第1章 环路基本原理2011-8-29

1、12022-4-11朱晓霞朱晓霞32学时学时通信中的同步技术及其应用通信中的同步技术及其应用22022-4-11第一讲第一讲概述以及环路的基本原理概述以及环路的基本原理32022-4-11n新的学期开始了！新的学期开始了！n希望同学们静下心来！希望同学们静下心来！n课程有难度！不只为分数！课程有难度！不只为分数！n锻炼自己锻炼自己 成长自己最重要！成长自己最重要！42022-4-11课程概述52022-4-11高等数学高等数学 概率论概率论 工科基础课工科基础课专业基础课专业基础课专业课专业课62022-4-11电子科学与技术电子科学与技术（电路与系统（电路与系统 通信工程通信工程 信息工程信

2、息工程 电磁场科学与技术）电磁场科学与技术）电路（低频、高频、脉冲与数字、微波）：元器件电路（低频、高频、脉冲与数字、微波）：元器件/连接连接电磁场（电磁场、微波、天线）：天线与传播电磁场（电磁场、微波、天线）：天线与传播信号处理信号处理（信号与系统、随机信号分析通信技术同步技术）（信号与系统、随机信号分析通信技术同步技术）信息的载体信息的载体信息（编码、加密解密、协议信息（编码、加密解密、协议 计算机计算机 语言）语言） ： 信息处理信息处理72022-4-11工程应用工程应用（通信、雷达、制导、水声、计（通信、雷达、制导、水声、计算机、语音、生物医学、图象处算机、语音、生物医学、图象处理、

3、广播电视理、广播电视）82022-4-11期末成绩评价期末成绩评价平时成绩平时成绩: :作业作业 抽查点名抽查点名 课堂回答问题课堂回答问题 40%40%期末考试期末考试:60%:60%教材：通信中的同步技术及应用通信中的同步技术及应用 清华大学出版社 季仲梅 92022-4-11n通信的基本概念通信的基本概念通信的目的通信的目的：传递：传递消息消息中所包含的中所包含的信息信息。消息消息：是物质或精神状态的一种反映，例如：是物质或精神状态的一种反映，例如语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等。等。信息信息：是消息中包含的有效内容。：是消息中包含的有效内容

4、。实现通信的方式和手段：实现通信的方式和手段：n非电的：如旌旗、消息树、烽火台非电的：如旌旗、消息树、烽火台 n电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网和计算机通信等。因特网和计算机通信等。 102022-4-11通信系统通信系统：传递信息所需的一切技术设备的总和。传递信息所需的一切技术设备的总和。通信系统的基本模型通信系统的基本模型信源和输信源和输入变换器入变换器发送设备发送设备信道信道接收设备接收设备输出变换输出变换器和信宿器和信宿噪声及噪声及干扰源干扰源112022-4-11信息源调制器信道解调器受信者噪声源调制的概念：控制 变换 频

5、谱搬移模拟通信系统模型模拟通信系统模型122022-4-11n数字通信系统模型数字通信系统模型数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统 位同步位同步 帧同步帧同步 时钟同步时钟同步132022-4-11通信信号的解调方式：相干解调非相干解调 ( )mst BPF )(tn ( )mst )(tni )(tno o( )m t 包络检波 ( )mst LPF BPF )(tn ( )mst )(tni )(tno o( )m t cosct 相干相干解调解调非相干非相干解调解调142022-4-11p 同步技术在通信中的重要性同步技术在通信中的

6、重要性 概概 述述 数字调制系统的性能是由解调方式决定,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152022-4-11 iiittmtusin如：接收信号在接收端若有 iittu sin0 )22cos(1210iiittmtutu低通滤波后就可得到调制信号 tm概概 述述 则162022-4-11 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 述述 172

7、022-4-11二进制数字信息： 1 0 0 1 0 1 1 02DPSK信号相位： 00 000 0 或 00 0 0 0 182022-4-11192022-4-11n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 202022-4-11n 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 2

8、12022-4-11p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。为了保证信息的可靠传输，要求同步系统应有更高的可靠性。222022-4-11同步信号的获取方式同步信号的获取方式n同步也是一种信息，按照传输同步信息方式的不同，同步也是一种信息，按照传输同步信息方式的不同，可分为外同步法和自同步法。可分为外同步法和自同步法。n外同步法外同步法由发送端发送专门的同步信息，接收端把这个专门的同由发送端发送专门的同步信息，接收端把这个专门的同步信息检测出来作为同步信号的方法，称为外同步法

9、。步信息检测出来作为同步信号的方法，称为外同步法。n自同步法自同步法发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到的信发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到的信号中提取同步信息的方法，称为自同步法。号中提取同步信息的方法，称为自同步法。232022-4-11n 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p 课课 程程 内内 容容概概 述述 242022-4-11n 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

10、相干延迟扩频码跟踪环概概 述述 252022-4-11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 环路动态方程1.4 环路的工作过程1.5 环路的基本部件262022-4-11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 Loop1.1基本概念与锁相环的组成272022-4-11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或为一小常数称这两个信号相位同步锁相环如

11、何实现相位同步？1.1基本概念与锁相环的组成282022-4-11设 输入信号接收端本振信号 ( )sinsiniiiiiu tUtUt)(sinsin)(00000tUtUtu1.1基本概念与锁相环的组成基本概念与锁相环的组成当当 0i 0tt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？292022-4-11p 锁相环的组成部件 n 鉴相器 (PD) Phase detectorn 环路滤波器 (LF) Loop filtern 压控制振荡器 (VCO) Voltage-controlled oscillator1.1基本概念与锁相环的组成302022-4-11组成框图描述

12、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312022-4-11 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基本概念与锁相环的组成322022-4-11LF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332022-4-11n压控制振荡器 ( VCO ) 振荡频率受电压控制的振荡器 tvmaxv0cu为控制电压 为瞬时振荡频率 cu vt如 压控特性曲线1.1基本概念

13、与锁相环的组成342022-4-11 0vt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0cu0cucu当当 时时 vt0当当 时时1.1基本概念与锁相环的组成352022-4-11 ( )sinsiniiiiiu tUtUt tUttUtucoscos00000p基本概念设 环路输入信号、输出信号为 tui iitt tu0 00ttt的瞬时相位的瞬时相位1.1基本概念与锁相环的组成362022-4-110i 00iitttt 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

14、加而增大1.1基本概念与锁相环的组成372022-4-11 00tttt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382022-4-11 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392022-4-11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4

15、02022-4-11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412022-4-11p 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 环路工作原理与相位模型由PD功能可得：误差电压 tftuedn鉴相器的功能模型422022-4-11 )(coscos00000tUttUtu )(sinsintUttUtuiiiiin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432022

16、-4-11 ttttttUUktutukiiiiimim000000sin sin21)()()()(1000ttttttii)()()()(001tttttiii称为输入信号以 为基准的瞬时相位t0其中令乘法系数1.2 环路工作原理与相位模型442022-4-11 称为环路的固有频率差其中)()()(2000ttttt00i tt02 ttUtuii10sin ttUtu2000cos令1.2 环路工作原理与相位模型452022-4-11 ttte21 ttUUktutttttUUktutukimdiimim210002100sin21)( 2sin sin21.210UUkUimd为相位误

17、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462022-4-11 数学模型 相位模型 鉴相特性曲线e22 tUtueddsin tud1.2 环路工作原理与相位模型472022-4-11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） tu*pFtudc由LF的结构决定1.2 环路工作原理与相位模型482022-4-11n VCO的相位模型的相位模型 tuKtcv00000002( )( )( ) ( )tvtctt dttKu t dtttmaxv 0 tuc0 tv0K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492022-4-11 相位模型

18、 数学模型)()()(0002tupKtdtuKtctc1.2 环路工作原理与相位模型502022-4-11p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个相位负反馈控制系统 t1 t21.2 环路工作原理与相位模型512022-4-11p 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

19、个小常数 ，实现相位同步。1.2 环路工作原理与相位模型522022-4-11 1.3 环路动态方程 ptuKttttce0121 tuKtptpce01 tUpFKtpedsin01 1sineeptptKF ptdUKK0为环路增益因子单位 rad/s 或 Hz环路动态方程p 动态方程（数学模型）532022-4-11当 时，动态方程是一阶 1F p 1sineeptptKt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542022-4-11p动态方程的物理意义称为固有频差 itt01 01tp

20、设称在 的控制下产生的控制频差tuc ttptptpvie21称为瞬时频差002ttuKtpvc 1.3 环路动态方程552022-4-11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562022-4-11n环路刚开始工作时，瞬时频差 = 固有频差n环路进入锁定时，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572022-4-11VUd2VHzK/1040srad/10260sradi/10101023?)(tuc?)(e例题：已知正弦

21、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582022-4-11621sin104102sinsin)(144101Ke 0sineK tutudc一阶环 1102102)(4400Ktuc控制电压 )(00tuKc环路锁定时，瞬时频差为0 sradi/102102101010246300解：环路增益 sradKUKd/10440 1.3 环路动态方程592022-4-11小结（重点掌握内容）小结（重点掌握内容） tpKFtpeesin0环路动态方程环路相位模型环路基本工作原理602022-4-11VCO

22、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612022-4-11 itt01000i sinddeu tUt00K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 0sinsinddedu tUtUt622022-4-11 tpKFtpeesin0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632022-4-110p 很大 0Cut 0 tUtudd0sin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

23、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 0sinddutUt特点：误差电压1.4 环路的工作过程642022-4-110p 较小 （ ） 00sin(CdutU F jt0)F j tuKtcv00 tUtudd0sin在LF的通带之内开关合上后幅度较大dcUjFKUK0000在环路中所设置的开关打开时1.4 环路的工作过程652022-4-11dcUjFKUK00001.4 环路的工作过程环路工作过程示意图( )662022-4-11 etn 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 LT相位差 的变化在鉴相特性一周内就能使环路入锁，此过

24、程称为快捕过程。 n 快捕带1.4 环路的工作过程672022-4-11在误差电压变化一周内环路不可能入锁 0p 处于上述两者之间( ) L0没有被LF完全抑制0000cdK UK F jU 00sin(CdutU F jt0)F j tuKtcv00开关合上后幅度较小 tUtudd0sin1.4 环路的工作过程环路工作过程示意图( )L0692022-4-11 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

25、。 tuc1.4 环路的工作过程702022-4-11pTLfpTTTpn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712022-4-11环路在从失锁到锁定的过程中，VCO振荡频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722022-4-11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732022-4-11正弦鉴相器仿真模型742022-4-11压控振荡器仿真模型752022-4-11二阶环捕获过程中各点仿真波形762022-

26、4-11思考与练习思考与练习000i00Ku 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。 0sineeptKt 1.4 环路的工作过程772022-4-11n 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 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782022-4-11n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ep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792022-4-11p一阶环的工作过程 0sineeptKt000i00K itt01 sinddeu 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802022-4-110K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812022-4-11 原因是误差电压中