通信电子电路第8章

1、通信电子电路第8章 第八章第八章 反馈控制系统反馈控制系统 8.1 8.1 概述概述 8.2 8.2 自动增益控制（自动增益控制（AGCAGC）电路）电路 8.3 8.3 自动频率控制（自动频率控制（AFCAFC）电路）电路 8.4 8.4 模拟锁相环路（模拟锁相环路（APLLAPLL） 8.5 APLL8.5 APLL电路及应用电路及应用 8.6 8.6 数字锁相环路（数字锁相环路（DPLLDPLL） 通信电子电路第8章 （一）、（一）、反馈控制系统的构成反馈控制系统的构成 参考参考 信号信号 Xr(t) 比较器比较器 控制信号控制信号 发生器发生器 可控器件可控器件 反馈网络反馈网络 反馈

2、反馈 信号信号 Xf(t) 误差误差 信号信号 Xe(t) 控制控制 信号信号 Xc(t) 输入输入 信号信号 Xi(t) 输出输出 信号信号 X0(t) 它由比较器、控制信号发生器、可控器件和反馈网络四部分构成。它由比较器、控制信号发生器、可控器件和反馈网络四部分构成。 如图：如图： 通信电子电路第8章 （二）、（二）、各部分的功能各部分的功能 比较器比较器 将反馈信号将反馈信号Xf(t)与参考信号与参考信号Xr(t)比较后产生误比较后产生误 差信号差信号Xe (t)。 控制信号发生器控制信号发生器 在误差信号在误差信号Xe (t)的作用下产生控制信的作用下产生控制信 号号Xc(t)，以对可

3、控器件的某一特性进，以对可控器件的某一特性进 行控制。行控制。 可控器件可控器件 受控于控制信号受控于控制信号Xc(t),对输出信号对输出信号X0(t)进行进行 调节。调节。 反馈网络反馈网络 从输出信号从输出信号X0(t)中提取需比较的分量馈送至中提取需比较的分量馈送至 比较器比较器。 通信电子电路第8章 （三）、反馈控制电路的分类（三）、反馈控制电路的分类 据反馈控制的对象分为：据反馈控制的对象分为： 自动增益控制（自动增益控制（AGC） 用以稳定输出电压信号的幅度用以稳定输出电压信号的幅度。 自动频率控制（自动频率控制（AFC） 用以控制目标信号的频率，使其用以控制目标信号的频率，使其

4、与通道中心频率一致，以获得谐与通道中心频率一致，以获得谐 频增益。频增益。 自动相位控制（自动相位控制（APC） 用以同步振荡信号的频率、实现用以同步振荡信号的频率、实现 相位跟踪。这种电路亦称锁相环相位跟踪。这种电路亦称锁相环 路路(PLL)。据环路内部是模拟电路。据环路内部是模拟电路 还是数字电路，进而分为：还是数字电路，进而分为： 模拟锁相环（模拟锁相环（APLL） 数字锁相环（数字锁相环（DPLL）。）。 通信电子电路第8章 第二节第二节 自动增益控制电路自动增益控制电路 电压 比较器 可控增益 放大器 控制信号 发生器 电平 检测器 低通 滤波器 直流 放大器 UR udud Uo

5、ui 反馈网络反馈网络 一、一、AGCAGC电路的组成框图电路的组成框图 通信电子电路第8章 根据输入信号的类型、特点及控制要求，主要有两根据输入信号的类型、特点及控制要求，主要有两 种类型：种类型： 1.简单简单AGC 2.延迟延迟AGC 二、二、AGCAGC电路的类型电路的类型 通信电子电路第8章 （一）简单（一）简单AGCAGC电路电路 UO Ui 简单AGC电路的控制特性 特点：特点：UR=0。只要输入信号。只要输入信号Ui幅幅 度增加，度增加，AGC的作用就会使增益的作用就会使增益 A减小。减小。 优点：简单，无需比较器。优点：简单，无需比较器。 缺点：不管幅度大小，均降低缺点：不管

6、幅度大小，均降低 增益。致使增益。致使Ui很弱时，很弱时，Uo很小，很小， 接收灵敏度降低接收灵敏度降低. 其控制特性如图：其控制特性如图： 通信电子电路第8章 延迟AGC电路的控制特性 UR （二）延迟（二）延迟AGCAGC电路电路 基本思想：基本思想： Ui很弱时，很弱时， AGC 不起作用；只有不起作用；只有Ui达到某一达到某一 门限值门限值UR时，时，AGC才起作用。才起作用。 其控制特性如图：其控制特性如图： 无无AGC 有有AGC 通信电子电路第8章 1.用用AGC电压去调节放大器的参量电压去调节放大器的参量 2.在放大级间插入受在放大级间插入受AGC电压控制电压控制 的可控衰减器

7、的可控衰减器 三、控制增益的方法三、控制增益的方法 由谐频增益表达式：由谐频增益表达式：Au(j o)=-n1n2gm/GT可知可知， 改变改变gm或或G都将使都将使Au改变。改变。 通信电子电路第8章 （一）调节放大器的参量（一）调节放大器的参量 1.UAGC调节调节gm调节调节Au(j ) gm IE M N gm的大小与工作点电流的大小与工作点电流IE有关，其关有关，其关 系曲线如图：系曲线如图： 所以用所以用UAGC控制控制IB 调节调节IE 调节调节gm 控制电路如图：控制电路如图： ui u0 EC UAGC ui 反向反向AGC 正向正向AGC (2) (1) 对具有曲线对具有曲

8、线(1) 特性的管子构成的放大特性的管子构成的放大 器，若工作点设在器，若工作点设在M点的左侧，则点的左侧，则 uiUAGCIE gmAu (称反称反 向向AGC)。 对具有曲线对具有曲线(2)特性的管子构成的放大特性的管子构成的放大 器，若工作点设在器，若工作点设在N点的右侧，则点的右侧，则 uiUAGCIE gmAu (称正称正 向向AGC)。 通信电子电路第8章 A B D R1R2R3 UAGC EC T1 T2 （一）调节放大器的参量（一）调节放大器的参量 2. UAGC调节调节GT调节调节Au(j ) 控制电路如图：（设管子为反向控制电路如图：（设管子为反向AGC） 阻尼二极管阻尼

9、二极管D和和R1、R2、R3用用 来调节第一回路的总电导，使来调节第一回路的总电导，使 D、R2并联在第一回路。并联在第一回路。 Ui较小时较小时 UAGC IC2 UB UA D 截止截止 D、R2 支路近似开路，支路近似开路，GT1 Au Ui较大时，较大时， UAGC IC2 UB UA D导通导通 rd+R2并联在并联在 第一回路第一回路 GT1 Au 这种电路可有效的防止接收机因强这种电路可有效的防止接收机因强Ui造成的过载及堵塞现象。造成的过载及堵塞现象。 通信电子电路第8章 ( (二二) )电控衰减器增益控制电路电控衰减器增益控制电路 前述方法的缺点: UAGC变化变化 GT变化

10、 IE变化 解决方法：采用电控衰减器解决方法：采用电控衰减器AGC电路电路 To LC1 变化 使B(=GT/CT）、 同时， RiRo、 CiCo变化， 通信电子电路第8章 ( (二二) )电控衰减器增益控制电路电控衰减器增益控制电路 电路如图电路如图: UiUoUoUi +UAGC RFCRFC R R D D (a) (b) +UAGC RFC的作用：的作用： (1)防止高频信号回串影响防止高频信号回串影响UAGC (2)对直流控制电压对直流控制电压UAGC短路短路 原理：利用二极管的变阻特原理：利用二极管的变阻特 性与性与R构成分压。构成分压。 以以(a)为例为例,UAGCrd Au

11、Rr r K d d 应该指出：衰减系数应该指出：衰减系数K受下级输入阻抗的限制，当频率较高时受下级输入阻抗的限制，当频率较高时 二极管的电容效应会影响二极管的电容效应会影响K,所以一般选取等效电容小的所以一般选取等效电容小的PIN二二 极管。极管。 通信电子电路第8章 第三节第三节 自动频率控制（自动频率控制（AFCAFC）电路）电路 目的目的稳定振荡频率稳定振荡频率 一、一、AFC电路工作原理电路工作原理 1.电路组成电路组成 频率比较器频率比较器 Kd 低通滤波器低通滤波器 F(S) 可控频率器件可控频率器件 Ko r r(S) uc(t) Uc(S)Ud(S) ud(t) v v(S)

12、 电路组成框图电路组成框图 ui(t) 通信电子电路第8章 一、一、AFC电路工作原理电路工作原理 频率比较器有两种：频率比较器有两种： (1)鉴频器鉴频器-中心频率中心频率 0起参考信号起参考信号 r的作用。其输出误差电压的作用。其输出误差电压 为为ud(t)=kd( 0- v)= kd( r- v)。 (2)混频混频鉴频器鉴频器-本振信号本振信号 L与输出信号混频，然后鉴频，参考与输出信号混频，然后鉴频，参考 信号信号 r= o+ L。其输出误差电为。其输出误差电为 ud(t)=kd( r- v)= kd ( 0+ L) - v 低通滤波器低通滤波器-滤除误差信号滤除误差信号ud(t)中的

13、干扰成分，输出控制电压中的干扰成分，输出控制电压 信号信号uc(t)。 可控频率器件可控频率器件-一般是一般是VCO,其输出振荡频率为其输出振荡频率为 v= v+K0uc(t)。 其中，其中， v： uc(t)=0时时VCO的振荡频率；的振荡频率； K0 : 控制灵敏度控制灵敏度 。 通信电子电路第8章 二、主要性能指标二、主要性能指标-暂、稳态响应和跟踪特性暂、稳态响应和跟踪特性 AFC电路的数学模型电路的数学模型 (1)频率比较器的数学模型频率比较器的数学模型 对对ud(t)= kd( r- v)= kd(r- v ）= kd e(t)取拉式变换，得到取拉式变换，得到 ud(S)= kd(

14、r(S)- v(S) ）= kd e(S) (2)低通滤波器的数学模型低通滤波器的数学模型 (3)可控频率器件的数学模型可控频率器件的数学模型 由此可得频率比较器的数学模型由此可得频率比较器的数学模型 Kd r(S) v(S) e(S) Ud(S) F(S) Ud(S) Uc(S) K0 Uc(S) v(S) K0 Uc(S) v(S) Kd r(S) v(S) e(S) ud(S) F(S) 所以,AFC电路的数学模型电路的数学模型: 显见显见,它是频它是频 率反馈系统。率反馈系统。 通信电子电路第8章 （一）暂态和稳态响应（一）暂态和稳态响应 由由AFC电路的电路的 数学模型可得：数学模型

15、可得： K0 Uc(S) v(S) Kd r(S) v(S) e(S) ud(S) F(S) 1.开环传输函数：开环传输函数： 0 )( )( )( )(KSFK s s sG d e v 2.闭环传输函数：闭环传输函数： )( )(1 )( )( 0 0 S SFKK SFKK S r d d v 所以，输出频率偏移函数为：所以，输出频率偏移函数为： )(1 )( )(1 )( )( )( )( 0 0 SFKK SFKK SG SG S S SH d d r v 对此式取拉式反变换即可得对此式取拉式反变换即可得AFC电路的时域暂态响应、稳态响应。电路的时域暂态响应、稳态响应。 （二）跟踪特

16、性（二）跟踪特性 通信电子电路第8章 K0 Uc(S) v(S) Kd r(S) v(S) e(S) ud(S) F(S) 由由AFC数学模数学模 型可知，误差型可知，误差 函数函数E(S)为为 )(1 1 )(1 )( )( 1 )( )( )( 0 SFKK SH S S S S SE dr v r e 显见，显见， e(S)越小，跟踪特性越好。越小，跟踪特性越好。 例如求例如求 r发生阶跃变化发生阶跃变化 r情况下，情况下，AFC环路的稳态响应环路的稳态响应。 SS rr )( 频率阶跃的象函数为频率阶跃的象函数为 SSES re )()( 环路中产生的误差响应为环路中产生的误差响应为

17、据拉式变换的终值定理，可求得稳态频率误差：据拉式变换的终值定理，可求得稳态频率误差： )0(1 )(lim)(lim 0 00 FKK SESS d r r S e S e 其中，其中，F(0)为低通滤波器为低通滤波器 的直流传输函数。的直流传输函数。 通信电子电路第8章 e -称为称为AFC环路的剩余频差。环路的剩余频差。 r说明说明AFC有自动调节频差的能力。有自动调节频差的能力。 e KV 时，上式无解，即环路不存在锁定的时，上式无解，即环路不存在锁定的 e ,，所以所以能维持锁定所允能维持锁定所允 许的最大固有频差许的最大固有频差Vmax=KV, 据跟踪带定义有据跟踪带定义有 H= V

18、max= KV= KdKoF(0) 通信电子电路第8章 五、模拟锁相环路两种调节过程五、模拟锁相环路两种调节过程 （二）环路的捕捉过程（二）环路的捕捉过程 环路处于失锁时，环路处于失锁时， VCO与目标信号频率间存在频差与目标信号频率间存在频差V= S- V ， 若若V过大，超过过大，超过LF的带宽，的带宽，ud(t)将将不能通过不能通过LF,产生不了控制电产生不了控制电 压压uc(t)，环路无法捕捉到，环路无法捕捉到 S、一直处于失锁。因此，存在着一个、一直处于失锁。因此，存在着一个 保证环路由失锁经捕捉而进入锁定的最大允许值保证环路由失锁经捕捉而进入锁定的最大允许值Vmax, 将它称为将它

19、称为 捕捉带（用捕捉带（用p表示）。表示）。 -环路由失锁进入锁定的过程环路由失锁进入锁定的过程 设被捕信号为固定频率的载波，则动态平衡方程可写成： Vede tSinFKKtP)()0()( 0 作出的相图如图： A B e(t) 3-22 p e(t) KdKoF(0) V 当起始频差V0时， e(t)为增函 数，轨迹向右。 当Pe(t) KdKoF(0)，锁定锁定 点消失，不能入锁。点消失，不能入锁。 所以，捕捉带所以，捕捉带 p =Vmax= KdKoF(0) A B e(t) 3-22 p e(t) KdKoF(0) V 通信电子电路第8章 六、模拟锁相环路线性分析六、模拟锁相环路线

20、性分析 （一）（一）APLL的线性化的线性化 跟踪过程中，在跟踪过程中，在 e(t) /6时，时，ud(t)=KdSin e(t) Kd e(t) 所以，有：所以，有：p e(t)+KoKdF(p) e(t)=p 1(t) 对上式取拉氏变换、并加以整理得到：对上式取拉氏变换、并加以整理得到：)()( )( )( 1 SS S SFKK S e od e 由此可得到由此可得到APLL线性化相位模型：线性化相位模型： Ko/S UC(S) d K 1(S) e(S) 2(S) Ud(S) F(S) 2(S) 其中，其中， 2(S)=KdKoF(S) e(S)/S 通信电子电路第8章 六、模拟锁相环

21、路线性分析六、模拟锁相环路线性分析 （二）（二）APLL的相位传输函数的相位传输函数 1.开环传输函数开环传输函数 2.闭环传输函数闭环传输函数 3.误差传输函数误差传输函数 S SFKK S S SG d e )( )( )( )( 02 )( )( )(1 )( )( )( )( 0 0 1 2 SFKKS SFKK SG SG S S SH d d )()(1 1 )( )( )( 01 SFKKS S SGS S SH d e e 误差传输函数与闭环传输函数的关系：误差传输函数与闭环传输函数的关系：He(S)=1-H(s) 说明：以上各式是研究跟踪特性和频率特性等的常用公式。说明：以上

22、各式是研究跟踪特性和频率特性等的常用公式。 通信电子电路第8章 六、模拟锁相环路线性分析六、模拟锁相环路线性分析 （三）跟踪特性分析（三）跟踪特性分析 KKSS SS SGS S SH d e e 2 2 1 )(1 1 )( )( )( 衡量环路跟踪性能的指标是跟踪相位误差，即衡量环路跟踪性能的指标是跟踪相位误差，即 e(t)的暂态、稳态响的暂态、稳态响 应。前者描述了跟踪速度和跟踪过程中相位误差波动的大小；后者应。前者描述了跟踪速度和跟踪过程中相位误差波动的大小；后者 是是t时的相位误差值时的相位误差值 e . 举例说明其分析方法。设举例说明其分析方法。设APLL采用采用RC积分滤波器，积

23、分滤波器， 1 1 )( 1 S SF SS KK SG d 2 0 )( 若令 1 2 , 02 n d n KK 22 2 2 2 )( nn n e SS SS SH 有 设t0以后的固有 相位差为： tdtt S t S 0 1 )( 通信电子电路第8章 对上式取拉氏变换，对上式取拉氏变换， 2 1 /)(SS S )2( )2( )()()( 22 1 nn nS ee SS S SSHS 对上式取拉氏反变换，得到对上式取拉氏反变换，得到 tCostSinet nn t n s n s e n2 1 2 1 2 1 )1 (2)1 ( )21 ( 21 2)( 22 2 2 暂态响应

24、暂态响应 稳态响应稳态响应 第一项：第一项： d S n S e KK0 2 第二项：是振幅为指数衰减函数的两个正弦振荡的差值，两者振第二项：是振幅为指数衰减函数的两个正弦振荡的差值，两者振 荡频率相同，相位相差荡频率相同，相位相差 /2，振幅不同。当，振幅不同。当t时，此时，此 项项0，所以是暂态响应。，所以是暂态响应。 通信电子电路第8章 六、模拟锁相环路线性分析六、模拟锁相环路线性分析 （四）频率特性分析（四）频率特性分析-在不同频率输入时具有不同的传输能力。在不同频率输入时具有不同的传输能力。 令令j =S,则则 2 2 2 )2()(1 1 )( nn jH 当当 取不同值时，其幅频

25、特性曲线也不同，环路具有低通特性。当取不同值时，其幅频特性曲线也不同，环路具有低通特性。当 =0.707时特性最平坦，此时上限频率为时特性最平坦，此时上限频率为 2 1 0 KK d nH 通信电子电路第8章 第五节第五节 APLL电路及其应用电路及其应用 一、集成锁相环路一、集成锁相环路 -将将PD、VCO、放大器等集成在一块芯片、放大器等集成在一块芯片 上，各部件之间不连接或部分连接，以便上，各部件之间不连接或部分连接，以便 于插入环路滤波器中的阻容元件或其它电于插入环路滤波器中的阻容元件或其它电 路，具有灵活、功能强等特点。路，具有灵活、功能强等特点。 按最高工作频率不同，集成锁相环分为

26、：按最高工作频率不同，集成锁相环分为： 低频型（低频型（f30MHz) 通信电子电路第8章 二、二、APLL 的应用的应用 （一）锁相接收机（电路框图如图）（一）锁相接收机（电路框图如图） fs:接收的目标信号频率接收的目标信号频率； fd:经混频后的差频，即经混频后的差频，即 中频信号中频信号fI; 锁相目的：使锁相目的：使fd fI 混混 频频中中 放放 N倍频倍频VCO LF fs fI f0 fo=Nfo fd=fo-fSfd=fI uc(t) ud(t) PD 原理：原理： 将将fd、fI 加至加至 PD进行鉴相，利用差拍电压进行鉴相，利用差拍电压uc(t)去控制去控制VCO。锁。锁

27、 定时，其输出振荡的定时，其输出振荡的N倍频倍频(f0=Nf0)与与fs之差之差fd可与可与fI完全同步。完全同步。 接收机本振频率可通过改变接收机本振频率可通过改变N来调整，达到切换接收目标信号频来调整，达到切换接收目标信号频 率的目的。率的目的。 通信电子电路第8章 二、二、APLL 的应用的应用 （二）相干解调（二）相干解调 平方器平方器 解调解调 PD VCO LF LF 1/2 BF us(t) (DSB) o 2 s2 2 s 2 2 s 2 s s 因因DSB中无载频，所以中无载频，所以 要实现解调，需加相干要实现解调，需加相干 （其频率等于原载频）（其频率等于原载频） 的信号。

28、用的信号。用PLL可方便可方便 地从地从DSB波中提取出解波中提取出解 调所必须的相干载波调所必须的相干载波。 电路框图如图所示电路框图如图所示 原理：原理：DSB信号经平方器（可用乘法器）变换成含有信号经平方器（可用乘法器）变换成含有2 s、 、2 s 2 、 2 的信号，用窄带滤波器的信号，用窄带滤波器BF滤除滤除2 s2 、 2 ，利用利用PLL提取出提取出 2 s， ，经二分频，即得到相干载频 经二分频，即得到相干载频 s，供，供DSB解调用。解调用。 通信电子电路第8章 二、二、APLL 的应用的应用 （三）同步检波（三）同步检波 利用利用APLL可轻而易举的将淹可轻而易举的将淹 没

29、在噪声中的载波提取出来。没在噪声中的载波提取出来。 PD 90o相移相移 VCO LF 电路框图如图电路框图如图 us(t) (AM) RCC1 u (t) 设设us(t)=Us(1+maSin t)Cos st 锁定时，锁定时，VCO输出频率与输入载输出频率与输入载 波同步，即波同步，即u0(t)=U0Sin st 所以相移后所以相移后u0(t)=U0Cos st 乘法器输出：乘法器输出： um(t)=Kmus(t)uo(t)=Ud+UdmaSin t+Ud(1+ maSin t)Cos2 st = UdmaSin t 用C1隔掉 用用RC低通滤除低通滤除 其中，其中，Ud=KmUsUo/2

30、 通信电子电路第8章 二、二、APLL 的应用的应用 （四）锁相调制器（四）锁相调制器 振荡源振荡源us 1/N VCO LF 电路原理框图如图电路原理框图如图 利用利用PLL可实现调频或可实现调频或 调相。方法是：将基带调相。方法是：将基带 调制信号插入调制信号插入PLL的低的低 频端口，以便对频端口，以便对VCO 振荡实现调制振荡实现调制。 .当接入当接入UP，可实现调相，可实现调相(暂设暂设N=1) PD Up 由框图可得由框图可得VCO输出的已调相位信息为：输出的已调相位信息为： d p p od o K SU SHSU SFKKS SFK S )( )()( )( )( )( 0 显

31、见，它具有低通特性，所以其截止频率必须高于调制频率，否则显见，它具有低通特性，所以其截止频率必须高于调制频率，否则 会出现失真。为避免非线性失真，会出现失真。为避免非线性失真，Kd应保持常数。应保持常数。 ：(不接入不接入Up或或UF时，时，PLL锁定基准信号源锁定基准信号源us) 通信电子电路第8章 二、二、APLL 的应用的应用 2.当接入当接入UF（加至（加至LF 的输出端口），可实的输出端口），可实 现调频现调频(暂设暂设N=1) 由框图可得由框图可得VCO输出输出 的已调相位信息为：的已调相位信息为： )( )( )( 0 SFKKS SUK S od Fo 显见，它具有高通特性，所

32、以其截止频率必须低于调制频率，否则显见，它具有高通特性，所以其截止频率必须低于调制频率，否则 会出现失真。为避免非线性失真，会出现失真。为避免非线性失真，K0应保持常数。应保持常数。 )(1)( )( )( )()( 000 SHSUK SFKKS SUSK SSS F od Fo 已调输出频率信息为： 因因PD鉴相范围有限，使鉴相范围有限，使mp(mf)受限，解决方法是在环路中串入受限，解决方法是在环路中串入1/N, 令令VCO工作在输入基频的工作在输入基频的N次谐波，则次谐波，则 e(S)可降低为可降低为 0(S)的的1/N。 UF 振荡源振荡源us 1/N VCO LF PD 通信电子电路第8章 二、二、APLL 的应用的应用 （五）