锁相环性能分析.doc

锁相环性能分析林倩倩 现代通信技术实验室锁相环是一个使输出信号（由振荡器产生的）与参考信号或者输入信号在频率和相位上同步的电路。是实现两个信号相位同步的自动控制系统。在同步(也成为锁定) 状态，振荡器输出信号和参考信号之间的相位差为零，或者保持常数。60年代初随着数字通信系统的发展，锁相环应用愈广，例如为相干解调提取参考载波、建立位同步等。锁相环技术目前的应用集中在以下三个方面：第一，信号的调制和解调；第二，信号的调频和解调；第三，信号频率合成电路。锁相环 (phase-locked loop)为无线电发射中使频率较为稳定的一种方法,主要有VCO(压控振荡器)和PLL IC ,压控振荡器给出一个信号,一部分作为输出,另一部分通过分频与PLL IC所产生的本振信号作相位比较,为了保持频率不变,就要求相位差不发生改变,如果有相位差的变化,则PLL IC的电压输出端的电压发生变化,去控制VCO,直到相位差恢复!达到锁频的目的!能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路锁相环的基本组件包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，三者共同形成了一个负反馈结构，如图1所示。鉴相器用于判断压控振荡器的输出信号与输入信号之间的相差幅度，输出至低通滤波器进行滤波和平滑，以消除高频干扰和其他不稳定因素的影响，并以此作为压控振荡器的控制信号；压控振荡器根据相位误差信号，自适应的调节内部时钟输出信号，使其频率和相位与输入信号保持一致，完成锁相功能。数字锁相环的工作原理为：数字锁相环主要由相位参考提取电路、晶体振荡器、分频器、相位比较器、脉冲补抹门等组成。分频器输出的信号频率与所需频率十分接近，把它和从信号中提取的相位参考信号同时送入相位比较器，比较结果示出本地频率高了时就通过补抹门抹掉一个输入分频器的脉冲，相当于本地振荡频率降低；相反，若示出本地频率低了时就在分频器输入端的两个输入脉冲间插入一个脉冲，相当于本地振荡频率上升，从而达到同步。1 鉴相器：用于判断锁相器所输出的时钟信号和接收信号中的时钟的相差的幅度; 2 可调相/调频的时钟发生器器：用于根据鉴相器所输出的信号来适当的调节锁相器, 内部的时钟输出信号的频率或者相位,使得锁相器完成上述的固定相差功能; 3 环路滤波器：用于对鉴相器的输出信号进行滤波和平滑,大多数情形下是一个低通滤波器,用于滤除由于数据的变化和其他不稳定因素对整个模块的影响。鉴相器的工作原理是：设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为： （式中的0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。则模拟乘法器的输出电压uD为：用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uC（t）。即uC（t）为： 式中的i为输入信号的瞬时振荡角频率，i（t）和O（t）分别为输入信号和输出信号的瞬时位相，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为： 即 则，瞬时相位差d为 对两边求微分，可得频差的关系式为 上式等于零，说明锁相环进入相位锁定的状态，此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态，uc（t）为恒定值。当上式不等于零时，说明锁相环的相位还未锁定，输入信号和输出信号的频率不等，uc（t）随时间而变。因压控振荡器的压控特性如图8-4-3所示，该特性说明压控振荡器的振荡频率u以0为中心，随输入信号电压uc（t）的变化而变化。该特性的表达式为 上式说明当uc（t）随时间而变时，压控振荡器的振荡频率u也随时间而变，锁相环进入“频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持0=i的状态不变。 锁相环性能分析设为相位误差，为鉴相器增益，鉴相器的数学模型为： 因此，鉴相器的数学模型是一个增益为的简单的零阶模块。鉴相器的传输函数可以写为： 设环路滤波器的传输函数为，分析VCO的传输函数，我们知道VCO的角频率可以表示为：其中称为VCO的增益。我们对频率的变化积分得到相位 对上式进行拉普拉斯变换，得到VCO的传输函数：所以对于信号来说，VCO可以简单的看成一个积分器。相位的传输函数 N为分频系数系统误差传输函数定义为把误差相位与输入相位联系起来。和之间有一个简单的关系式： 锁相环在调制和解调中的应用（1）调制和解调的概念为了实现信息的远距离传输，在发信端通常采用调制的方法对信号进行调制，收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号。所谓的调制就是用携带信息的输入信号ui来控制载波信号uC的参数，使载波信号的某一个参数随输入信号的变化而变化。载波信号的参数有幅度、频率和位相，所以，调制有调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）三种。调 幅波的特点是频率与载波信号的频率相等，幅度随输入信号幅度的变化而变化；调频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，频率随输入信号幅度的变化而变化；调 相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，相位随输入信号幅度的变化而变化。调幅波和调频波的示意图如图8-4-4所示。上图的（a）是输入信号，又称为调制信号；图（b）是载波信号，图（c）是调幅波和调频波信号。解调是调制的逆过程，它可将调制波uO还原成原信号ui。FM波的瞬时角频率可表示为假设VCO具有线性控制特性，其斜率Kv（压控灵敏度）为（弧度秒伏），而VCO在Sd(t)0时的振荡频率为o，则当有控制电压时，VCO的瞬时角频率为。令上两式相等，即v(t)FM(t)，可得其中o为FM波的载频，o为压控振荡器的固有振荡频率，两者皆为常数。因此上式第一项为直流项，可用隔直元件消除，或者开始时已经把压控振荡器的频率调整为o=o。因此上式还可进一步写成。锁相环输出，除了常系数KfKv之外，近似等于原调制波形f(t)，因而达到频率解调的目的。同理，锁相环也可用于解调PM信号，此时只需在输出端接入一个积分器就可以了。通过合理选择环路参数（主要是环路滤波器的参数）可以在满足解调要求的条件下使闭环带宽尽可能窄，以便抑制噪声。因此锁相环具有良好的噪声性能。当接收信号电平微弱，噪声成为主要考虑因素时，采用PLL解调器可以改善解调性能，它可用于各种移动FM电台、微波接力系统、卫星通信系统以及电视、遥测等系统中，它与普通鉴频器相比，门限改善可达6dB，所以PLL解调器又称为门限扩张解调器或低门限解调器。锁相环的用途是在收、发通信双方建立载波同步或位同步。因为它的工作过程是一个自动频率（相位）调整的闭合环路，所以叫环。锁相环分模拟锁相环和数字锁相环两种。模拟锁相环主要由相位参考提取电路、压控振荡器、相位比较器、控制电路等组成。压控振荡器输出的是与需要频率很接近的等幅信号，把它和由相位参考提取电路从信号中提取的参考信号同时送入相位比较器，用比较形成的误差通过控制电路使压控振荡器的频率向减小误差绝对值的方向连续变化，实现锁相，从而达到同步。数字锁相环主要由相位参考提取电路、晶体振荡器、分频器、相位比较器、脉冲补