通信电子线路第7章

2024/8/211第7章反馈控制电路（AGC、AFC、PLL、频率合成）2024/8/212第7章反馈控制电路自动增益控制电路AGC自动频率控制电路AFC自动相位控制电路PLL——锁相环频率合成技术2024/8/213

放大器、振荡器、调制器和解调器等功能电路可组成完整的通信系统,但系统性能不一定完善。如,在AM接收机中,天线接收信号的强度往往由于电波传播原因会有较大的起伏变化,导致放大器输出信号时强时弱不规则变化,有时造成阻塞。如,在通信系统中,收发两地的载频应保持严格同步,使输出中频稳定,而要做到这一点也比较困难。为什么引入反馈控制电路2024/8/214

反馈控制器对输入xi与反馈信号x0进行比较，检测出与预定关系之间的差值，产生相应纠正（误差）信号xe对输出x0进行修正，达到稳定。反馈控制电路原理2024/8/215图7-12024/8/216自动增益控制(AutomaticGainControl）——AGC：控制输出信号大小

。自动频率控制(AutomaticFrequencyControl）——AFC

：维持工作频率稳定。自动相位控制(PhaseLockedLoop，锁相环）——PLL：锁定相位。反馈控制电路的类型2024/8/217通信系统中,接收机所接收的信号强弱变化范围很大,信号最强时与最弱时可相差几十分贝。信号太强时会造成接收机饱和或阻塞,而信号太弱时又可能被丢失。AGC电路,使接收机的增益随输入信号强弱而变化。

接收机几乎不可缺少，在发射机或其它电子设备中,自动增益控制电路也有广泛的应用。7.1自动增益控制电路（AGC）

2024/8/218通过环路的反馈控制，使输入信号ui

幅度增大或减小时，输出信号u0幅度保持恒定或仅在很小的范围内变化。7.1.1AGC电路工作原理与指标性能AGC电路原理框图低通滤波峰值检波1.电路组成框图2024/8/219AGC电路里,比较参量是信号电压,采用电压比较器。峰值检波器检出输出信号峰值,

低通滤波器滤去高频分量,然后进行直流放大后与恒定参考电平Ur比较,产生一个误差信号uc。

uc控制放大器增益Ag,当输出Uo

较小时，uc控制Ag增大；当输出Uo

较大时，uc控制Ag减小。通过环路不断地循环反馈,使输出信号振幅Uo

保持基本不变或仅在较小范围内变化。2.误差信号提取过程3.滤波器的作用环路中的低通滤波器是非常重要的。由于发射功率变化,距离远近变化,电波传播衰落等引起信号强度的变化是比较缓慢的,因此整个环路应具有低通传输特性,这样才能保证仅对信号电平的缓慢变化有控制作用。尤其当输入为调幅信号时,为了使调幅波的有用幅值变化（例如普通调幅波的包络变化）不会被自动增益控制电路的控制作用所抵消（此现象称为反调制）,必须恰当选择环路的频率响应特性和上限截止频率,使环路对高于截止频率的调制信号的变化无响应,而仅对低于截止频率的缓慢变化的信号才有控制作用。也就是说，环路截止频率必须低于调制信号的最低频率，才不会出现反调制。环路带宽取决于低通滤波器的截止频率。2024/8/21104.控制过程说明又有：Uy0=Ag(0)Ux02024/8/2111设输出信号振幅Uy与控制电压Uc的关系为Uy=Uy0+kcuc=Uy0+ΔUy

根据：Uy=Ａg(uc)Ux

得到：Uy=Ag(uc)Ux=［Ag(0)+kguc］Ux其中：Ag(uc)=Ag(0)+kguc式中Uy0为uc=0时所对应的输出信号振幅,Ux0和Ａg（０）是在uc=0时输入信号振幅和放大器增益,ｋc和ｋｇ皆为常数,表示均为线性控制。若低通滤波器对于直流信号的传递函数Ｈ（s）＝１,当误差信号ue＝０时,由图7-1可写出UR

和Uy0、Ｕx0之间的关系。即：UR=k2k3Uy0=k2k3Ag(0)Ux0当：Ux≠Ux0且保持恒定时,环路经自身调节后达到新的平衡状态,这时的误差电压为：ue∞=kb(ＵR-k2k3Ｕy∞)又：uy∞=［Ag(０)+kbk1ue∞］Ux

从以上两式可知,ue∞≠0,由于：Ux≠Ux0,同时Ｕy∞≠Ｕy0,即AGC电路是有电平误差的控制电路。式中:k2、k3和kb均为比例系数。

2024/8/21125.动态范围AGC电路的目的是利用电压误差信号ue去消除输出信号振幅Uy与理想电压振幅Uy0之间的电压误差。

AGC电路的实际要求，一方面希望输出信号振幅的变化越小越好,即与理想电压振幅Uy0的误差越小越好；另一方面也希望容许输入信号振幅Ｕx的变化越大越好,也就是说,在给定输出信号幅值变化范围内,容许输入信号振幅的变化越大,则表明AGC电路的动态范围越宽,性能越好。设ｍo是AGC电路限定的输出信号振幅最大值与最小值之比（输出动态范围）

即2024/8/2113ｍi为AGC电路容许的输入信号振幅的最大值与最小值之比（输入动态范围）,

即：若：Ａgmax是输入信号振幅最小时可控增益放大器的增益,为最大增益Ａgmin是输入信号振幅最大时可控增益放大器的增益,为最小增益。比值mi/mo越大,表明AGC电路输入动态范围越大,而输出动态范围越小,则AGC性能越佳。这就要求可控增益放大器的增益控制倍数ng尽可能大。ng也可称为增益动态范围,通常用分贝数表示146.响应时间特性AGC电路是通过对可控增益放大器增益的控制来实现对输出信号振幅变化的限制,而增益的变化又取决于输入信号振幅的变化。所以,要求AGC电路的反应既要能跟得上输入信号振幅的变化速度,又不会出现反调制现象,这就是响应时间特性。对AGC电路的响应时间长度的要求取决于输入信号Ux的类型和特点,根据响应时间长短分别有慢速AGC和快速AGC之分。而响应时间长短的调节由环路带宽决定,主要是低通滤波器的带宽。低通滤波器带宽越宽,则响应时间越短,但容易出现反调制现象。增益动态范围和响应时间是AGC电路的两个主要性能指标。2024/8/2115

例7.1某接收机输入信号振幅的动态范围是62dB,输出信号振幅限定的变化范围为30%。若单级放大器的增益控制倍数为20dB,需要多少级AGC电路才能满足要求？

2024/8/2116

7.1.2、AGC电路的类型

1．简单AGC电路

简单AGC的参考电平Ur＝0。AGC的特性曲线如图：

只要输入信号振幅Ui增加,AGC就使增益Ag减小,使输出信号振幅Uo减小。适用：输入信号较大的场合。2024/8/21172．延迟AGC电路延迟AGC有一起控门限

（即参考电压Ur），

它与输入信号振幅Uimin对应,

如图。2024/8/21182024/8/21197.1.3AGC电路在通信系统中的应用具有简单AGC的调幅接收机框图

可控增益放大器反馈控制器

LPF简单AGC缺点：只要有输入信号，AGC就起控制作用，对接收弱信号不利。2024/8/2120

简单AGC特性曲线特点：一有输入信号，AGC就起作用，增益就减小，因而对提高灵敏度不利2024/8/2121改变“延迟电压”可改变门限的大小低通滤波器VD、C1、R1组成AGC检波器延迟AGC电路只有放大器的输出大于延迟电压后，即输入信号幅度大于门限电压时，AGC检波器才工作。这种AGC电路由于需要延迟到Ｕx＞Ｕxmin之后才开始控制作用,故称为延迟AGC。“延迟”二字不是指时间上的延迟。

2024/8/21222024/8/2123具有延迟式AGC的调幅接收机框图当AGC检波器输入信号幅度小于UR时，AGC检波器不工作，AGC电压为零，AGC不起控制作用。当AGC检波器输入信号幅度大于UR时，AGC电路才起控制作用。2024/8/21247.1.4AGC电路

三极管可控增益放大电路2024/8/2125反向AGC正向AGC(a)(b)2024/8/21262024/8/21277.2自动频率控制电路7.2.1AFC的工作原理：

用频率误差电压消除频率偏差。AFC电路组成：频率比较器、低通滤波器、可控频率器件（压控振荡器VCO）三部分,如图。AFC工作原理框图2024/8/21287.2.2AFC电路的主要性能指标暂态和稳态响应

可控频率器件通常是压控振荡器（VCO）,其输出振荡角频率可写成：由图可得AFC电路的闭环传递函数

2．跟踪特性

由图可求得AFC电路的误差传递函数T（s）,它是误差角频率Ωe（s）与参考角频率Ωr（s）之比,其表达式为2024/8/2130鉴频器的中心频率是ωIωoωL=ωc+ωI

通过鉴频器的控制电压uc控制压控振荡器的输出频率稳定在ωL上，从而维持中频放大器的载频ωc的稳定性。7.2.3AFC电路的应用1.在调幅接收机中用于稳定中频频率2024/8/2131晶体振荡器提供标准频率fr，调频振荡器的中心频率为fc；鉴频器的中心频率调在(fr－fc)上。由于fr稳定度很高，当fc发生漂移时，混频器输出的频差也跟随变化，使限幅鉴频器输出电压发生变化，经滤波器后的误差电压加到调频振荡器上，调节其振荡频率使之中心频率稳定。2、AFC应用—调频发射机2024/8/21327.3自动相位控制电路——锁相环路锁相环路的基本工作原理锁相环的性能分析单片集成锁相环路锁相环的应用2024/8/2133锁相环路的基本工作原理锁相环路也是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路。但它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差,所以当电路达到平衡状态之后,虽然有剩余相位误差存在,但频率误差可以降低到零,从而实现无频差的频率跟踪和相位跟踪。而且,锁相环还具有可以不用电感线圈、易于集成化、性能优越等许多优点,因此广泛应用于通信、雷达、制导、导航、仪表和电机等方面。2024/8/2134锁相环路的基本工作原理鉴相器（PD）：用以比较ui、uo相位，输出反映相位误差的电压uD(t)。环路滤波器（LF）：用以滤除误差信号中的高频分量和噪声，提高系统稳定性。压控振荡器（VCO）：在uC(t)控制下输出相应频率fo。2024/8/2135两个正弦信号的频率和相位之间的关系若能保证两个信号之间的相位差恒定，则这两个信号的频率必相等。2024/8/2136若wi≠wo，则ui(t)和uo(t)之间产生相位变化，鉴相器输出误差电压uD(t)，它与瞬时误差相位成正比，经过环路滤波，滤除了高频分量和噪声而取出缓慢变化的电压uc(t)，控制VCO的角频率wo，去接近wi。最终使wi=wo

，相位误差为常数，环路锁定，这时的相位误差称为剩余相位误差或稳态相位误差。2024/8/21377.3.2锁相环路的数学模型1、鉴相器(PD)设压控振荡器的输出电压为ωo0是压控振荡器未加控制电压时固有振荡角频率；

o(t)是以ωo0为参考的瞬时相位。环路输入电压ui(t)为其相位可改写为则ui(t)与uo(t)之间的瞬时相位差为以ωo0为参考的输入信号瞬时相位。设鉴相器具有正弦鉴相特性，则2024/8/2138环路滤波器电路模型2、环路滤波器(LF)RC

积分滤波器RC

比例积分滤波器有源比例积分滤波器图（b）电路的传递函数为将AF(s)中的复频率s用微分算子p替换，可得2024/8/21393、压控振荡器(VCO)在uc=0附近，控制特性近似线性：以ωo0为参考的瞬时相位

o(t)为可见压控振荡器是一个理想的积分器将积分符号用微分算子p=d/dt的

倒数表示VCO的控制特性VCO的相位模型2024/8/21404、PLL的相位模型和基本方程环路的基本方程式为两边对t求导数并移项，得锁相环路相位模型2024/8/2141称瞬时角频差，表示VCO

角频率ωo偏离输入角频率ωi的数值称控制角频差，表示压控振荡器在uc(t)=AdAF(p)sin[

e(t)]的作用下，产生振荡角频率ωo偏离ωo0的数值。称输入固有角频差，表示输入信号角频率ωi偏离ωo0的数值。2024/8/2142可见：锁相环路闭合后的任何时刻，瞬时角频差Δωe(t)与控制角频差Δωo(t)之和恒等于输入固有角频差Δωi(t)若输入固有角频差Δωi(t)=Δωi为常数，即ui(t)为恒定频率的输入信号，则在环路进入锁定过程中，瞬时角频差Δωe(t)不断减小，而控制角频差Δωo(t)不断增大，两者之和恒等于Δωi，直到瞬时角频差减小到零，控制角频差增大到Δωi

，压控振荡器的振荡角频率ωo等于输入信号角频率ωi

时，环路进入锁定。环路锁定时的相位误差

e(t)是一个固定值，用

e∝表示，称为剩余相位误差或稳态相位误差。正是这个稳态相位误差，才使鉴相器输出一个直流电压，控制压控振荡器的振荡角频率，使之等于输入信号角频率。环路锁定时，Δωi增大，

e∝也相应增大。说明Δωi越大，将VCO振荡角频率调整到等于输入信号角频率所需的控制电压越大，因而产生这个控制电压的

e∝也就越大。但Δωi过大，环路将无法锁定，此时环路将不存在使它锁定的

e∝

。2024/8/21437.3.3、锁相环路捕捉与跟踪由失锁进入锁定的过程称为捕捉过程。能够由失锁进入锁定的最大输入固有频差称为环路捕捉带，用Δωp表示。若环路初始状态是锁定的，因某种原因使频率发生变化，环路通过自身的调节来维持锁定的过程称为跟踪过程。能够保持跟踪的输入信号频率与压控振荡器频率最大频差范围称为同步带（又称跟踪带），用ΔωH表示。捕捉过程：失锁

锁定

跟踪过程：锁定

维持锁定锁相环的相位模型及环路方程锁相环的相位模型瞬时频差控制频差固有频差环路方程捕捉过程—环路由失锁进入锁定的过程a.Δωi

较小→ud(t)能顺利通过LF得到uC(t)→控制VCO→环路锁定捕捉带(Δωp)——环路由失锁进入锁定所允许信号频率偏离ωr的最大值。捕捉时间(τP

)——环路由失锁状态进入锁定状态所需的时间b.Δωi较大→ud(t)通过LF有较大衰减→uC(t)较小→经频率牵引过程时间长→环路锁定c.Δωi很大→ud(t)不能通过LF产生uC(t)→VCO不受控→环路失锁跟踪过程—环路维持锁定的过程能够维持环路锁定所允许的最大固有频差|Δωi|，称为锁相环路的跟踪带或同步带。跟踪过程（同步过程）跟踪带（同步带）跟踪带（同步带）和环路滤波器的带宽及压控振荡器的频率控制范围有关。如果输入信号频率ωi

或VCO振荡频率ωo

发生变化，则VCO振荡频率ωo跟踪ωi

而变化，维持ωo=ωi

的锁定状态，称为跟踪过程或同步过程。锁相环的基本特性环路锁定后，输出信号与输入信号频率相等，没有剩余频差（有微小固定相差）良好的窄带特性锁定后没有频差自动跟踪特性环路相当于一个高频窄带滤波器，只让输入信号频率附近的频率成份通过环路在锁定时，输出信号频率和相位能在一定范围内跟踪输入信号频率和相位的变化捕捉带与同步带为未加控制电压时VCO的振荡角频率.输入信号角频率从低频向高频方向增加，当时，环路进入跟踪状态，图(a)所示。然后继续增加,VCO输出信号角频率跟踪输入信号角频率变化,直到时，环路开始失锁。(a)由低向高变化(b)由高向低变化(a)由低向高变化

(b)由高向低变化(a)由低向高变化

(b)由高向低变化输入信号角频率从高频向低频方向减少,当

时,环路并不发生锁定,而要使

继续下降到

时,环路才会再度进入锁定，图(b)所示,此后继续降低,VCO输出信号的角频率又跟踪输入信号角频率变化，当

下降到

时，环路又开始失锁。

2024/8/21497.3.4锁相环路的应用一、锁相环路的基本特性（1）环路锁定时，鉴相器的两个输入信号频率相等，

没有频率误差。（2）频率跟踪特性：环路锁定时，VCO输出频率能

在一定范围内跟踪输入信号频率的变化。（3）窄带滤波特性：可以实现高频窄带带通滤波。应用之一：锁相倍频、分频与混频倍频电路框图当反馈环路是分频器时→倍频电路当反馈环路是倍频器时→分频电路当反馈环路是混频器和中频放大器时→混频电路应用之二：锁相调频和鉴频锁相环调频锁相环使VCO的中心频率稳定在晶振频率上，同时调制信号也加至VCO上，从而实现调频当输入调频波的频率发生变化时，经PD和LF后将得到一个与输入信号的频率变化相同的控制电压，即实现鉴频锁相环鉴频应用之三：调幅波的同步检波原理框图工作原理在对DSB及SSB调幅信号解调的同步检波器中，必须有一与载波信号同频同相的同步参考信号。图中用载波跟踪锁相环路，在VCO输出端经900移相后而得到该信号。应用之四：彩色电视色副载波的提取原理框图工作原理在彩色电视中，为了重现彩色，接收端必须要有与发送端完全相同的色副载波。而其中的色同步信号是其产生的基准。图中利用锁相环使VCO产生的色副载波，根据锁相环的工作特点，该信号的频率和相位受输入端色同步信号的控制。应用之五：锁相接收机原理框图工作原理

通过锁相环VCO产生本振频率，实现对输入信号频率的跟踪，保证输出中频信号频率相对稳定。2024/8/21557.4频率合成器为实现高质量的无线通信，抗干扰，近代通信系统往往要求通信机具有大量的、可供用户选择的、能迅速更换的频率稳定度和精度很高的载波信号频率。晶体振荡器虽然频率稳定度和精度很高，但其频率值只能在很小范围内微调。频率合成器作用：利用一个或多个基准频率，产生一系列等间隔的离散频率。这些频率的频率稳定度和精度均和基准频率的相同，且频率转换的时间很短。567.4.1频率合成器的分类及主要技术指标1.频率范围2.频率间隔（又称分辨率）频率稳定度指：在规定的观测时间内，输出频率偏离标称值的程度。一般用偏离值与输出频率的相对值来表示。频率准确度指：实际工作频率与标称频率值之差，又称频率误差。3.频率转换时间4.频率稳定度和准确度相邻频率之间的最小间隔。从一个工作频率转换到另一个工作频率，并达到稳定工作所需要的时间。它包含电路延迟时间和PLL的捕捉时间。频率合成器的工作频率范围。5.频谱纯度2024/8/21575.频谱纯度指输出信号接近正弦波的程度。用有用信号电平与各寄生频率分量总电平之比的分贝值表示。多数来自混频器，对称分布于有用信号两侧。2024/8/2158组成的设备或仪器称为频率合成器或频率综合器标准信号发生器由高稳定度的晶体振荡器构成。

频率合成的方法直接合成法间接合成法

—模拟直接合成法直接数字合成法锁相频率合成法

7.4.2频率合成的基本方法2024/8/2159

1．直接频率合成

模拟直接频率合成

由谐波发生器、滤波器、倍频器、分频器和混频器等组合成的一组或多组电路,由一个或多个参考频率来合成一系列所需要的实用频率。相干频率合成相干直接频率合成锁相频率合成DDS频率合成非相干直接频率合成由很多晶体振荡器组成参考频率，合成一系列所需要的频率。相干直接频率合成由一个高稳定度的晶体振荡器的参考频率合成一系列的所需频率。分类参考频率数目2024/8/2160非相干直接合成框图合成器用了两组晶体振荡器,一个混频器和一个带通滤波器.混频器输出取和频,合成器输出频率范围为55.00~55.99MHz,共100个点频,频率间隔为Δfo=10kHz2024/8/2161非相干双混频分频直接合成框图Δf0~9表示从Δf=0开始的10个频率增量,即由面板开关控制的频率步进间隔。输出频率:fo=(f1+f2+f3+Δf0~9)／10两个混频器带通滤波器选出和频输出方波晶体振荡参考频率

晶体切换的晶振若令f1+f2+f3＝10f1，则输出频率:2024/8/2162相干直接合成框图参考频率

六个输出频率,频率间隔为0.5MHz,且可以同时输出2024/8/2163

2．锁相频率合成

锁相频率合成——应用锁相环路PLL(PuaseLockedLoop)

实现频率合成的方法，又称之为相干间接频率合成法。单环PLL合成框图

当环路锁定时在鉴相器PD输入端的两输入频率必然是相等的:在基本PLL中插入一个可变分频器N,称NPLL频率分辨率等于参考频率fr

2024/8/2164输出频率的频率切换时间ts与参考频率fr的经验公式:频率分辨率与频率切换时间成反比(2)在输出频率覆盖范围较宽,而频率分辨率又要求较高的情况下,因参考频率必须低,则环路分频比N的变化范围将很大,使环路增益在波段范围内将有很大的变化，必然使NPLL性能很不稳定。

存在的问题:(1)在目前的跳频通信系统中,要求频率分辨率为1Hz,而频率切换时间则要求小于10μs,这对单环NPLL频率合成是无法实现的。

2024/8/2165(3)PLL环路的环路滤波是用来滤除鉴相器输出的参考频率和谐波及杂散噪声等,所以环路滤波器的带宽必须小