锁相技术课件.ppt

1、第六章 锁相环路的应用,锁相环的优良特性：,应用： 滤除输入信号中的噪声和干扰。 跟踪输入信号的载波漂移。 恢复衰落的载波信号。,1. 载波跟踪特性 选择合适的环路参数，使 频带很窄，满足 时，输出信号跟踪输入信号载波的频率和相位变化。,2. 调制跟踪特性 选择合适的环路参数，使 有合适的带宽，满足 时，输出信号是输入信号的复制品。,应用：角度调制信号的调制器和解调器。,3. 低门限特性 锁相环路能在低输入信噪比条件下工作，即具有低门限的特性。,应用： 提取淹没在噪声中的信号。 对角度调制解调时，可以扩展门限。 对数字信号解调时，可以降低误码率。,本章内容：典型的锁相环路的应用,6.1 跟踪滤

2、波器,概念：跟踪滤波器的中心频率自动的跟踪输入信号载波频率的变化，但相对带宽不变。,锁相环路可以实现跟踪滤波,当 时， 是 的复制品。,当 时， 是提纯的载波，但有 的相差。,VCO输出的信号就是经过滤波后的输入信号,一、跟踪特性的测量,跟踪特性：环路 和 瞬时频率的变化关系。,是线性扫频信号，它正比于输入信号的频率 。,正比于VCO的频率 。,锁相环路的跟踪特性：,失锁点,锁定点,锁定点,失锁点,捕获带：,同步带：,二、频率特性,环路闭环频率响应为：,闭环振幅频率响应具有低通特性，它对于 跟踪 时， 的上限频率做出了限制。即：,环路闭环振幅频率响应,锁相环路对输入高频信号的带通特性是由环路频

3、率响应的低通特性所决定的。设输入信号被正弦音频信号调频，则输入瞬时频率为：,当 时， ，所以 实际是叠加到 上的。,做出 的关系图，就是环路对输入信号瞬时频率 的振幅频率响应：, 具有带通滤波特性。带宽为 。, 由于锁相环的跟踪性能，其中心频率可以跟踪输入信号的载频，所以理论上的跟踪带宽为 。 实际可用的跟踪范围为：,6.2 调制器与解调器,锁相环路可以做任何调制方式的调制器和解调器,1. 调幅信号,一、调幅信号的调制与解调,未调载波：,调制信号：,幅度归一化,调幅已调波 ：,带载波的双边带调幅 DSB-AM,实现方案：,2. 调制器-用锁相环产生调幅信号,VCO产生载波，不受 的控制。,PD

4、仅作为乘法器，实现 。,若 ，输出DSB-AM A=0，输出抑制载波的DSB（平衡调幅波）,LF不工作。,用锁相环实现调幅时，选择VCO有正弦波输出的集成锁相环以满足通信系统的要求。,电路实现：XR-2206构成的AM调制器,调整正弦波的失真度,调整 的直流成分,载波频率调整,解调原理 ：利用同步检波器实现,3. 解调器-用锁相环实现调幅信号解调,经LPF后输出调制信号,AM信号的PLL同步解调原理,AM信号PLL同步解调电路实现（NE561）,90移相网络,LF,VCO频率调整,二、模拟调频和调相信号的调制与解调,1. 调频与调相信号,调制信号：,未调载波：,调频波：,峰值频偏,调相波：,峰

5、值相偏,调频波和调相波之间的转换：,调频波的瞬时角频率：,调频波的瞬时相位：,调频波：,上式是 对 的调频波， 也可以看作是 对 的调相波。,FM与PM的转换,调频器,输出信号是 对 的 调相波,调制信号 经微分后得：,VCO的瞬时相位为：,调相波,控制VCO得到输出瞬时角频率为：,常数,令 ，则VCO输出信号可表示为：,2. 调制器,方法一：VCO直接用作FM调制器,缺点：VCO振荡频率的温度漂移以及控制特性的非线性等因素，不能产生高质量的FM信号。,方法二：采用锁相环路实现调频、调相,根据锁相环线性相位模型可得：,是VCO的输出角频率相对于 的频偏，由于 具有高通特性，只要在 的通带之内，

6、输出信号频偏正比于调制信号的幅度。-调频波,调相波：,输出信号相位正比于调制信号的幅度。-调相波,3. 解调器,调制信号：,电路实现：,5G4046实现FM解调电路,确定振荡频率和FM载频一致,NE562实现FM解调器电路,三、数字调频和调相信号的调制与解调,1. 移频键控（FSK）和移相键控（PSK）,2. FSK调制器的电路实现（XR-215）,PD、LF不使用,VCO频率设定,FSK输出,3. FSK解调器的电路实现,方法一： PLL始终对输入信号的频率锁定或跟踪,XR-215的FSK解调电路,FSK输入,输出整形,NE565的FSK解调电路,三级LPF,电压比较器整形,方法二：PLL对

7、FSK信号中的一个频率锁定，而对另一个频率则是失锁的。利用锁定指示端获得解调信号。,NE567方框图,FSK输入,锁定指示,NE567电话拨号音解码电路实现,6.3 频率合成,一、概述,1. 概念 频率合成器是将一个高精确度和高稳定度的标准参考频率，经过混频、倍频与分频等对它进行加、减、乘、除的四则运算，最终产生大量的具有同样精确度和稳定度的频率源。,2. 应用,频率合成器在雷达、通信、遥控遥测、电视广播和电子测量仪器等方面得到了广泛的应用。,3. 频率合成器的主要技术指标,频率范围：频率合成器的工作频率范围。不同的用途有不同的频率范围。,频率间隔 ：频率合成器输出的相邻两个频率之间的最小间隔

8、。又称频率分辨率。,频率转换时间 ：频率合成器输出频率转换后，达到稳定工作所需的时间。它和采用的的方法有关。,频率稳定度：在规定的时间间隔内，频率合成器输出频率偏离规定值的量。,和 之间的关系：,工程上可用的经验公式,4. 频率合成的方法,直接频率合成：利用混频器、倍频器、分频器和带通滤波器来完成对频率的四则运算。,双混频分频模块：,其中：,优缺点：频率转换速度快，但体积大，成本高，输出信号中有寄生频率。,锁相频率合成的基本框图,. 间接频率合成-应用锁相环实现频率合成,环路锁定后：,参考基准频率，一般由晶体振荡器构成。,可编程分频器，N为分频次数。,和 有相同的频率稳定度。由于N是可编程的，

9、不同的分频次数就有不同的频率输出，而且相邻的两个频率之间的频率增量为 。,比较频率,. 直接数字频率合成,计算机或微处理器根据某种算法或通过查表获得所需波形各点的值，经过D/A转换器输出波形。,二、变模分频合成器,1. 前置分频PLL频率合成器,环路锁定后：,问题：,增加前置分频器，解决了输出频率高于程序分频器的工作频率的问题，提高了输出频率范围。,解决的办法：不改变频率分辨率，同时提高输出频率范围，采用“变模分频器”。,输出频率增量为 ，频率分辨率降低了。,如果保持原有的频率分辨率 ，需要使参考频率降低为 ，同时又使得 增长了V倍。,2. 双模分频PLL频率合成器,是减法计数的可编程分频器，

10、且,工作原理：,当 都未计数到零时，模式控制为“H”，变模分频器的分频比为（V+1），其输出为 。,当 计数到零时，通过与门使 停止工作，同时模式控制为“L”，变模分频器的分频比为V，其输出为 。此时总共计数了 个 周期。,经过 次计数后， 计数器为零，此时又计数了 个 周期。,总分频比：,环路锁定时：,例：,频率分辨率为,频率合成器的频率分辨率为 ，转换时间不受影响。,总结： 采用双模分频器，使可编程分频器的工作频率降低为 或 。,为频率粗调， 为频率细调。,3. 下变频PLL频率合成器,标准参考频率,环路锁定时：,采用混频器，使可编程分频器的工作频率降低为 。,调谐时，只需改变N，就可以搜

11、索到频段内所有的电台信号。,实例：调频收音机中本振信号的产生,FM波段：88-108MHZ；中频频率：10.7MHZ；频段内各电台载频之间的间隔 。要求采用下变频PLL频率合成器产生本振信号，且混频频率为90MHZ。,FM收音机本振频率范围：98.7-118.7MHZ,合成器需产生的信号 频率范围。,三、多环频率合成器,1. 后置分频器的PLL频率合成器,合成器有较高的频率分辨率 ，参考频率 也高，转换时间 小。,问题：输出频率低于环路的工作频率，有时难以实现。,2. 三环锁相频率合成器,A环低位环,B环高位环,C环相加环,参考频率,工作原理分析：,A环：,B环：,C环：,讨论：,频率分辨率：

12、A环1K（细调）,B环100K（粗调）。,频率转换时间：,实现了高分辨率，高参考频率，转换时间不变。,四、小数分频频率合成器,分频原理：利用整数分频器实现小数分频,若：N=10.5 对输入频率进行10分频和11分频交替进行，其结果相当于10.5分频。,推广：,10次分频中进行7次5分频，3次6分频。,100次分频中进行65次27分频，35次28分频。,五、频率合成器实例,例1.用MC145106构成的单环锁相频率合成器（民用电台）,设计要求： 电台为同频单工工作方式 各信道之间的频率间隔为5KHZ 电台发射状态产生主振载波，26.965-27.405MHZ。 电台接收状态产生第一本机振荡信号

13、和第二本机振荡信号 。,第一中频 10.695MHZ,第二中频 455KHZ,26.965 27.405MHZ,混频1、2采用低本振方式,电路实现： （MC145106）,频率分辨率：,频率合成器的发射和接收状态由R/T端控制，对应不同的分频系数 。,发射状态：,锁定时：,由 和合成器输出频率混频后获得，此时环路的工作频率和发射状态不同。,例2. MC145106构成的VHF调频电台（双环）,6.4 载波同步,概念：在相干解调中，接收端需提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波。这个相干载波的提取称为载波提取或载波同步。,获得相干载波的方法：,导频法：发送端在发送信号时，在适当位置插入一个载

14、波信号。接收端可用普通滤波器或窄带锁相环提取载波。,直接法：接收端直接从已调波中提取相干载波。 已调波中有载波频谱成分，用普通锁相环提取。 已调波中没有载波频谱成分，用特殊锁相环提取。,一、平方环,设已调信号为：,若 中没有直流分量，则 就是抑制载波的DSB-AM或PSK信号，其中没有载波频谱成分。,解决办法：,若：,可以用锁相环提取其中的 成分，分频后得到,实现方案：,动态方程,二、同相正交环（Costas环）,输入信号：,VCO输出信号：,正交支路,同相支路,正交支路：,同相支路：,同相-正交环和平方环的比较：,误差电压 和平方环一样，只是 有差别，因此，平方环的动态方程及相位模型完全适应

15、同相-正交环。,同相-正交环中的相乘器、LPF和平方环中的平方器、带通滤波器的作用可以等效。,同相-正交环的工作频率是载波频率 ，平方环的工作频率是 。,6.5 位同步,1. 概念：在通信系统的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的过程称为码元同步或位同步。位同步脉冲用来确定接收端每个码元的起止时刻。,例：,接收码元,位同步脉冲序列,2. 产生位同步脉冲的方法,外同步法（插入导频法）：数字信号+位同步信号,自同步法：从传送的数字信号中提取位同步信号,一、非线性变换滤波法（开环滤波法）,通过对接收信号的非线性变换，获得位同步信号的频谱成分，然后用PLL提取。,利用数字锁相环实现 数字锁相环电路结构简单，成本低性能好，因此它是实现位同步提取的常用方法。,二、利用特殊设计的锁相环实现位同步提取 （闭环锁定法）,利用模拟锁相环实现 同相-中相位同步环 早-迟积分清除位同步环,6.5 FM立体声解码,立体声复合信号：,一