第6章 集成PLL路的应用

1、锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 1 第第6章章 锁相环路的应用锁相环路的应用 第第1节节 跟踪滤波器跟踪滤波器 第第2节节 调制器与解调器调制器与解调器 第第3节节 频率合成频率合成 第第4节节 载波同步载波同步 第第5节节 位同步位同步 第第6节节 FM立体声解码立体声解码 第第7节节 彩色副载波同步彩色副载波同步 第第8节节 电动机转速控制电动机转速控制 第第9节节 锁相接收机锁相接收机 第第10节节 其它应用其它应用 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 2 第第1节节 跟踪滤波器跟踪滤

2、波器 一、定义一、定义 跟踪滤波器是一个带通滤波器，其中心频率能自动 地跟踪输入信号载波频率的变化。 二、锁相环构成的跟踪滤波器二、锁相环构成的跟踪滤波器 锁相环路作为跟踪滤波器时应从压控振荡器输出 uo(t)，在窄带设计条件下它是经过提纯的输入信 号载波，可用于信号的相干解调等。 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 3 图6-1 锁相环路跟踪衰落信号 根据压控振荡 器的特性，它的 瞬时振荡频率。 ( )( ) ( )( ) ( ) vooc io c oo tK u t tt u t KK 当环路锁定时 v(t)=i(t) 锁锁 相相 技技

3、术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 4 三、跟踪特性 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 5 跟踪特性的测量跟踪特性的测量 在电源电压为10V，中心频率fo=100kHz的情况下，用 XY记录仪直接测得的结果 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 6 当输入频率下降时得到图中实线中： 在fi=f3=1208kHz处环路捕获，在fi=f1=41kHz处 失锁。 由此可算得环路的同步带、捕获带 41 32 11 ()(161.541)060.25 22 11 ()(12

4、0.872.5)24.15 22 H p fffkHz fffkHz 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 7 锁相环路对输入高频信号的带通特性是由环路传递 函数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 ( )sin ic tt 1( ) costt 四、频率特性四、频率特性 式中c是载频； 为调制音频；为峰值频偏。输入相位为 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 8 式中H(j)是环路的闭环频 率响应； 1(j)是正弦相位信号1(t) 的幅度。 1 ()() () c o

5、 jH jj Uj K 1 1 () () () c o j j j K 将(6-4)式代入(6-3)式得到 只要环路工作在线性范围， 环路滤波器的输出uc(t)也 是频率为的正弦波，它的 幅度为： 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 9 图 6-3 跟踪滤波器的频率特性 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 10 图 6-3 跟踪滤波器的频率特性 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 11 第第2节节 调制器与解调器调制器与解调器 一、调幅信号的调

6、制与解调 二、模拟调频和调相信号的调制与解调 三、数字调频和调相信号的调制与解调 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 12 一、调幅信号的调制与解调一、调幅信号的调制与解调 1. 调幅信号设未调载波为 ( )sin ( )sin cec F utUt utt 式中Uc为载波幅度；c为 载频。调制信号为 （一）、调幅信号的调制（一）、调幅信号的调制 为分析简化，式中信号幅度 已经归一。经调幅后产 生的调幅信号为 ( )1( )( ) sincos()cos() 22 AMApc AA cccc utm utu t mm Uttt 锁锁 相相 技技

7、 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 13 用集成锁相环路构成的一个性能良好的AM调制器。 环中的相乘器直接用它的相乘功能；压控振荡 器是直接产生载波信号。 图 6-4 AM调制器原理图 2、调制器、调制器 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 14 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 15 1、原理、原理常用的AM信号解调器是峰值检波器。 这种电路无法抑制信号所伴随的噪声，解调输出信 噪比较差。若用同步解调则可抑制噪声，使解调输 出信噪比得到改善。 ( )sinc

8、os) 2 cos) 2 A AMocc A c m utUtt m t (二二)、调幅信号的解调、调幅信号的解调 设带有载波的DSBAM信号为 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 16 图 6-6 AM信号同步解调的原理图 同步的恢复载波为 ( )sin rc u tt 这两个信号相乘即可实 现同步解调 ( )1sincos2 22 sin(2) 2 sin(2) 2 cA demAc A c A c Um utmtt m t m t 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 17 图 6-7 AM

9、信号的PLL同步解调 2、同步解调的原理框图、同步解调的原理框图 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 18 图 6-7 AM信号的PLL同步解调 3、PLL同步解调的原理电路同步解调的原理电路 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 19 1.调频与调相信号仍设幅度为1的单一频率的调 制信号 uF(t)=sin(t+) 则调频信号为 uFM(t)=Uc sinc+uF(t)t 式中c为载频； Uc为载波幅度； 为峰值频偏。 二、模拟调频和调相信号的调制与解调二、模拟调频和调相信号的调制与解调 锁锁

10、相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 20 已调信号的幅度为常数，其瞬时频率正比于调制 信号。 调频信号也可以用频谱来表示。单一频率 正弦信号调制的调频信号，其频谱不再像调幅 信号那样是三条谱线，而是有无限多的谱线。 谱线的频率为c ，c2,，cn，其 中n为正整数。第n对谱线的幅度为(设Uc=1)()()() cnnf AnJJm (6-15) uFM(t)=Uc sinct+ sin(t+)t 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 21 调频信号可分为窄带和宽带两类。所谓窄 带调频信号是指峰值频偏远小

11、于调制频率， 即mf1，有很多谱线。作 为一个粗略的近似，可忽略nmf的那些频谱， 其带宽可近似为 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 22 调相信号的特征是其瞬时相位与调制信号 成正比，可表示为 uPM(t)=Uc sinct+uF(t) 式中为峰值相偏。若调制信号仍同(6-12) 式，则代入(6-18)式得 uPM(t)=Uc sinct+ sin(t+) 它的频谱也包含有一组间隔为的谱线。频率 为cn的频谱幅度为(设Uc=1) A(cn)=Jn() 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 23

12、 图 6-8 FM与PM的转换 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 24 每个压控振荡器自身就是一个调频调制器， 因为它的瞬时频率正比于输入控制信号。图6-8 说明如何将一个调频调制器变换成一个调相调制 器。调制信号uF(t)经微分后得 式中Td是一个常数。uf(t)控制VCO得到输出瞬时 频率为 ( ) ( ) F fd dut utT dt ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) F vood t F oood o oodF dut tK T dt dut ttK Td d tK T ut VCO的瞬时相位为 锁锁 相相 技技 术术 202

13、1-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 25 令KoTd=，则VCO输出信号可表示为 uo(t)=Uc sinot+uF(t) 这就是一个载波频率等于VCO自由振荡频 率o的调相信号，与(6-18)式相同，说明图6-8完 成了调频信号与调相信号之间的变换。 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 26 2 调制器 压控振荡器可以直接用作FM调制 器。但是由于它的振荡频率的温度漂移以及控 制特性的非线性等，不能产生高质量的FM信号。 应用如图6-9所示的PLL调制器，可以获得 FM或PM信号。其载频稳定度很高，可以达到 晶体振荡器的频

14、率稳定度。根据环路的线性相 位模型，可以导出在调制信号uF(t)作用下， 环 路的输出相位(以下均用它们的拉普拉斯变换表 示) 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 27 图 6-9 PLL调制器 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 28 2( ) ( ) 1( ) 1 ( )( ) o F o eoF K s sUs K F s s HsK Us s VCO输出频率相对于自由振荡频率o的频偏即为 s2(s)。由上式可得 2( ) ( )( ) soF ssHsK Us 锁锁 相相 技技 术术 2

15、021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 29 若要产生PM信号，需使输出相位2(s)与调 制信号成正比。从(6-23)式可见，若先将调制信 号经过微分得到sUF(s)，再代入(6-23)式，即可 得到 2( ) ( )( ) soF ssHsK Us 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 30 为保证调制器具有同样良好的低频调制特 性，可用锁相环路构成一种所谓两点调制的宽 带FM调制器。 图 6-10 两点调制的宽带FM调制器 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 31 在环路的

16、线性相位模型上，可以分别计算 uF1(t)和uF2(t)的调制作用。uF1(t)产生的输出相位 为 211 1 ( )( )( ) eoF sHsK Us s uF2(t)产生的输出相位为 222 ( )( )( ) pF sH sKUs 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 32 式中Kp是前端调相器的调制增益。总的输出相位 为 22122 12 11 22 212 212 ( )( )( ) 1 ( )( )( )( ) ( )( )( ) ( )( )( ) 1 ( )( )( )( )( )( ) ( )( )( )( )( )( ) e

17、oFF FF FF Feop Feop sss HsK UsH s Us s UsUs G s UsUs Gs sUsHsKG sHs K Gs s ssUsHsKG sH sKs Gs 将此代入上式得 2( ) ( )( )( ) Feop ssUsHsKH sK (6-28) 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 33 3、解调器、解调器 调制跟踪的锁相环路本身就是一个FM 解调器，从压控振荡器输入端得到解 调输出。 发射机部分用一PLL集成电 路构成，VCO作为FM调制 器;PD用一个相乘器，这里用 作缓冲放大，只要在另一端 加一固定偏置电

18、压即可。 接收机是一通用的线性PLL电 路。利用PLL良好的调制跟踪 特性，使PLL跟踪输入FM信号 瞬时相位的变化，从而从VCO 控制端获得解调输出。 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 34 假设输入FM信号，环 路处于线性跟踪状态，且 信号载频c等于VCO自由 振荡频率，则可得到输入 相位 1 0 ( )sin() cos() t td 设PLL的闭环频率响应为H(j)，则输出相位为 2 2 ()()cos() 1 ()() 1 ()sin() c o o tHjtArgHj d utt Kdt HjtArgHj K 2 2 ()()c

19、o s () 1 ()() 1 ()s i n () c o o tHjtA r gHj d utt Kd t HjtA r gHj K 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 35 2 2 ()() c o s () 1 ()() 1 () s i n () c o o tHjtA r gHj d utt Kd t HjtA r gHj K 因而解调输出电压为 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 36 图 6-12 几种FM解调器电路 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉

20、湖北大学物电学院余琼蓉 37 图 6-12 几种FM解调器电路 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 38 图 6-12 几种FM解调器电路 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 39 1、 数字信号调频与调相最常见的数字调频 与调相信号是，二元数据信号的移频键控信号 FSK，以及移相键控信号PSK。 2、数字调频信号的产生从原理上讲，方波 调频与前面讲过的模拟信号调频没有什么本质的 不同。这里着重介绍一些适用的实际电路。 三、数字调频和调相信号的调制与解调三、数字调频和调相信号的调制与解调 锁锁

21、相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 40 图 6-13 FSK信号和PSK信号 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 41 图 6-14 FSK调制器 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 42 解调解调FSKFSK信号有两种不同的方法：信号有两种不同的方法： 第一种是用一个PLL使其始终对输入信号的 频率锁定或跟踪。 第二种方法是用一个PLL对FSK信号中的一 个频率锁定，而对另一个频率则是失锁的。 3、解调器用、解调器用PLL 锁锁 相相 技技 术术

22、2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 43 图 6-15 XR-215的FSK解调电路 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 44 图 6-16 NE560和NE565的FSK解调电路 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 45 图 6-16 NE560和NE565的FSK解调电路 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 46 图6-17 NE564的FSK解调电路 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖

23、北大学物电学院余琼蓉 47 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 48 图 6-18 电话拨号音解码电路 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 49 第第3节节 频率合成频率合成 一、概述 二、基本的锁相频率合成器 三、具有前置分频的频率合成器 四、变模分频合成器 五、具有混频器的频率合成器 六、后置分频的频率合成器 七、多环频率合成器 八、小数分频合成器 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 50 一、概述一、概述 定义：定义：频率合成器是将一个高精

24、确度和高稳定度的标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、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。稳定度的频率源。 性能指标性能指标 1、频率稳定度、频率稳定度 2、频道间隔、频道间隔 3、频道数、频道数 4、频率精确度、频率精确度 5、频率分辨力、频率分辨力 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 51 1、最早的合成方法被称为直接频率合成，、最早的合成方法被称为直接频率

25、合成， 它利用混频器、倍频器、分频器和带通滤波它利用混频器、倍频器、分频器和带通滤波 器来完成对频率的四则运算。器来完成对频率的四则运算。 2、锁相频率合成器锁相频率合成器锁相环路的频率合锁相环路的频率合 成方法称为间接合成，它是目前应用最为广成方法称为间接合成，它是目前应用最为广 泛的一种频率合成方法。泛的一种频率合成方法。 3、直接数字频率合成器、直接数字频率合成器利用计算机利用计算机,应用应用 程序与程序与D/A转换产生各种各样的波形信号与转换产生各种各样的波形信号与 频率频率. 频率合成的方法：频率合成的方法： 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电

26、学院余琼蓉 52 二、基本的锁相频率合成器二、基本的锁相频率合成器 应用锁相环路的频率合成方法称为间接合成。 Td ff o d oT f f N fNf 在环路锁定 时，鉴相器 两输入的频 率相同 fd是VCO输出频 率fo经N次分频后 得到的。 o d oT f f N fNf 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 53 VCO输出频率直接加到可编程分频器上。各种工艺的可编程分 频器都有一定的上限频率, 这就限制了这种合成器的最高工作频 率。 如何解决呢？如何解决呢？ 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电

27、学院余琼蓉 54 三、具有前置分频的频率合成器三、具有前置分频的频率合成器 解决这个问题的办法之一，是在可编程分频器的前端加 一个固定模数V的前置分频器。ECL或CaAs的固定模 数分频器可工作到1GHz以上，这就大大提高了合成器 的工作频率。 () oT fN Vf 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 55 四、变模分频的频率合成器四、变模分频的频率合成器 工作过程： A：有两个分频模数，当 模式控制为高电平时，以 V+1模式分频，为低电平 时，以V模式分频。 B：有两个程序计数器N1、 N2。假设N2N1。两计数 器初始为高电平。 C：按V

28、+1模式计数，到N2 个脉冲时，N2输出变为低 电平，并同时封锁N2计数 器，按V模式计数。 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 56 D：此时，计数器仍然按V 模式计数到（N1-N2）个 脉冲，N1输出为一个低电 平，一是给PD比相，同时 合N1、N2清零，让计数器 重新开始计数。 E：一个完整的计数周期的 计数脉冲个数为 D=N2(V+1)+(N1-N2)V = VN1+N2 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 57 若V=10，则 D=10N1+N2 其它的双模分频比，例 如56、67、8

29、9、 以及100101也是常 用的。 若用100101的双模分 频器，那么V=100 D=100N1+N2 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 58 图 6-23 四模分频PLL合成器 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 59 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 60 图 6-24 下变频PLL合成器 五、具有混频器的频率合成器五、具有混频器的频率合成器 fo=Nfr+fm 采用变模分频器的目的在于使合成器能工作在高于可 编程分频器上限的频率上。

30、解决这个问题的另外一个途径 即是用一个本机振荡器，通过混频将输出频率下移。 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 61 六、后置分频的频率合成器六、后置分频的频率合成器 用高参考频率而且仍能得到高频率分辨力的一种 可能的方法是，在锁相环路的输出端再进行分频。 VCO输出频率经M次分频之后为 T o Nf f M 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 62 图 6-26 三环锁相频率合成器 七、多环频率合成器七、多环频率合成器 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电

31、学院余琼蓉 63 合成器的频率转换时间是由A、B、C三个 环共同决定的。因为A、B两个环的参考频率 fr=100 kHz，C环的参考频率更高，所以即使频 率分辨力达到1 kHz，而总的频率转换时间仍为 5 2525 0.25 10 s T tms f 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 64 图 6-27 CMOS集成双环合成器 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 65 环路的输出频率 ： (324 325)0.002510.24 11.0500 11.0525 (324 325)0.00251

32、1.31 12.1200 12.1225 A A f MHz f MHz 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 66 锁相频率合成器的基本特性是，每当可编 程分频器的分频比改变1时，得到输出频率增量 为参考频率fr。为提高频率的分辨力，就需减小 参考频率fr，这对转换时间等性能是十分不利的。 我们设想，假若可编程分频器能提供小数的分 频比，每次改变某位小数，那就能在不降低参 考频率的情况下提高频率分辨力了。这是一个 理想的办法，可惜数字分频器本身无法实现小 数分频。 八、小数分频合成器八、小数分频合成器 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖

33、北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 67 图 6-28 小数分频PLL合成器 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 68 图 6-29 图6-28电路的波形图 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 69 九、频率合成器实例九、频率合成器实例 (1)图是一个用MC145106构成的单环锁相频率合成器,作 为民用电台的发射机主振和接收机第一、第二本振。 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 70 (2) 图6-31是用MC145106 构成的双环锁

34、相频率合 成器,应用于航空电台。 图中上部是一个VHF环, 参考振荡频率为1024 MHz,鉴相频率为fr1=5 kHz。 01 021 1 01102 1 () 10 10() T T f ff N fNff 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 71 图 6-31 双环锁相频率合成器 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 72 (3) 图6-32是用MC145152构成的前置双模 分频的锁相频率合成器,用于航空导航接收机。 图 中 M C 3 3 9 3 P 是 双 模 前 置 分 频 器 ,

35、按 V/(V+1)(V=15)模式工作,其最高工作频率是 140 MHz。参考振荡频率为32 MHz。现置定 RA2 RA1 RA0=001,可查得参考分频比为64,则鉴 相器工 作 频 率 为 50 kH z。 控 制 N = 114 127,A=014,即可合成需要的频段8600095950 MHz。 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 73 图 6-32 导航接收机用前置双模分频锁相频率合成器 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 74 第第4节节 载波同步载波同步 一、平方环 接收信号本身

36、虽然没有载波的频谱分量,但显 然内中含有载频的信息,只要经过非线性变换即可 产生载波的倍频分量，例如BPSK信号 ui(t)=Uim(t)sinot+1(t) 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 75 当ui(t)与噪声n(t)同时进入接收机之后,只要 经过平方律的非线性变换,即可产生2o的频谱分 量,即 ui(t)+n(t)2= Ui2m2(t)sin2o(t)+1(t) +2U im(t)sinot+1(t)n(t)+n2(t) (6-41) 设输入带通滤波器的带宽Bi足够宽,可以不 失真地传输原始数据信号m(t),而Bi与中心频率o 相比

37、又小得多,故输出n(t)为带限自高斯噪声,可 表示为 n(t)=nc(t)cosot-ns(t)sinot =Nc(t)cosot+1(t)-Ns(t)sinot+1(t) (6-42) 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 76 式中 Nc(t)=nc(t)cos1(t)+ns(t)+sin1(t) Ns(t)=-nc(t)sin1(t)+ns(t)cos1(t) (6- 43) 图6-33 平方环 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 77 将此代入 (6-41) 式,经2o带通滤波器提取出 2

38、o附近的成分,得输出信号为 它与压控振荡器输出电压 2222 1 1 111 ( )( )( )( )( )cos22( ) 222 ( )( )( )( )sin22( ) iiecso eiceo z tU mtU NtNtNttt Nt U m tNt Nttt (6-44) 1( )sin22( ) ( )sin2( )( ) ooo ode utUtt utKtN t 相乘,经环路滤波器滤除4o的分量,得到误差电压 (6-46) (6-45) 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 78 其中Km为相乘器的系数; 22 111 ( )(

39、)( )( )( )sin2( ) 222 ( )( )( )( )cos2( ) moisose iocse N tK UU m t NtNtNtt U m t NtNt Ntt (6-47) 为等效噪声电压。 据此可建立环路方程 1 ( )( ) ( )sin2( )( ) e ode dtdt zzK F pKtN t dtdt (6-48) 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 79 式中Ko是VCO的灵敏度,F(p)是LF的传输算 子,相应的等效模型如图6-34。图中等效鉴相器 特性 D(e)=Kdsin2e(t) (6- 49) 它仍

40、是一个正弦鉴相器,只是周期不是2,而是。 经过线性近似,即当e(t)比较小时 Kdsin2e(t)2Kde(t) 则方程 (6-48) 式简化为 1 ( )( ) ( )( )( ) e eni dtdt KF ptt dtdt (6-50) 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 80 图6-34 平方环的等效模型 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 81 图6-35 平方环线性化噪声相位模型 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 82 利用这个模型

41、,可在已知输入信号功率Ps、 输入噪声单边功率谱密度No等条件下,求得环路 的输出相位噪声方差 2 22 1 2 Looi no TeTe B NN B k Pk P (6-51) 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 83 二、同相正交环 同相正交环又称考斯塔斯 (Costas) 环,其 组成如图6-36。接收信号被分别送到上下两个 支路的两个鉴相器上,上支路与VCO输出正交鉴 相,下支路与经90相移的VCO输出同相鉴相。 上下鉴相器输出经低通过滤之后相乘,获得误差 电压通过环路滤波器之后去控制VCO的相位与 频率。 图6-36同相正交环中,除

42、VCO和LF之外的 所有部分的作用是,在接收信号 1 ( )( )( ) ( )sin( )( )( ) ii io x tu tn t U m tttn t (6-52) 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 84 图6-36 同相正交环 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 85 和VCO输出信号 共同作用之下,产生一个误差电压 Ud(t) ,所 以它完全等效为一个鉴相器。不难证明,误差电 压 1( )cos( ) ocoo utUtt(6-53) 2222 ( )sin2( )( ) 11 (

43、 ) 42 dde dmoi utKtN t KK UU mt (6-54) (6-55) 是这个等效鉴相器的灵敏度; 2222 111 ( )( )( )( )( )sin2( ) 422 ( )( )( )( )cos2( ) moiscse icsce N tK UU m t NtNtNtt U m t NtNt Ntt (6-56) 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 86 第第5节节 位同步位同步 一、非线性变换一、非线性变换滤波法滤波法 归零码中含有码元速率的频谱谱线,可以用锁 相环路直接提取位同步信号。归零码所需的带宽 约为非归零

44、码的一倍,因此更为常用的数据信号是 非归零码。因为非归零码中没有码元速率的谱线, 码元同步的提取需先对码序列进行非线性变换,以 恢复其位信号之后才能用锁相环路来提取,方法如 图6-37。 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 87 图6-37 非归零码的位同步 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 88 与同作载波同步的同相正交环相类比,可 以构成用于位同步的同相中相环,如图6-38。 二、同相二、同相中相位同步环中相位同步环 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物

45、电学院余琼蓉 89 图6-38 同相中相位同步环 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 90 设输入信号为 x(t)=m(t-) (6-57) 同相积分区间为 11 (1) ( )() c c kTt k kTt ytKm tdt (6-58) 中相积分区间为 (1) 22 (1) ( )() c c kTt k kTt ytKm tdt (6-59) 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 91 图6-39 三种情况下的同相和中相积分 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖

46、北大学物电学院余琼蓉 92 转换判别器的输出为 1 1 1 10 10 k kk k y aSgn y y 1 1 1 1 0 11,1 2 11,1 kk kk kkk kk aa aa Iaa aa 判决器的输出为 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 93 相乘器输出 ud(t)=IkJk 由于输入码元序列出现数据转换的概率为1/2,故平 均误差电压 2 1 ( )( ) 2 dd ututK A 2 2 / (/2) 22 (/2) 2 / ( )()(/) 2/2 ( )() (1/2) 4 e e e e e de LoL T os

47、kT k kT oL T s utK ATDT T B TN B E NP ytKm Tdt N B P 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 94 图6-40 同相中相位同步环的归一化等效鉴相特性(=1) 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 95 图6-41 同相中相位同步环归一化等效鉴相特性(=1/2) 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 96 三、早三、早迟积分清除位同步环迟积分清除位同步环 为绝对值型早迟积分清除位同步环,信号与噪声一起同时

48、 进入早、迟积分器。 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 97 早积分器的清除时刻超前于迟积分器的清除时刻,超前 量为T-2。为使两者在时间上对齐,图中的延迟是必 要的。两路积分输出在比较器中相减,则可获得所需 要的误差电压,误差电压经滤波后控制VCO就可实现 同步。 同样,早迟积分清除位同步环中,除了VCO和 LF之外的全部电路可等效为一个鉴相器,其等效鉴 相特性为 D(e/T)=2KATsDn(e/T) 式中Dn(e/T)为归一化等效鉴相特性 ( ) (/) 2 d ne ut DT KAT 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学

49、物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 98 图6-43 早、迟积分器的积分区域 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 99 图6-44 绝对值型早迟积分清除同步环 的归一化等效鉴相特性 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 100 第第6节节 FM立体声解码立体声解码 主信号L+R、附加信号L-R调制形成的抑制 载波的DSBAM信号，再加上19kHz的导频信号， 组成了立体声复合信号，即 ( )()()coscos 2 s sp u tLRLRtUt 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学

50、物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 101 图6-45 立体声复合信号的频谱 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 102 图6-46 锁相环FM立体声解码器框图 它主要 有 三 部 分组成：产生 19kHz方波信 号的锁相环路、 锁定指示器和 解码器。 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 103 同步解调，在V1的输出端得到 UL=05(L+R)+032(L-R) =082L+018R 在V2的输出端得到 UR=05(L+R)-032(L-R) =018L+082R 经后续网络的合成，L输出端

51、得到 UL-022UR=078L R输出端得到 UR-022UL=078R 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 104 图6-47 5G3361的框图与应用电路 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 105 图6-47 5G3361的框图与应用电路 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 106 第第7节节 彩色副载波同步彩色副载波同步 在彩色电视中，彩色全电视信号包括亮度信 号、色差信号、色同步信号和行同步信号。其中 亮度信号由三基色组成 EY=03

52、ER+059EG+011EB 式中EY、ER、EG和EB分别表示亮度、红色、 绿色和蓝色信号电压。 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 107 在我国通用的PAL制中，色度信号是一种 特殊的调幅信号。它利用两个色差信号：一个 是红基色信号ER和亮度信号EY之差 E R-Y=ER-EY=07ER-059EG-011EB 另一个是蓝基色信号EB与亮度信号EY之差 E B-Y=EB-EY=-03ER-059EG+089EB 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 108 用这两个色差信号分别对互为正交的两

53、个 同频色副载波sc进行平衡调制，得到 22 22 sin() tan() R YB Ysc B Y R Y R YB Y EEt E arv E FEE F=E R-Y cossct+E B-Y sinsct 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 109 在PAL制中，为了克服相位失真而引起的 色调变化，色度信号是经过逐行倒相的，如奇 数行 Fo=E B-Y cossct+E R-Y sinsct 偶数行 e= E B-Y cossct- E R-Y sinsct 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余

54、琼蓉 110 图6-48 PAL制彩色电视的色差信号解调 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 111 图6-49 D7193AP/P色处理电路框图 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 112 第第8节节 电动机转速控制电动机转速控制 利用锁相环路可以很低的成本对直流电动机 转速实施非常精确的转速控制，这在工业生产技 术上是十分有用的。与常规的电机转速控制技术 相比，锁相技术具有明显的优点。典型的电机控 制方案如图6-50。 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物

55、电学院余琼蓉 113 图6-50 电机转速控制系统框图 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 114 用锁相环路构成的电机转速控制系统的框 图如图6-51，其中VCO已由电机和光转速表取 代。 图6-51 PLL电机转速控制系统框图 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 115 在激励电压uc的作用下，电机转动角速度为 ( )1exp() mc m t tK u T 2 2 22 ( )( ) 1 ( )( ) (1) ( )( ) (1) ( ) ( ) ( )(1) m c m m c m m

56、c m m m cm K sUs sT K sUs ssT K K sUs ssT sK K Hs UsssT 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 116 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 117 图6-53 普通VCO和电机阶跃响应的比较 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 118 图6-54 PLL电机转速控制系统模型 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 119 图6-54的系统模型可简化为

57、图6-55，前向传 递函数用G1(s)表示，反馈网络传递函数用G2(s) 表示。系统的开环频率响应则为 2 122 2 1 2 2 2 1 1 ()()() () (1) 11 (1) 1() 1 odam m m dam j HjGjGjK K K K jjT Kj jTj KK K K K 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 120 图6-55 图6-54的简化图 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 121 第第9节节 锁相接收机锁相接收机 图6-56是卫星多普勒测速的示意图。图上vR 表示

58、卫星相对于地面站的径向运动速度，R代表 卫星至地面站的距离，则有关系 R dR v dt 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 122 设卫星向地面发射的信标信号频率为t，则 地面站接收信号的相位为 rt R t c 1 rR rt R rtttd R dd rtdd rtdd dv dtc v fffff c v ff c ffff ffff 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 123 图6-56 卫星多卜勒测速示意图 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学

59、院余琼蓉 124 图6-58锁相接收机的工作原理可简述如下。 设混频器输入信号电压 u1(t)=U1sin1t+m(t) (6-85) 式中m(t)为附加调制相位。 倍频器的输出电压为 u2(t)=U2cos2t+2 (6-86) 混频器输出经放大后的中频电压为 u3(t)=U3sin3t+m(t)-2 (6-87) 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 125 式中 3=1-2 参考信号电压为 u4(t)=U4cos(4t-4) (6- 88) 为分析方便，设4=0，则鉴相器输出电压为 ud(t)=Udsin(3-4)t+m(t)-2 (6-89) 锁锁 相相 技技 术术 2021-7-1湖北大学物电学院余琼蓉湖北大学物电学院余琼蓉 126 图6-57 双程多卜勒测量系统 (a)地面系统