)路濾波器的設計器的設計壓控振蕩器壓控振蕩器 壓控振蕩器壓控振蕩器 )()(0tvgtP 自由振蕩頻率或自由振蕩頻率或中心（角）頻率中心（角）頻率電壓控制部分電壓控制部分(t)vP(t)()(0tvKtPV dvKtdvKttPVPV )()()()(000鎖相環(huán)的環(huán)路方程鎖相環(huán)的環(huán)路方程 dvKtPV )()(0H(f)LFVCOvP(t)vi(t)vD(t)vo(t) )()(sintt

5、KvoiDD )(ti )()()(thtvtvDP 鎖相環(huán)的環(huán)路方程鎖相環(huán)的環(huán)路方程 dvKtPV )()(0 )()(sinttKvoiDD )()()(thtvtvDP )(*)()(sin)(0thttKKdttdoiDV 線性化，假定相位誤差較小線性化，假定相位誤差較小)()()()(*)()(0tttthtKKdttdoieeDV 解微分方程解微分方程得到結論得到結論鎖相環(huán)的環(huán)路方程鎖相環(huán)的環(huán)路方程)()()()(*)()(0tttthtKKdttdoieeDV DVPPPioioPoKKKsHKssHKsssTsHssKss )()()()()()()()()( 拉氏變換求解微分

6、方程拉氏變換求解微分方程H(S)1/Si(s)o(s)KP不同的環(huán)路濾波器，可以求不同的環(huán)路濾波器，可以求出相位不同的傳輸函數，進出相位不同的傳輸函數，進行分析，得到穩(wěn)態(tài)相差、穩(wěn)行分析，得到穩(wěn)態(tài)相差、穩(wěn)定度等指標定度等指標鎖相環(huán)的復頻域模型鎖相環(huán)的復頻域模型兩種鎖相環(huán)分析示例兩種鎖相環(huán)分析示例)()()()()(sHKssHKsssTPPio )()()()()(ssHKsssssiPoie 1)( sHRCs1 KsKRCsRCCsRCssH 1111)(兩種鎖相環(huán)分析示例兩種鎖相環(huán)分析示例2/)(0/)(0sstttssttii ）（）（只有相差只有相差有頻率差有頻率差兩種鎖相環(huán)分析示例兩

7、種鎖相環(huán)分析示例1)( sH只有相差只有相差有頻率差有頻率差)()(sKsssiPe )(lim)(0sKssssiPse 0)( se PeKs )(2/)(0/)(0sstttssttii ）（）（)()()()()(ssHKsssssiPoie 兩種鎖相環(huán)分析示例兩種鎖相環(huán)分析示例只有相差只有相差有頻率差有頻率差)()()(ssHKsssiPe )()(lim)(0ssHKssssiPse 0)( se 0)( se 2/)(0/)(0sstttssttii ）（）（ KsKsH )(鎖相環(huán)應用分析例鎖相環(huán)應用分析例 分析鎖相環(huán)成為分析鎖相環(huán)成為FM鑒頻器的條件鑒頻器的條件H(f)LFV

8、COvP(t)vi(t)vD(t)vo(t) dmKtAtvFMci)(cos)(H(S)1/Si(s)o(s)KP)(1)()()(sMsKsdmKtFMiFMi )()()()()()()(sMKsHKssHKsssTsssVFMPPioP 鎖相環(huán)應用分析例鎖相環(huán)應用分析例 分析鎖相環(huán)成為分析鎖相環(huán)成為FM鑒頻器的條件鑒頻器的條件 條件條件1：低通濾波器：低通濾波器LF的帶寬大于信號帶寬的帶寬大于信號帶寬 條件條件2：H(S)1/Si(s)o(s)KP)()()()()()()(sMKsHKssHKsssTsssVFMPPioP )()(sMKKsKsVFMPPP 為為信信號號帶帶寬寬BB

9、KP 2/截止角頻率為截止角頻率為K Kp的的低通濾波器低通濾波器)()(sMKsVFMP 鎖相環(huán)在通信系統(tǒng)中的應用鎖相環(huán)在通信系統(tǒng)中的應用 鎖相環(huán)在通信系統(tǒng)中有很多應用，包括：高穩(wěn)定鎖相環(huán)在通信系統(tǒng)中有很多應用，包括：高穩(wěn)定FM信號產生、信號產生、FM鑒頻、調幅信號的相干解調、倍頻、鑒頻、調幅信號的相干解調、倍頻、頻率合成以及數字系統(tǒng)中的比特同步等等頻率合成以及數字系統(tǒng)中的比特同步等等 NFM信號的相干解調信號的相干解調LPFVCOLPF- /2NFM信號信號相干解調輸出相干解調輸出鎖相環(huán)在通信系統(tǒng)中的應用鎖相環(huán)在通信系統(tǒng)中的應用 用于頻率合成器的鎖相環(huán)用于頻率合成器的鎖相環(huán)LPFVCO振蕩

10、器振蕩器f=fx分頻輸出分頻輸出fout分頻器分頻器 N分頻器分頻器 MxoutfMNf 載波同步載波同步 載波同步載波同步 插入導頻法插入導頻法 直接提載法直接提載法 載波同步系統(tǒng)性能載波同步系統(tǒng)性能 載波相位誤差對解調系統(tǒng)的影響載波相位誤差對解調系統(tǒng)的影響載波同步載波同步 載波同步是指在相干解調時，接收端需要載波同步是指在相干解調時，接收端需要提供一個與接收信號中的調制載波同頻同相提供一個與接收信號中的調制載波同頻同相的相干載波。這個載波的獲取稱為載波提取的相干載波。這個載波的獲取稱為載波提取或載波同步，載波同步是實現(xiàn)相干解調的先或載波同步，載波同步是實現(xiàn)相干解調的先決條件。決條件。已調信

11、號已調信號插入插入載波載波/ /導頻導頻 載波恢復載波恢復相干解調相干解調信道信道載波同步載波同步 已調信號含已調信號含有同步信息有同步信息 載波恢復載波恢復相干解調相干解調信道信道 由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息（常被稱為導由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息（常被稱為導頻），接收端把這個導頻提取出來作為同步信號頻），接收端把這個導頻提取出來作為同步信號的方法，稱為的方法，稱為外同步法外同步法。發(fā)送端不發(fā)送專門的同。發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息，接收端設法從收到的信號中提取同步信步信息，接收端設法從收到的信號中提取同步信息的方法，稱為息的方法，稱為自同步法自同步法。 已調信號不已調信號不含同步信息含同步信息

12、插入插入載波載波/ /導頻導頻 載波恢復載波恢復相干解調相干解調信道信道AMAMSSB載波同步載波同步 已調信號已調信號插入插入載波載波/ /導頻導頻 載波恢復載波恢復相干解調相干解調信道信道 同步本身雖然不包含所要傳送的信息，但只有同步本身雖然不包含所要傳送的信息，但只有收發(fā)設備之間建立了同步后才能開始傳送信息，收發(fā)設備之間建立了同步后才能開始傳送信息，所以同步是進行信息傳輸的必要和前提。同步性所以同步是進行信息傳輸的必要和前提。同步性能的好壞又將直接影響著通信系統(tǒng)的性能。如果能的好壞又將直接影響著通信系統(tǒng)的性能。如果出現(xiàn)同步誤差或失去同步就會導致通信系統(tǒng)性能出現(xiàn)同步誤差或失去同步就會導致通

13、信系統(tǒng)性能下降或通信中斷。因此，下降或通信中斷。因此，同步系統(tǒng)應具有比信息同步系統(tǒng)應具有比信息傳輸系統(tǒng)更高的可靠性和更好的質量指標傳輸系統(tǒng)更高的可靠性和更好的質量指標，如同，如同步誤差小、相位抖動小以及同步建立時間短，保步誤差小、相位抖動小以及同步建立時間短，保持時間長等。持時間長等。 載波同步載波同步-插入導頻法插入導頻法 抑制載波的雙邊帶信號（如抑制載波的雙邊帶信號（如DSB、等概的、等概的2PSK）本身不含有載波，本身不含有載波， 殘留邊帶（殘留邊帶（VSB）信號雖含有載）信號雖含有載波分量，但很難從已調信號的頻譜中把它分離出來。波分量，但很難從已調信號的頻譜中把它分離出來。對這些信號的

14、載波提取，對這些信號的載波提取， 可以用插入導頻法（外同可以用插入導頻法（外同步法）。尤其是單邊帶（步法）。尤其是單邊帶（SSB）信號，）信號， 它既沒有載波它既沒有載波分量又不能用直接法提取載波，只能用插入導頻法分量又不能用直接法提取載波，只能用插入導頻法 所謂所謂插入導頻插入導頻，就是在，就是在已調信號頻譜中額外插入一已調信號頻譜中額外插入一（多）個低功率的線譜（多）個低功率的線譜，以便接收端作為載波同步信，以便接收端作為載波同步信號加以恢復，此線譜對應的正弦波稱為導頻信號號加以恢復，此線譜對應的正弦波稱為導頻信號插入的導頻：插入的導頻：位置、強度、位置、強度、與傳輸信號關系？與傳輸信號關

15、系？導頻插入導頻插入在任意位置在任意位置（一般在（一般在通帶內）通帶內）載波同步載波同步-插入導頻法插入導頻法 導頻與信號導頻與信號同時（頻帶）傳輸同時（頻帶）傳輸互不干擾互不干擾導頻線譜的強度導頻線譜的強度遠大于信號譜，遠大于信號譜，以便于接收端濾波以便于接收端濾波或鎖相跟蹤或鎖相跟蹤導頻插在信號譜導頻插在信號譜的零點或與信號的零點或與信號正交傳輸，以保正交傳輸，以保證不干擾信號證不干擾信號在信號頻在信號頻帶外，單帶外，單獨傳輸？獨傳輸？DSB DSB 插入導頻的方案之一插入導頻的方案之一發(fā)送端：發(fā)送端： 相乘調制taCC cos2/ 帶通濾波相加m(t)輸出s(t)0fCfC+fmfC-f

16、mfDSB信號的導頻插入tattmatscccc sincos)()( 已調信號已調信號插入導頻插入導頻DSB DSB 插入導頻的方案之一插入導頻的方案之一接收端：接收端： tatatmattattmattsttrtvcccccccccccc 2sin22cos2)(2sincoscos)(cos)(cos)()(2 相乘器帶通濾波r(t)fc窄帶濾波/PLL低通濾波m(t)v(t)2/ 相干載波恢相干載波恢復復DSB DSB 插入導頻的方案討論插入導頻的方案討論討論：討論： 能否在插入同相導頻能否在插入同相導頻 能否在帶外插入導頻能否在帶外插入導頻 SSB怎么插入導頻怎么插入導頻 0fCfC

17、+fmfC-fmfDSB信號的導頻插入0fCfC+fmfC-fmfDSB信號的導頻插入相干解調后相干解調后有直流分量有直流分量VSB VSB 插入導頻的方案之一插入導頻的方案之一發(fā)送端：發(fā)送端： 2211f f ffff ffrCmC VSB VSB 插入導頻的方案之一插入導頻的方案之一接收端：接收端： 2211f f ffff ffrCmC f f1 1窄窄帶帶濾濾波波/ /P PL LL Lf f2 2窄窄帶帶濾濾波波/ /P PL LL L接收信號f2-f1低通q次分頻f fc c窄窄帶帶/ /P PL LL L載波輸出移移相相目標：利用目標：利用f1、f2的和、差、的和、差、倍關系得到

18、倍關系得到fc1 12 23 34 4VSB VSB 插入導頻的方案之一插入導頻的方案之一接收端：接收端： f1、f2相乘濾波取差頻相乘濾波取差頻 q次分頻次分頻)2cos()2cos(2211 tftf 122121212)1)(2cos21)(2cos21 tfffffftffffrmrmr2211f f ffff ffrCmC 211ffffqrm 1 12 2 qrtffa )(2cos2qVSB VSB 插入導頻的方案之一插入導頻的方案之一接收端：接收端： 與與f2相乘濾波取差頻相乘濾波取差頻 移相電路調整相位得到相干載波移相電路調整相位得到相干載波 ）（ tfatfffffCqrr

19、C2cos2)(2cos212222211f f ffff ffrCmC 3 34 4tfaC 2cos2VSB VSB 插入導頻的方案討論插入導頻的方案討論2211f f ffff ffrCmC f f1 1窄窄帶帶濾濾波波/ /P PL LL Lf f2 2窄窄帶帶濾濾波波/ /P PL LL L接收信號f2-f1低通q次分頻f fc c窄窄帶帶/ /P PL LL L載波輸出移移相相1 12 23 34 4f2-f1fr-f2fC 通過調整通過調整f2、f1可得到整數倍的可得到整數倍的q增大增大f2或或f1有利有利于減少信號頻譜對于減少信號頻譜對導頻的干擾，但所導頻的干擾，但所需頻帶加需

20、頻帶加寬。寬。211ffffqrm 直接提取載波直接提取載波 信號中含有載波分量，利用信號中含有載波分量，利用PLL或濾波器可或濾波器可直接提取載波。直接提取載波。 信號經過非線性變換后含有信號經過非線性變換后含有“載波分量載波分量” 平方環(huán)提取載波平方環(huán)提取載波 輸入已調信號平方律部件鑒相器環(huán)路濾波器VCO二分頻載波輸出鎖相環(huán)平方環(huán)提取載波利用平方變換提取利用平方變換提取DSB DSB 載波載波 DSB信號：信號： 經過平方律器件：經過平方律器件： 二分頻后產生二分頻后產生180 相位模糊問題相位模糊問題對模擬解調，相位模糊造成解調信號反向，影響不大對模擬解調，相位模糊造成解調信號反向，影響

21、不大對數字信號解調，相位模糊影響較大，需要采取一定的措施對數字信號解調，相位模糊影響較大，需要采取一定的措施ttmtsc cos)()( ttmtmttmtscc 2cos2)(2)(cos)()(22222 二倍頻分量二倍頻分量利用同相正交變換提取利用同相正交變換提取DSB DSB 載波載波 利用鎖相環(huán)提取載波分量的另一種方法稱為同相正交利用鎖相環(huán)提取載波分量的另一種方法稱為同相正交變換法。即壓控振蕩器輸出分兩路：同相信號，正交變換法。即壓控振蕩器輸出分兩路：同相信號，正交信號。通常稱為同相正交或信號。通常稱為同相正交或科斯塔斯（科斯塔斯（Costas）環(huán)）環(huán)法法低通壓控振蕩器低通環(huán)路濾波器

22、/2輸出輸入已調信號v3v5v1v2v4v6v7利用同相正交變換提取利用同相正交變換提取DSB DSB 載波載波 輸入信號：輸入信號： VCO輸出：輸出：低通壓控振蕩器低通環(huán)路濾波器/2輸出輸入已調信號v3v5v1v2v4v6v7ttmtsc cos)()( )cos(1 tvc)cos(cos)()()sin(cos)()()sin(14232 tttmtsvvtttmtsvvtvccccc cos2)(sin2)(65tmvtmv )(412sin8)(22657tmtmvvv 很小時很小時 7v反饋調整反饋調整最終最終 變換法提取載波變換法提取載波 信號中不含有載波分量，可以將信號經過非

23、線性變換信號中不含有載波分量，可以將信號經過非線性變換后提取載波分量。后提取載波分量。 Costas環(huán)與平方環(huán)都是利用鎖相環(huán)（環(huán)與平方環(huán)都是利用鎖相環(huán)（PLL）提取載波）提取載波的常用方法。的常用方法。Costas環(huán)與平方環(huán)相比，雖然在電路上環(huán)與平方環(huán)相比，雖然在電路上要復雜一些，要復雜一些， 但它的工作頻率即為載波頻率，而平但它的工作頻率即為載波頻率，而平方環(huán)的工作頻率是載波頻率的兩倍，顯然當載波頻率方環(huán)的工作頻率是載波頻率的兩倍，顯然當載波頻率很高時，工作頻率較低的很高時，工作頻率較低的Costas環(huán)易于實現(xiàn)；其環(huán)易于實現(xiàn)；其次，當環(huán)路正常鎖定后，次，當環(huán)路正常鎖定后，Costas環(huán)可直接

24、獲得解調輸環(huán)可直接獲得解調輸出，而平方環(huán)則沒有這種功能。出，而平方環(huán)則沒有這種功能。 數字通信中常使用多相移相信號，可以采用類似的辦數字通信中常使用多相移相信號，可以采用類似的辦法，如采用法，如采用4 4次方器件，或四相次方器件，或四相Costas環(huán)環(huán)提取載波。提取載波。變換法提取載波變換法提取載波低通 / 4低通 / 2低通3 / 4低通VCO四相移相信號環(huán)路濾波器vd載波同步系統(tǒng)的性能載波同步系統(tǒng)的性能 載波同步系統(tǒng)的性能指標主要有效率、精度、同步建載波同步系統(tǒng)的性能指標主要有效率、精度、同步建立時間和同步保持時間。立時間和同步保持時間。 效率效率：指為了獲得載波信號而盡量少消耗發(fā)送功率。

25、：指為了獲得載波信號而盡量少消耗發(fā)送功率。在這方面，直接法由于不需要專門發(fā)送導頻，因而效在這方面，直接法由于不需要專門發(fā)送導頻，因而效率高，而插入導頻法由于插入導頻要消耗一部分發(fā)送率高，而插入導頻法由于插入導頻要消耗一部分發(fā)送功率，因而效率要低一些。功率，因而效率要低一些。 精度精度：指接收端提取的載波與需要的載波比較，應該：指接收端提取的載波與需要的載波比較，應該有盡量小的相位誤差。誤差包括穩(wěn)態(tài)相位誤差與隨機有盡量小的相位誤差。誤差包括穩(wěn)態(tài)相位誤差與隨機相位誤差（噪聲引起）相位誤差（噪聲引起） 時效時效：同步建立時間快、同步保持時間長：同步建立時間快、同步保持時間長穩(wěn)態(tài)相差與隨機相差穩(wěn)態(tài)相差

26、與隨機相差* 使用帶通濾波器與鎖相環(huán)都能求出穩(wěn)態(tài)相差，可以通使用帶通濾波器與鎖相環(huán)都能求出穩(wěn)態(tài)相差，可以通過改進電路、加相位補償等方法消除穩(wěn)態(tài)相差。過改進電路、加相位補償等方法消除穩(wěn)態(tài)相差。 隨機相差是噪聲干擾引起的，可以采用正弦波加高斯隨機相差是噪聲干擾引起的，可以采用正弦波加高斯噪聲的分析方法進行分析，得出受噪聲影響載波相位噪聲的分析方法進行分析，得出受噪聲影響載波相位的變化。但噪聲干擾引起的隨機相差無法避免，對解的變化。但噪聲干擾引起的隨機相差無法避免，對解調器造成影響，使系統(tǒng)的信噪比惡化或誤碼率升高。調器造成影響，使系統(tǒng)的信噪比惡化或誤碼率升高。2)cos(1)(sin2exp)2(2)cos(2)2exp()/(2/12222/122 AerfA