锁相环之环路捕获能,汪冰伦.doc

锁相技术课程论文 院（系） 信息科学与工程学院 专 业 通信工程 届 别 2011级 班 级 2 学 号 1115105048 姓 名 汪冰伦 讲 师 刘菁华 锁相环的环路捕获的分析 汪冰伦 （华侨大学信息科学与工程学院） 摘要：在锁相环平时的学习过程中，我们经常是假定环路已经锁定的前提下来讨论各种问题的。然而在实际工作中，例如开机、换频或者由开环到闭环，一开始环路总是失锁的，因此环路需要处理而进入锁定状态，我们把这种处理称为捕获。本文将分析环路捕获的过程、捕获带与捕获时间等内容，提供一些理论基础。 关键词：锁相环；捕获；捕获过程；捕获时间The Analysis of Phase Locked Loops loop Capture Wang Binglun(Information Science and Engineering Academic ,HuaQiao University) Abstract: In the daily study of Phase Locked Loop,formally ,loops are always considered locked .However in practical work,for example,when boot,changing frequency and change the state of loop,loops are often loss of lock.So,loop should be handled to be locked.And we name this process “loop capture”.Some theories will be analysed ,for example the process of loop capture ,capture time ect. Key words:PPL；Capture；Capture process；auxiliary capture 目录0引言.21 捕获的基本概念.2 1.1捕获.2 1.2相位捕获与频率捕获. .2 1.3自捕获与辅助获.2 1.4捕获性能的分析方法. .32捕获的过程与捕获特性.3 2.1捕获过程.3 2.2捕获过程的特性.63捕获带与捕获时间.6 3.1 二阶环的快捕带与快捕时间. .6 3.2 二阶环的捕获带与捕获时间. .74 结论.70引言 锁相环是指一种电路或者模块，它用于通信的接收机中，其作用的对接受到的信号进行处理，并从其中提取出某个始终的相位信息。或者说，对于接受到的信号，仿制一个始终信号，使得这两个信号从某种角度来看是同步的。系统刚启动时，或者在系统工作的一些时刻，锁相环的环路有可能是没有锁定的，因此环路的捕获对于锁相环是必不可少的。经过近几十年的发展，捕获技术已经比较成熟，下面我们开始介绍，分析。1 捕获的基本概念1.1捕获 环路从开始状态进入锁定状态的过程称为捕获。1.2相位捕获与频率捕获 相位捕获在捕获过程中, 相位差没有2的周期跳越。在一阶环中, 没有环路滤波器, 只有压控振荡器一个固有积分环节, 所以一阶环只有相位捕获。 频率捕获在二阶环中，存在两个积分环节： 当时，会产生稳定的差拍状态，环路会失锁；当时，环路只有相位捕获过程；当时，环路滤波器中的积分环节会差拍波中的直流分流积分，不断牵引着VCO的振荡频率往输入频率的方向靠近，最终导致环路锁定。这一过程就是频率捕获过程或频率牵引过程。1.3自捕获与辅助捕获 自捕获如果环路依靠自己的控制能力达到捕获锁定, 称这种捕获过程为自捕获。 自捕获慢、范围小、不太可靠。 辅助捕获若环路借助于辅助电路才能实现捕获锁定, 则称这种捕获过程为辅助捕获。辅助捕获也有相位捕获与频率捕获之分。1.4捕获性能的分析方法 在捕获过程中, 瞬时相差将在大范围内变化, 甚至有多个2的周期跳越。捕获过程为一种非线性现象。常用的近似方法有： (1) 相平面法。 这是一种利用平面关系图形图解分析二阶非线性微分方程的方法。 (2) 准线性法。 它基于环路中含有低通滤波环节的事实, 鉴相器输出的任何形式的差拍周期信号, 经过低通滤波器以后, 都可近似为直流与正弦信号的和。2捕获的过程与捕获特性2.1捕获过程 为了理解环路的捕获性能, 必须先了解环路的捕获过程。 为此我们借助于非理想二阶环的相平面图来作出其捕获过程的时间图。 所谓相平面图是指环路相差e与其导数的关系图形。 把和代入中得： （1-1）再将上式两边除以 得轨迹方程： （1-2）图1-1实际上是具有无源比例积分滤波器的二阶环, 在给定环路参数的条件下, 环路方程的图解表示。 图中实际的纵坐标为：图1-1（相平面图） 令方程(1-1)式中dedt=0,d2edt2=0, (1-3) 可得稳定平衡点: (1-4) 不稳定平衡点： 式中n=0,1,2。由（1-3）可以看出，当n=0时， （1-5） 这就是考虑了鉴相特性非曲线后，环路稳态剩余相差的表达式。尽管在图1-1上没有表示出时间，但是却隐含着和随时间的运动信息。根据相平面绘出t和t的曲线，首先必须把或者变化对于的时间间隔计算出来： ( 1-6) (1-6)式就是计算时间间隔的近似公式。把用（1-6）式计算出来的所有时间间隔加起来，标在横坐标上，而把与每一时刻相对应的和值标在纵坐标上，再把由这些坐标所决定的平面上的点连起来，即可得到它们关于时间的曲线，如下图(a)、(b)所示： 根据t曲线,由关系式 可以画出鉴相器输出电压随时间的变化曲线，如图(c)所示。 在固定频率输入的情况下,存在关系 所以环路的滤波器输出的控制电压为：可得控制电压Uc（t）,如图（d）所示2.2捕获过程的特性 从图（ad）这组曲线,可以清晰地看到环路从起始到锁定的捕获全过程。下面我们将对捕获全过程作进一步说明。 捕获过程的特性表现为4步： 1：LF对差拍电压中的交流分量进行按比例衰减，同时对直流分量进行积分。 2：当时，频率捕获过程相位捕获过程（一阶环没有频率捕获过程，因为没有直流分量的积分环节） 3：交流分量进行按比例衰减后，对VCO进行调频，锁定后控制电压的交流分量消失，为纯直流分量。 4：当，一阶环与非理想二阶环不能锁定，理想二阶环经长时间的积分后可进入锁定。3捕获带与捕获时间 捕获带保证环路必然进入锁定的最大固有频差。 快捕带保证环路在一个周期内进入锁定的最大固有频差。 捕获时间频率捕获过程所需要的时间。 快捕时间相位捕获所需的时间。 捕获带和捕获时间的精确分析必须严格求解环路的非线性微分方程，很困难。目前一些学者采用准线性近似法来分析捕获带和捕获时间，其结果在工程上有适用价值。3.1 二阶环的快捕带与快捕时间 在失锁状态下,鉴相器的输出是一个差拍电压。由于环路滤波器对差拍电压按比例衰减,使控制电压减小。这样,对于使用有源或无源比例积分滤波器的二阶环路来说,环路高频增益为因此,在失锁状态下,控制频差起码可以达到 那么大。如果固有频差，则环路相差可以不经周期跳跃而快速锁定，故快捕带为：而最大快捕时间为： 3.2 二阶环的捕捉带与捕捉时间 使用准线性近似法得到的捕获带的计算公式：捕获带 ：保证环路必然进入锁定的最大固有频差适用范围：1.具有正弦鉴相特性的环路；2.环路滤波器可以任意阶次的。4结论 1：LF对差拍电压中的交流分量进行按比例衰减，同时对直流分量进行积分。 2：频率捕获过程相位捕获过程（一阶环没有频率捕获过程，因为没有直流分量的积分环节） 3：锁定后，控制电压为直流分量。 4：，一阶环与非理想二阶环不能锁定，理想二阶环经长时间的积分后可进入锁定。 参考文献(References)1郑继禹，张厥盛，万心平，郑霖编著.锁相技术 西安电子科技大学