第1章同步的基本原理

1、 p 同步技术在通信中的重要性同步技术在通信中的重要性 概概 述述 采用相干解调时 接收端需要提供一个相干载波 n载波同步 与所收到的已调制载波同频同相 相干载波的获取就称为载波同步 iii ttmtusin如：接收信号 在接收端若有 iit tu sin 0 )22cos(1 2 1 0iii ttmtutu 低通滤波后就可得到调制信号 tm 概概 述述 则 数字通信中，信息是一串相继的码元 序列，接收端解调判决时，必须要有一个 抽样判决定时脉冲序列，它要和接收码元 的终止时刻对齐。 接收端产生与接收到的码元重复频率 和相位一致的定时脉冲序列过程称为码元 同步或位同步。 n 位同步 概概 述

2、述 n群同步或帧同步 数字通信中，信息是以若干个码元组 成一个“字”，又用若干个“字”组成一 句。接收端为了正确恢复信息，需要产生 与“字”、“句”起止时刻相一致的定时 脉冲序列 。产生此定时脉冲序列的过程称 为群同步或帧同步。 概概 述述 n 网同步 整个通信网内要有统一的时间节拍 n 扩频码同步 在扩展频谱通信系统中，接收端为了 能正确恢复信息码元，产生用于解扩的伪 随机码必须与发送端的伪随机码同步。 概概 述述 p如何实现同步？如何实现同步？ 首先要掌握同步技术 用同步技术解决通信中的同步问题 概概 述述 同步系统性能的降低，会直接导致系 统性能的降低，甚至使通信系统不能工作。 为了保证

3、信息的可靠传输，要求同步系统 应有更高的可靠性。 n 锁相环锁相环-同步技术的核心部件 环路的组成、工作原理、 环路的性能分析 n 数字锁相环数字锁相环 奈奎斯特型数字锁相环(NR-DPLL) 插/扣脉冲型DPLL p 课课 程程 内内 容容 概概 述述 n 载波同步载波同步 平方环、同相正交环、判决反馈环 自动频率控制、开环载波频偏估计法 n 符号同步方法 早迟门锁相环法 、数字插值法 n 扩频码同步 全数字非相干延迟扩频码跟踪环 概概 述述 第第1 1章章 锁相环的基本工作原理锁相环的基本工作原理 主要内容 1.1 基本概念与锁相环的组成 1.2 环路工作原理与相位模型 1.3 环路动态方

4、程 1.4 环路的工作过程 1.5 环路的基本部件 锁相环（锁相环（PLLPLL） 完成两个信号相位同步的自动控制系统完成两个信号相位同步的自动控制系统 Phase-Locked LoopPhase-Locked Loop 1.1基本概念与锁相环的组成 设 输入信号 接收端本振信号 ( )sinsin iiiii u tUtUt )( sinsin)( 00000 tUtUtu 1.1基本概念与锁相环的组成 当当 0 i 0 tt 称输入信号与本振信号相位完全一致或基本一致 时 p什么是相位同步？ 相位同步相位同步 锁相环是实现相位同步的自动控制系统 两个信号的频率相等 相位差为0或为一小常数

5、 称这两个信号相位同步 锁相环如何实现相位同步？ 1.1基本概念与锁相环的组成 p 锁相环的组成部件 n 鉴相器 (PD) Phase detector n 环路滤波器 (LF) Loop filter n 压控制振荡器 (VCO) Voltage-controlled oscillator 1.1基本概念与锁相环的组成 组成框图描述组成框图描述 p 锁相环的组成框图 输入信号电压与输出信 号电压之间的完整关系 1.1基本概念与锁相环的组成 比较输入信号和输出信号的相位 并将相位误差转换成误差信号 反映相位误差 的大小和极性 p 环路各部件的作用 n鉴相器鉴相器 (PD) 1.1基本概念与锁相

6、环的组成 LF是一个低通滤波器 滤除高次谐波和噪声 稳定校正 改善动态品质因素 n环路滤波器环路滤波器 (LF) 1.1基本概念与锁相环的组成 n压控制振荡器 ( VCO ) 振荡频率受电压控制的振荡器 t v maxv 0 c u 为控制电压 为瞬时振荡频率 c u v t 如 压控特性曲线 1.1基本概念与锁相环的组成 0v t 随随 的变化而变化的变化而变化 并将频率的变化转换成相位的变化并将频率的变化转换成相位的变化 称为称为VCO的固有振荡频率的固有振荡频率 0 c u 0 c u c u 当当 时时 v t 0 当当 时时 1.1基本概念与锁相环的组成 ( )sinsin iiii

7、i u tUtUt tUttUtu coscos 00000 p基本概念 设 环路输入信号、输出信号为 tui ii tt tu0 00 ttt 的瞬时相位 的瞬时相位 1.1基本概念与锁相环的组成 0 i 00 ii tttt 不同步 瞬时相位差 t t输入信号相位与输出信号相位 n当环路没工作时 随着时间的增加而增大 1.1基本概念与锁相环的组成 0 0 tt tt 能使输入信号与输出信号的频差为0 相位误差为0或为一个小的常数 实现了相位同步 此时环路的状态 称为同步状态 n 当环路工作时 1.1基本概念与锁相环的组成 当当输入固定频率信号时， 环路的同步状态， 称为锁定状态或称为相位锁

8、定。 输出信号相位锁定在输入信号相位上 这种同步控制系统称为PLL 锁相环锁相环 1.1基本概念与锁相环的组成 环路锁定后，当输入信号频率或相位发生变 化时，环路便自动调节，使输出信号频率或 相位随之而发生变化。 也称为相位同步 tt tt 在整过变化过程中 1.1基本概念与锁相环的组成 锁定状态是一个静态的相位同步状态 跟踪状态是一个动态的相位同步状态 输入信号频率缓慢变化时， 环路维持相位同步称为跟踪状态。 分析锁相环是如何实现相位同步？ 要建立环路的功能（相位）模型 1.1基本概念与锁相环的组成 p 环路基本部件功能模型 函数关系有PD的结构 决定反映PD特性 相位误差 1.2 环路工作

9、原理与相位模型 由PD功能可得： 误差电压 tftu ed n鉴相器的功能模型 )( coscos 00000 tUttUtu )(sinsintUttUtu iiiii n正弦鉴相特性PD的功能模型 设 结构和原理 1.2 环路工作原理与相位模型 结构图 ttt tttUUk tutuk ii iiim im 00 000 0 sin sin 2 1 )()()()( 1000 tttttt ii )()()()( 001 ttttt iii 称为输入信号以 为基准的瞬时相位 t 0 其中 令 乘法系数 1.2 环路工作原理与相位模型 称为环路的固有频率差 其中 )()()( 2000 tt

10、ttt 00 i tt 02 ttUtu ii10 sin ttUtu 2000 cos 令 1.2 环路工作原理与相位模型 ttt e21 ttUUktu ttt ttUUktutuk imd i imim 210 00 2100 sin 2 1 )( 2sin sin 2 1 . 2 1 0 UUkU imd 为相位误差 令 为乘法器输出信号的幅度 1.2 环路工作原理与相位模型 数学模型 相位模型 鉴相特性曲线 e 2 2 tUtu edd sin tud 1.2 环路工作原理与相位模型 数学模型数学模型 功能模型功能模型 n环路滤波器（环路滤波器（LF） tupFtu dc 由LF的结

11、 构决定 1.2 环路工作原理与相位模型 n VCO的相位模型的相位模型 tuKt cv00 0 00 0 02 ( ) ( ) ( ) ( ) t v t c tt dt tKu t dt tt maxv 0 tuc 0 t v 0 K 控制灵敏度 （选择线性段工作） 1.2 环路工作原理与相位模型 相位模型 数学模型 )()()( 0 0 02 tu p K tdtuKt c t c 1.2 环路工作原理与相位模型 p环路的相位模型（功能模型） 环路的相位模型反映了输入瞬时相位环路的相位模型反映了输入瞬时相位 与输出瞬时相位与输出瞬时相位 之间的关系之间的关系 是一个相位负反馈控制系统是一

12、个相位负反馈控制系统 t 1 t 2 1.2 环路工作原理与相位模型 p 环路工作原理 nPD鉴别出输入信号和输出信号的相位差，并 将相位差转换成误差电压 ； n误差电压经LF滤波后得到控制电压； n控制电压控制VCO的振荡频率，使其向输入 信号的频率靠拢，最终使得输出信号频率和输 入信号频率相等，相位差为0或为一个小常数 ， 实现相位同步。 1.2 环路工作原理与相位模型 1.3 环路动态方程 p tu Ktttt c e0121 tuKtptp ce01 tUpFKtp ed sin 01 1 sin ee ptptKF pt d UKK 0 为环路增益因子单位 rad/s 或 Hz 环路

13、动态方程 p 动态方程（数学模型） 当 时，动态方程是一阶 1F p 1 sin ee ptptKt称此环路为一阶环 n环路动态方程是非线性微分方程 n环路的阶数等于LF的阶数+1 1.3 环路动态方程 非线性来源于PD 方程的阶数取决于LF的阶数 p动态方程的物理意义 称为固有频差 i tt 01 01 tp 设 称在 的控制下产生的控制频差tuc ttptptp vie 21 称为瞬时频差 002 ttuKtp vc 1.3 环路动态方程 瞬时频差瞬时频差 = = 固有频差固有频差 - - 控制频差控制频差 1.3 环路动态方程 n环路刚开始工作时，瞬时频差 = 固有频差 n环路进入锁定时

14、，瞬时频差为0 控制频差 = 固有频差 维持锁定的相位差，称为稳态相差 n动态方程适用于环路锁定和失锁的情况， 它描述了环路的整个过程。 e 1.3 环路动态方程 VU d 2 VHzK/10 4 0 srad/102 6 0 srad i /1010102 3 ?)(tuc ?)( e 例题：已知正弦鉴相特性的一阶环，鉴相 器输出最大电压 VCO的控制灵敏度 固有振荡角频率 问：当 环路锁定所需的控制电压 稳态相位误差 1.3 环路动态方程 62 1 sin 104 102 sinsin)( 1 4 4 101 K e 0 sin e K tutu dc 一阶环 1 102 102 )( 4

15、 4 0 0 K tu c控制电压 )( 00 tuK c 环路锁定时，瞬时频差为0 srad i /1021021010102 463 00 解：环路增益 sradKUK d /104 4 0 1.3 环路动态方程 小结（重点掌握内容）小结（重点掌握内容） tpKFtp ee sin 0 环路动态方程 环路相位模型 环路基本工作原理 VCO的振荡频率为什么向 输入信号频率靠近？又如何靠近？ 不论输入信号频率为何值 环路都能锁定？ 深入理解深入理解 i tt 01 0 00 i sin dde u tUt 0 0 K 设输入为固定频率正弦信号 1.4 环路的工作过程 当开关打开时 0 sins

16、in dded u tUtUt tpKFtp ee sin 0 环路参数确定后环路参数确定后 环路能否锁定环路能否锁定 取决于固有频差的大小取决于固有频差的大小 由动态方程 可知 1.4 环路的工作过程 0 p 很大 0 C ut 0 tUtu dd0 sin 开关合上后 加到VCO 上的 VCO 的振荡频率仍为固有振荡频率 PD输出仍然是一个对称的差拍波 环路不能锁定 是一个对称的差拍 波且被LF完全抑制 0 sin dd utUt 特点：误差电压 1.4 环路的工作过程 0 p 较小 （ ） 00 sin( C d utU F jt 0 )F j tuKt cv00 tUtu dd0 si

17、n在LF的通带之内 开关合上后 幅度较大 dc UjFKUK 0000 在环路中所设置的开关打开时 1.4 环路的工作过程 dc UjFKUK 0000 1.4 环路的工作过程 环路工作过程示意图 ( ) e t n 环路此过程特点 n 快捕时间 快捕入锁所需的时间 快捕入锁的最大固有频差 L L T 相位差 的变化在鉴相特性一周内就 能使环路入锁，此过程称为快捕过程。 n 快捕带 1.4 环路的工作过程 在误差电压变化一周内环路不可能入锁 0 p 处于上述两者之间( ) L 0 没有被LF完全抑制 0000cd K UK F jU 00 sin( C d utU F jt 0 )F j tu

18、Kt cv00 开关合上后 幅度较小 tUtu dd0 sin 1.4 环路的工作过程 环路工作过程示意图 ( )L 0 tuc在频率牵引过程中， 一直是交流电压； 只有环路入锁后，瞬时频差为 0， 才为一个直流电压，维持环路锁定。 n 环路此过程的特点 有频率牵引过程，相位差变化一周又一周， 使频差减小到快步带内（频率牵引过程）， 再快捕入锁，整个过程为捕获过程。 tuc 1.4 环路的工作过程 p T Lfp TTT p n捕获时间 能使环路进入锁定的最大的固有频差 n捕获带 由失锁到锁定所需的时间 频率牵引过程时间 pL 1.4 环路的工作过程 环路在从失锁到锁定的过程中，VCO振 荡频

19、率是如何向输入信号频率靠近？ 仿真正弦鉴相特性二阶环路的入锁 过程，观测环路各点的输出波形。 1.4 环路的工作过程 鉴相器鉴相器 压控振荡器压控振荡器 环路滤波器环路滤波器 二阶环路的仿真模型 正弦鉴相器仿真模型 压控振荡器仿真模型 二阶环捕获过程中各点仿真波形 思考与练习思考与练习 00 0 i 0 0 Ku 分析 u分析一阶环路的工作过程 二阶环路的工作过程， 画出各点波形并用仿真验证。 0 sin ee ptKt 1.4 环路的工作过程 n 同步状态 输出、输入信号相位同步 锁定状态 输入固定频率信号 跟踪状态 输入频率和相位变化的信号 n 失锁状态 输出和输入相位不同步 n 捕获状态

20、 失锁到同步的中间状态 p环路的工作状态 1.4 环路的工作过程 n在同步状态下 稳态相差 环路锁定后存在的相位差 同步带H 维持环路锁定的最大固有频差 e p环路基本性能指标 捕获时间 捕获带 快捕带 n在捕获状态下在捕获状态下 1.4 环路的工作过程 p一阶环的工作过程 0 sin ee ptKt 00 0 i 0 0 K i tt 01 sin dde u tUt 设输入为固定频率的正弦信号 动态方程 1.4 环路的工作过程 0K 环路工 作过程 示意图 可见环路 一周内不 能入锁 1.4 环路的工作过程 原因是误差电压中直流电压不能积累 一阶环的捕获带等于快捕带 环路能够入锁的最大固有频差等于K 一周内入锁 若一周内不能入锁时，就再也不能入锁 一阶环路捕获的特点 1.4 环路的工作过程 1.5 环路的基本部件（三种LF） 1 1 )1 ( 1 )( ppRCtu tu pF d c j jF 1 1 )( 传递函数 频率响应 传输算子传输算子 s sF 1 1 RC p RC积分滤波器 电路结构 对数振幅和相位频率响应曲线（ ）s2 . 0 22 1lg20)(lg20)(jFL 1 tg)( -30 -20 -10 0 10 L()/dB 1