t20第二十節(jié)第七章鎖相環(huán)

1、通信電路原理第七章鎖相環(huán)鎖相環(huán)非線性分析與應(yīng)用1鎖相環(huán)7.1 概述7.2 PLL基本原理各特性與數(shù)學(xué)模型環(huán)路方程和相位模型7.3 PLL的線性分析7.4 PLL的非線性分析7.5 集成鎖相環(huán)7.6 PLL應(yīng)用舉例附 AFC：自動(dòng)頻率控制2鎖相環(huán)是相位反饋系統(tǒng)，它自身的控制作用可以分為兩種情況來與捕獲鎖定時(shí)的過程環(huán)路原來是鎖定的，輸入信號(hào)的頻率或相位發(fā)生了變化，環(huán)路通過自身的調(diào)節(jié)跟上了輸入的變化假設(shè)相位誤差較小，從而從失鎖到鎖定的捕獲過程過程用局部線性化進(jìn)行分析處于失鎖狀態(tài)的環(huán)路，通過自身的調(diào)節(jié)作用，從失鎖到鎖定的過程失鎖時(shí)，VCO的起始振蕩角頻率（振蕩角頻率o0）不等于輸入信號(hào)頻率i0，也不滿

2、足誤差相位很小的條件，因此分析捕獲過程必須用非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析方法3de t K Hpsin t d1 t dtPFedt主要是指對(duì)PLL捕獲特性的分析7.4PLL的非線性分析所謂捕獲特性，包括環(huán)路從失鎖進(jìn)入鎖定狀態(tài)的條件、過程以及所需的時(shí)間如何保證環(huán)路能夠通過自身調(diào)節(jié)達(dá)到鎖定-條件捕捉帶有多大環(huán)路如何從失鎖到鎖定-過程從失鎖到鎖定所需時(shí)間-捕捉時(shí)間一般情況下，PLL環(huán)路剛啟動(dòng)工作時(shí)，輸入信號(hào)的角頻率i0與壓控振蕩器的振蕩角頻率o0不同，這個(gè)差別稱為起始頻差i= i0-o0，即環(huán)路方程中的輸入固有頻差4de t K H psin t d1 t dtPFedti同步帶：H KP0 KP HF 0

3、o0 P捕捉帶：P快捕帶：C同步帶和捕捉帶io0o0 H7.4.1o0 C同步帶環(huán)路在鎖定狀態(tài)下，壓控振蕩器能夠緩慢變化的最大范圍輸入信號(hào)頻率頻率超出這個(gè)范圍，環(huán)路失鎖同步帶是PLL保持鎖定所能達(dá)到的最大頻差捕捉帶環(huán)路起始處于失鎖狀態(tài)，如果起始頻差在某一個(gè)范圍內(nèi)，則必可以最終進(jìn)入鎖定狀態(tài)，如果超出這個(gè)范圍，則環(huán) 路不可能進(jìn)入鎖定狀態(tài)，這個(gè)范圍被稱為是捕捉帶捕捉帶是PLL能夠進(jìn)入鎖定的最大起始頻差捕獲過程中，如果相差的變化不超過2，那么稱為快捕，使得相差變化不超過2的最大起始頻差，稱為快捕帶5C P Hde t K tdHpsin t 1PFedtdt7.4.2一階PLL環(huán)路的非線性分析環(huán)路濾波

4、器為直通電路de t Ksin t Pei0o0idte t KP sine t i因變量：y e ty i KP sin x自變量：x e t以瞬時(shí)相差為自變量，以瞬時(shí)頻差為因變量，則可將非線性微分方程用非線性代數(shù)方程的形式理解，以簡(jiǎn)化對(duì)非線性系統(tǒng)的工作原理的分析6以 e為因變量（縱坐標(biāo)），以e為自變量（橫坐標(biāo)）構(gòu)成的函數(shù)坐標(biāo)平面稱為相平面，關(guān)系曲線被稱為是相圖或相軌跡y i KP sin xe iKP sine一階環(huán)路的相圖e曲線上的任何一點(diǎn)都表示系統(tǒng)的一個(gè)狀態(tài)，曲線上的點(diǎn)稱為是狀態(tài)點(diǎn)，曲線被稱為是相軌跡ey 0 :0KPiie 0caby 0 : eOa ey 0 : 0iarcsin穩(wěn)

5、態(tài)相差：eKP7y i KP sin xe i KP sine相軌跡與相軌跡上的平衡點(diǎn)相軌跡是有方向的曲線，橫軸上方的狀態(tài)點(diǎn)表示相差隨時(shí)間的增加而增加（方向向右），橫軸下方的狀態(tài)點(diǎn)表示相差隨時(shí)間的增加而減?。ǚ较蛳蜃螅?，橫軸上的狀態(tài)點(diǎn)表示相差不隨時(shí)間變化（進(jìn)入穩(wěn)態(tài)），稱為是系統(tǒng)的平衡點(diǎn)不穩(wěn)定平衡點(diǎn)b:假設(shè)有一擾動(dòng)使得狀態(tài)點(diǎn)向相差變大的方向移動(dòng)，由于狀態(tài)點(diǎn)在橫軸上方，相差將繼續(xù)擴(kuò)大，直至平衡點(diǎn)c；假設(shè)有一擾動(dòng)使得狀態(tài)點(diǎn)向相差變小的方向移動(dòng)，由于狀態(tài)點(diǎn)在橫軸下方，相差將繼續(xù)減小，直至平衡點(diǎn)a穩(wěn)定平衡點(diǎn)a,c8穩(wěn)態(tài)相差穩(wěn)定平衡點(diǎn)的相差為 arcsin i 2nn 0,1,2,.eKP其主值即是所謂的

6、穩(wěn)態(tài)相差 arcsin ieKP如果起始頻差很小，（非線性分析）穩(wěn)態(tài)相差和（線性分析）率階躍的穩(wěn)態(tài)相差一致過程中的頻 arcsin i ieKKPP9P KPC KPy i KP sin xH KPe iKP sine一階環(huán)的捕捉帶e只要i2n時(shí)（一階環(huán)捕捉帶外），鑒相器輸出電壓Vd周期波形上下不均衡，存在直流分量：對(duì)于一階環(huán)，VpVd，不均衡代表的直流分量表示VCO輸出頻率平均值靠近輸入頻率：即所謂的頻率牽引：一階環(huán)從Vd到Vp沒有積分作用，因而僅是頻率牽引卻無法鎖定d t 2 2 n sine sine t i0 ent相位鎖定頻率牽引dtp19瞬16采用有源比例積分濾波器n .185，

7、0瞬時(shí)頻14i 9時(shí)12瞬時(shí)頻差=輸入固有頻差-控制頻差10差頻86e0270 ，904差e0180 ，1802 0 ，360e00越來越小-2e0 90 ，270-4024681012141618212e0 90 ，27010i 08 0 ，360e0e0180 ，180642o00控制頻差-2270 ，90e0-4-6-802468101214161822v t 1.5 9 2d 0.741inv t 0.5p0-0.5 0.2-1-1.5-20510152025303540455021.5i 9 2n 3.33初始狀態(tài)點(diǎn)1捕捉過程 9, 3000.5ie00采用有源比例積分濾波器n 1.

8、85-0.5 0.9-1-1.5-2205101520253035404550vp t i 91.5 1.8VvpK510.5vd 0 0tvd-0.5-1頻率牽引相位鎖定進(jìn)入穩(wěn)態(tài) 1.6-1.5-2t-2.505101520253035404550 2TP i23n合適的阻尼系數(shù)：1附近 0.71.421.510.50-0.5 0.9-1-1.5-205101520253035404550210-1-2-3阻尼系數(shù)過大，相位鎖定時(shí)間過長-4 5-5-6-70510152025303540455022 2 7：平均效果: 2 12iTP采用有源比例積分濾波器初始狀態(tài)點(diǎn) 1.85， 0.923n

9、ni 9，e0 360,350,.3, 50,360頻率牽引時(shí)間 0，e 2n , n 0,1,2,.,3032阻尼系數(shù)適當(dāng)（1附近），頻率牽引時(shí)間近似可視為捕捉時(shí)間捕捉時(shí)間和初始相位有關(guān)，給定公式為平均效果302826242220181614121086420e t t-201234567891011121314151623 2 22TP in23n捕捉過程 HF21二階環(huán)捕捉過程分為頻率牽引和相位鎖定兩個(gè)階段頻率牽引時(shí)間和阻尼系數(shù)成反比關(guān)系阻尼系數(shù)越大，頻率牽引所需時(shí)間越少環(huán)路濾波器高頻增益高，利于誤差信號(hào)通過，從而頻率牽引過程較快結(jié)束，但相位鎖定時(shí)間可能很長21.510.50 2dt s

10、in sin -0.5 2enttnei0e-1dtp-1.5更快地進(jìn)入一階環(huán)的捕捉帶-2-2.505頻率牽引10相位鎖定152025303540455024起始頻差很?。嚎觳稁е畠?nèi) 2 dtsin sin t 2neteneipdt如果起始頻差i 2 n，無需積分作用，一個(gè)周期即可鎖定快捕帶c 2 n25 2dt sin sin 2ent-tneiedtp起始頻差較大：捕捉帶之內(nèi)如果起始頻差在快捕帶之外，環(huán)路濾波器對(duì)鑒相器輸出的差拍正弦信號(hào)的衰減較大，使得VCO產(chǎn)生的控制頻差的幅度小于初始頻差，因此不能在一周內(nèi)快捕對(duì)于一階環(huán)而言，如果初始頻差大于快捕帶，雖然鑒相器輸出有直流分量，但頻率牽引以

11、讓環(huán)路鎖定對(duì)于二階環(huán)而言，低通濾波器相當(dāng)于積分器，它將鑒相器輸出中的低頻分量累積，使得環(huán)路濾波器輸出的控制電壓幅度越來越大，平均頻差越來越小， VCO輸出頻率越來越接近于輸入頻率，一旦頻差減小到小于快捕帶，則在一個(gè)周期內(nèi)通過快捕過程，環(huán)路達(dá)到鎖定理想積分環(huán)路濾波器二階環(huán)的捕捉帶為無窮大，頻率牽引時(shí)間可能很大非理想積分濾波器的捕捉帶是有限的，頻率牽引時(shí)間有限 2TP i 2 K3n2PnP026實(shí)際制作鎖相環(huán)時(shí)，一般都采用一些措施加速捕捉加速捕捉的措施 2TP i23n擴(kuò)大環(huán)路帶寬環(huán)路帶寬可變，寬帶快速捕捉，窄帶實(shí)現(xiàn)鎖定和實(shí)用減小頻差外加掃描電壓，當(dāng)頻差較小時(shí)，掃描停止，環(huán)路快捕外加粗調(diào)電壓，使

12、VCO的頻率事先向輸入頻率方向變化數(shù)字控制環(huán)中，可將頻率電壓關(guān)系制表存于ROM中，用于預(yù)調(diào)VCO振蕩頻率采用鑒頻鑒相器替代鑒相器當(dāng)VCO的頻率和輸入頻率相差較大時(shí)，鑒頻功能在反饋環(huán)中起主要作用，相當(dāng)于AFC環(huán)，AFC的頻率誤差電壓迅速驅(qū)動(dòng)VCO的頻率接近輸入信號(hào)頻率，當(dāng)頻差減小到足夠小時(shí)，鑒相功能起作用，迅速實(shí)現(xiàn)相位鎖定采用鑒頻鑒相器，環(huán)路捕捉時(shí)間可近似為快捕時(shí)間27鑒頻鑒相器邊沿觸發(fā)的鑒頻鑒相器（ydetector, PFD）既可鑒頻，又可鑒相，特別適用于數(shù)字鎖相頻率器這里的數(shù)字鎖相頻率器指鎖相環(huán)中的鑒相器是數(shù)字型的，其輸入為脈沖或號(hào)相移0或180，鎖定后兩輸入信具有正弦鑒相特性的模擬相乘器

13、鑒相器，其輸入為正弦波，鎖定后兩信號(hào)有固定的90相移當(dāng)采用PFD代替PD，從一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換為另一個(gè)頻率值所需時(shí)間能夠縮小5倍以上28這里論述的工作波形和第8章課堂上將要上的T4044（pp448）的工作波形恰好反相，而與的MC145152的工作波形一致設(shè)鑒相器的兩個(gè)輸入信號(hào)的頻率分別為fR（參考信號(hào)頻率）和fV（VCO頻率） ，鑒相器產(chǎn)生兩個(gè)不互補(bǔ)的輸出R和V如果fVfR（,或fVfR，但V的相位超前R），則鑒相器輸出V為正脈沖，且脈沖寬度與兩信號(hào)的頻率差或相位差有關(guān)，而輸出R一直為低電平如果fVfR，且V和R同相，則電路的輸出R和V除了有極短暫的同相正脈沖外，兩者都保持低電平29R工作原理V鑒

14、頻鑒相器RV鑒相波形圖RRVVRR VV30由于R和V脈沖寬度和兩個(gè)輸入信號(hào)的頻率差或相位差有關(guān)（成正比），所以vd(t)具有鑒頻和鑒相功能，通過環(huán)路濾波器的作用，取出其直流分量，用于控制VCO的輸出頻率（和相位）差分型積分濾波器作LFCR2R1RR1Vvd t R t V tvp s H svd s31R2Cvp如果fVfR,或fVfR，但V的相位滯后R，則鑒相器輸出R為正脈沖，脈沖寬度與兩信號(hào)的頻率差或相位差成正比，而輸出V一直為低電平電荷泵電路作LFVDDR相位領(lǐng)先V，則V為低電平，開關(guān)S2I1斷開；R為正脈沖，開關(guān)S1隨R的0、1變化而開關(guān)R 當(dāng)R為1時(shí)，S1導(dǎo)通，電流源I1向電容CP

15、充電，電壓vp升高且為正S1當(dāng)R為0時(shí)，S1斷開，電容CP上的電荷p保持因此，電容CP上的電壓vp和R上的正 脈沖寬度成正比，也就是和R和V的頻SV率差或相位差成正比CP2反之，R相位V，電容CP則通過開關(guān)S2放電， vp降低甚至為負(fù)直至V和R同頻同相，使得V和R同時(shí)I2為0，兩個(gè)開關(guān)S1和S2均斷開，輸出電壓保持常數(shù)-進(jìn)入鎖定狀態(tài)32v鑒頻鑒相器和電荷泵的組合采用鑒頻鑒相器與電荷泵組合的一個(gè)特點(diǎn)是，如果R一直為正脈沖，給電容充電的結(jié)果可使控制電壓vp趨于+，如果V一直為正脈沖，給電容放電的結(jié)果可使控制電壓vp趨于-該鎖相環(huán)的捕捉帶僅由VCO的可變頻率范圍決定，因?yàn)榭刂齐妷嚎梢赃_(dá)到足夠大該鎖相

16、環(huán)鎖定后，參考信號(hào)R與VCO輸出信號(hào)V之間的相位差一定為0（同頻同相），因?yàn)榧词故菬o限小的相位差，也會(huì)在電容CP上形成無限的電荷積累鑒頻鑒相器和電荷泵的數(shù)學(xué)模型可等效為一個(gè)理想積分器，于是其開環(huán)傳遞函數(shù)的相頻特性為常數(shù)180，環(huán)路必然是不穩(wěn)定的，因此，實(shí)際電路總是將一個(gè)電阻R與CP串聯(lián)，在開環(huán)傳遞函數(shù)中引入一個(gè)零點(diǎn)，以提高環(huán)路的穩(wěn)定性33只做簡(jiǎn)單介紹分類、NE565集成鎖相環(huán)、數(shù)字鎖相環(huán)7.5集成鎖相環(huán)模擬環(huán)（APLL）通用型VCO，PD，（+放大器）型具有解調(diào)功能數(shù)字環(huán)（DPLL）通用型VCO，PD，（+分頻器）型用于頻率器34NE565集成鎖相環(huán)VCC6R1,C1為定時(shí)電C2阻和定時(shí)電容2

17、5PDC2和放大器輸7出阻抗組成RC積分環(huán)路濾波器pp456-463， PSPICE仿真結(jié)4VCO893101果輸入為頻率斜CR11升信號(hào)VVVVEECCEECC35數(shù)字鎖相環(huán)：DPLLDPLL已成為全數(shù)字相干通信、和頻率綜合器中的器件由于全部采用數(shù)字電路，受干擾的影響較模擬電路小，工作可靠性較高，易于大規(guī)模集成通常振蕩器不直接受控，受控的是分頻比，這將有利于提高環(huán)路的性能數(shù)字鎖相環(huán)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)其功能可以用在微處理器中實(shí)現(xiàn)，改變?cè)O(shè)定參數(shù)即可改變環(huán)路性能，具有很大的靈活性缺陷是的工作速度遠(yuǎn)達(dá)不到硬件的速度36數(shù)字控制振蕩器數(shù)字濾波器抽樣相位檢測(cè)器7.6鎖相環(huán)的應(yīng)用鎖相環(huán)路具有許多

18、獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)無誤差的頻率頻率綜合器通過對(duì)環(huán)路濾波器參數(shù)的控制，實(shí)現(xiàn)入信號(hào)載波變化或角度調(diào)制變化輸載波調(diào)制環(huán)-鎖相環(huán)-高質(zhì)量頻率解調(diào)器377.6.1窄帶濾波器一般的超外差，考慮到接收信號(hào)的頻率漂移和本振信號(hào)的不穩(wěn)定，中頻放大器的通頻帶必須保持一定的寬度，這個(gè)寬度可能超過接收信號(hào)的帶寬，使得接收機(jī)附加噪聲影響加大，不利于微弱信號(hào)的接收當(dāng)?shù)孛嬲窘邮瞻l(fā)送過來的無線電信號(hào)時(shí)，由于距離遙遠(yuǎn)，信號(hào)極為微弱繞地球飛行時(shí)，由于效應(yīng)，地面站接收到的信號(hào)的頻率將偏離發(fā)射信號(hào)的頻率，且其值在一個(gè)比較大的范圍內(nèi)變動(dòng)這種中心頻率在大范圍內(nèi)變化的微弱信號(hào)，普通接收，勢(shì)必要求有足夠大的帶寬，信噪比嚴(yán)重下降，無法有效檢測(cè)出

19、有用信號(hào)而利用PLL的窄帶特性，則可解決這一問題38參考信號(hào)是高度穩(wěn)定的中頻信號(hào)源:fr混頻器輸出中頻fI等于參考信號(hào)頻率fr由于窄帶環(huán)在載頻處相當(dāng)于高Q帶通濾波器，因此又被稱為輸入信號(hào)fs有頻漂，PLL使得本振fLO這個(gè)頻漂是窄帶濾波器鎖相fIfrfrffsI NfofLOfo39頻率捕捉鋸齒波掃描電路測(cè)速測(cè)距環(huán)路濾波器壓控振蕩器倍頻器鑒相器限幅器中頻放大器混頻器解調(diào)器對(duì)于抑制載波的調(diào)幅方式和數(shù)字相位鍵控信號(hào)，相干解調(diào)是較好的解調(diào)方式要實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)，需要一個(gè)與輸入載波頻率相等和很小相差的本地參考載波7.6.2載波恢復(fù)如果輸入信號(hào)內(nèi)含有載波頻率分量，則可用一個(gè)帶寬很窄的濾波器將其提取出來PLL

20、的帶寬可以做得很窄，而且能夠載波頻率的變化，所以用它來提取載波特別合適有時(shí)用導(dǎo)頻方法，使得信號(hào)中含有載波成分含有載波分量調(diào)幅波的同步檢波電路采用窄帶調(diào)幅信號(hào)環(huán)獲得相干的本地載波解調(diào)電壓40低通濾波器90壓控振蕩器環(huán)路濾波器鑒相器對(duì)于移相鍵控(PSK)信號(hào)和抑制載波的調(diào)幅信號(hào)，由于其頻譜中不包含有載頻分量，故不能直接用載波環(huán)提取載波必須采用非線性變換，將信號(hào)中的載波信息變換成載平方環(huán)波分量，再用窄帶解調(diào)環(huán)提取出載波，用于相干v1 t 中頻信號(hào):BPSKvi t vi t dtcosct t 22dvit 1 cost 22c2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號(hào)d t v t 1 cos2 t 21c2平方環(huán)利用

21、平方律器件的平方作用，將無載頻分量的輸入信號(hào)變換為有載頻倍頻分量的信號(hào)輸出，用載波干載頻環(huán)提取出此倍頻分量，再經(jīng)分頻可獲得相41LPFf/2VCOLFBPF 2考環(huán)廣泛v t 1 d 2 t V 2 1 V 2sin2 t 應(yīng)用于解調(diào)各種omomd12e84數(shù)字調(diào)制信號(hào)中Costas環(huán)d t v490vvvi2vdov10v3vi t dtsinct 1 v1t Vom cosct 2 v t Vcos t oomc2v2 t Vom sinct 2 v t 1 d t Vsin v t 1 d t Vcos 423om1224om122LPFLFVCOLPF如果是窄帶調(diào)頻，由于其頻譜中含有較

22、強(qiáng)的載波分量，可供環(huán)路用，鎖相環(huán)作成窄帶環(huán)，那么鑒相器輸出就反映了輸入調(diào)頻波和VCO載波信號(hào)的相位差，經(jīng)微分后，則可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻波的解調(diào)7.6.3鎖相鑒頻器vout t vd t Kd e t Kd mFsintvout t t vFM如果是寬帶調(diào)頻，其頻譜中載波分量較弱，鎖相環(huán)難以進(jìn)行載波，尤其是寬帶調(diào)頻的頻偏很大，最大相位偏移大，如果設(shè)計(jì)成為窄帶環(huán)，大的相位偏移將成為誤差信號(hào)的一部分，使得鑒相器進(jìn)入非線性工作區(qū)，因此對(duì)于寬帶調(diào)頻，應(yīng)設(shè)計(jì)為調(diào)制環(huán)43輸出濾波器LFVCOPD微分+輸出濾波器為了實(shí)現(xiàn)不失真解調(diào)，環(huán)路的帶寬必須大于輸入調(diào)頻波調(diào)制信號(hào)的頻譜寬度，環(huán)路的捕捉帶P必須大于輸入調(diào)頻波的最大頻偏m調(diào)制環(huán)v t Vsin t msintc o0iimcfiv t Vcos t msint H jmfimfooomcfoH t d t mcost v t KopocfoHo0dtH jmfiv t mfo cost cost pHHKKH j m cost H j KF V cost mHHKK-1如果環(huán)路的傳輸特性在 處近似為1，則有vp t Vm cos t v f t 44調(diào)頻波調(diào)相調(diào)頻波解調(diào)輸出鎖相鑒頻性能優(yōu)越vout t vFM t PDLF鎖相鑒頻類似于正交鑒頻，都是將輸入調(diào)頻波和一相關(guān)信號(hào)相乘再通過低通濾波器正交鑒頻中