桂工锁相技术第四章环路捕获性能

1、锁相技术锁相技术信息科学与工程学院通信教研室 杨丽燕第四章第四章 环路环路捕获捕获性能性能p 捕获的基本概念捕获的基本概念p 捕获过程与捕获特性捕获过程与捕获特性p 捕获捕获带与捕获时间带与捕获时间p 辅助捕获方法辅助捕获方法捕获的基本概念捕获的基本概念p 捕获捕获 第2、3章的分析，都是在假定环路已经锁定的前提下来讨论环路的跟踪和过滤性能，因为失锁环路是不可能表现出这些性能的。但是在实际工作中，例如开机、换频或由开环到闭环，一开始环路总是失锁的，因此环路需经由失锁到锁定的过程，称为捕获。捕获的基本概念捕获的基本概念)()(tutucLFdivPDet)(锁定 一阶环路只存在相位捕获，二阶环路

2、频率捕获和相位捕获都存在。捕获的基本概念捕获的基本概念p 自捕获与辅助捕获自捕获与辅助捕获 如果环路依靠自己的控制能力达到捕获锁定，则称这种捕获过程为自捕获； 如果环路借助于辅助电路才能实现捕获锁定，则成为辅助捕获。 环路的跟踪性能和捕获性能对环路参数的要求是矛盾的。因此，为发挥环路的跟踪性能，一般要牺牲环路的捕获性能，捕获过程借助于辅助捕获电路来完成。捕获的基本概念捕获的基本概念捕获的基本概念捕获的基本概念工程上常用近似方法来研究锁相环路的非线性捕获过程：2. 准线性法准线性法 基于环路中含有低通滤波环节的事实，鉴相器输出的任何形式的差拍周期信号，经过低通滤波器后，都可以近似为直流与正弦信号

3、的和。适用于任何阶次的环路，对于高阶环的分析更精确。1)(pF)(sin)()(1tKtptpee 一阶锁相环路的捕获如果输入固定频率的信号：iott)(1)(sin)(tKteoe相轨迹方程 按照相轨迹方程可以建立瞬时频差 和瞬时相差 之间的关系图 称为“相平面图相平面图”。)(),(ttee)(te)(te捕获过程与捕获特性捕获过程与捕获特性p捕获过程捕获过程锁相技术第4章 环路捕获性能 )(te)(te022oK讨论：1. 曲线上任意一点为相点相点 ，它反映了环路工作状态的变化过程。Ko3. 每个2周期内和横轴有两个交点，交点处：0)(teKnoeAarcsin2KnoeBarcsin2

4、稳定平衡点不稳定平衡点时的动态方程图解AB)(),(ttee锁相技术第4章 环路捕获性能 4. 稳态相差 一般认为相差接近A点环路就进入到了锁定状态。KnoeAarcsin25.当 时， 环路动态方程无解，不能进入锁定状态。 Ko0)(te当 时，环路为临界锁定状态。Ko6. 、 、 的关系HpLKLpHKoKo一阶锁相环的可调参数只有K)(te)(te022时的动态方程图解KoKo捕获过程与捕获特性捕获过程与捕获特性锁相技术第4章 环路捕获性能 二阶锁相环路的捕获 以无源比例积分滤波器为例分析环路的捕获过程2111( )1opF ppddt )(sin11)()(121tppKtptpee)

5、()(sin) 1()()()(211212tptpKtptptpeee当输入固定频率信号时：=0o)(1)()(cos)(sin)(112112tptptKtKtpeeeeoedttdtKtKdttdeeeoe)(1)(cos)(sin)(1121122iott)(1锁相技术第4章 环路捕获性能 再将上式两边除以 , 得相轨迹方程相轨迹方程/eeddt211( )111cos( )sin( )( )( )eeoeeedtKtKtdtt 12KKH环路高频总增益112sin111(cos)()eoeeHeHeHdKdKK 对于上述方程的解析求解很难，利用计算机辅助的方法获得相平面图条件是：)(

6、),(tteedtdKteHe1)(21021HHKK2HoK锁相技术第4章 环路捕获性能 讨论：1. 相平面图是由相轨迹簇构成的，不同的起始频差就有不同的相轨迹。2. 相轨迹是有方向的曲线上半平面：下半平面：相点右移)(0)(tttee相点左移)(0)(tttee3. 当起始频差比较大时，相轨迹近似正弦波，但在每个 周期后，会向横轴靠近。（靠近锁定点）2锁相技术第4章 环路捕获性能 5. 平衡点的条件：0)(; 0)(22dttddttdeearcsin2arcsin2arcsinoeoeoenKnKK稳定平衡点：不稳定平衡点：当n=0时的稳态相差为：arcsin2arcsin2arcsin

7、oeoeoenKnKKKo环路锁定Ko环路失锁锁相技术第4章 环路捕获性能 6. 相轨迹图中没有明显的时间信息，但隐含着 和 随时间变化的信息，根据相轨迹图可以得到 和 随时间变化的关系图。)(te)(te)(te)(te锁相技术第4章 环路捕获性能 捕获过程的定性分析输入信号：固定频率信号2. 频率捕获结束后，环路进入相位捕获。ivccddeeutuutut)()()sin()()()(锁定状态相位捕获结束不超越 2 靠近vi1. 环路开始工作，)()(0)(tupFtucd)()(1)(1tttKvieeH频率捕获结束捕获过程与捕获特性捕获过程与捕获特性捕获过程与捕获特性捕获过程与捕获特性

8、理想二阶环的捕获过程：理想二阶环的捕获过程： 二阶环路在结构上与一阶环路的根本区别是环路中多了一个环路滤波器。它具有低通特性，对直流起积分的作用，而对交流信号具有衰减作用，可以用下面的模型代替环路滤波器AC通路DC通路捕获过程与捕获特性捕获过程与捕获特性捕获过程与捕获特性捕获过程与捕获特性捕获过程与捕获特性捕获过程与捕获特性的波动），误差电压也将趋于固定值，并带有一定的波动。同时这些波动成分再次通过环路滤波器进行比例衰减，最终再次返回到鉴相器，将使得波动越来越小。捕获带与捕获时间捕获带与捕获时间 在固定频率输入下，视固有频差的大小，一阶环路和二阶环路都有产生稳定的差拍状态和进入锁定的两种可能性

9、。 保证环路必然进入锁定的最大固有频差值，称为捕获带。 一般，捕获的全过程包含频率捕获与相位捕获两个过程，把保证环路只有相位捕获一个过程的最大固有频差值，称为快捕带。 一阶环路由于只有相位捕获，所以为快捕获，同时其捕获带等于快捕带。 频率捕获过程所需要的时间称为频率捕获时间（频率牵引时间）；相位捕获过程所需要的时间称为快捕时间（相位捕获时间）； 通常，频率捕获时间总是远大于相位捕获时间，所以一般所说的捕获时间，是指频率捕获时间，而不考虑相位捕获时间的影响。捕获带与捕获时间捕获带与捕获时间p 二二阶环路的快捕带和快捕时间阶环路的快捕带和快捕时间 一般当固有频差比较大时，由于二阶环路的捕获需要积分

10、器长时间的积分过程，才能最终使环路进入锁定状态，所以捕获时间一般都相对漫长。 但如果初始时刻的固有频差比较小时，二阶环路即使不通过环路滤波器的积分作用就可以使环路进入锁定。短时间内，可以忽略直流成分构成的控制电压成分，而只考虑交流成分的作用，因此环路相位模型可近似表示为：捕获带与捕获时间捕获带与捕获时间最大控制频差为：最大快捕时间近似为：捕获带与捕获时间捕获带与捕获时间p 二二阶环的捕获带与捕获时间阶环的捕获带与捕获时间捕获带 ：保证环路必然进入锁定的最大固有频差p使用准线性近似法得到的捕获带的计算公式： 是环路滤波器的直流频率响应)0( jF是 的实部)(2pjFK是环路总增益捕获带与捕获时

11、间捕获带与捕获时间p 二二阶环的捕获带与捕获时间阶环的捕获带与捕获时间 采用有源比例积分滤波器的二阶环捕获带与捕获时间捕获带与捕获时间 采用无源比例积分滤波器的二阶环捕获带与捕获时间捕获带与捕获时间 采用RC积分滤波器的二阶环12211( )11Re ()21(/2)( 0)1ppF ssF jF j捕获带与捕获时间捕获带与捕获时间 采用有源比例积分滤波器的二阶环 采用无源比例积分滤波器的二阶环锁相技术第4章 环路捕获性能 4.4 辅助捕获方法辅助捕获方法问题的提出：问题的提出：1. 环路依靠自身的捕获进入锁定，使得环路依靠自身的捕获进入锁定，使得 长，长， 窄。窄。另外可能出现假锁定现象（锁

12、定在不稳定平衡点）。另外可能出现假锁定现象（锁定在不稳定平衡点）。pTpa.提高环路增益提高环路增益Kb.加大环路滤波器的带宽加大环路滤波器的带宽a.提高环路增益提高环路增益Kb.加大环路滤波器的带宽加大环路滤波器的带宽c.减小环路的起始频差减小环路的起始频差o 越宽越好越宽越好p 越小越好越小越好pT2. 改善捕获性能要求：改善捕获性能要求：3. 改善环路捕获性能和提高环路跟踪性能是矛盾的。改善环路捕获性能和提高环路跟踪性能是矛盾的。锁相技术第4章 环路捕获性能 解决的办法：解决的办法：1. 牺牲环路的捕获性能，提高环路的跟踪性能。依牺牲环路的捕获性能，提高环路的跟踪性能。依靠辅助捕获电路提

13、高环路的捕获性能。（原则）靠辅助捕获电路提高环路的捕获性能。（原则）2. 辅助捕获分为辅助捕获分为辅助频率捕获辅助频率捕获和和辅助相位捕获辅助相位捕获。相位捕获：一般依靠环路自身实现相位捕获：一般依靠环路自身实现 ，在高要求的，在高要求的数字通信系统中，设置辅助相位捕获装置。数字通信系统中，设置辅助相位捕获装置。辅助频率辅助频率捕获的方法捕获的方法a.变起始频差变起始频差 b.变带宽变带宽c.变增益变增益Ko锁相技术第4章 环路捕获性能 一、人工电调 当环路起始频差较大时，利用手动的办法，给压控振荡器提供一个控制电压，改变压控振荡器的固有振荡器，以便减小起始频差。当起始频差减小到进入快捕带时，

14、可通过环路本身的牵引作用，使环路立即快捕锁定。一种具有人工电调的锁相环路组成方案如下图所示。 当当 很大时，环路进入锁定的时间很长，很大时，环路进入锁定的时间很长，或者可能失锁。或者可能失锁。ooiTVooVCO快捕带锁定锁相技术第4章 环路捕获性能 二、自动扫描 基本原理： 当环路尚未锁定时，在压控振荡器控制端加一个周期性线性扫描电压，使它的频率在足够宽的范围内摆动，等到环路进入频率锁定时，扫描发生器停止工作，然后通过环路本身的控制作用，使环路快捕锁定。)(tud交流检波交流检波直流放大直流放大E扫描发扫描发生器生器锁相技术第4章 环路捕获性能 具有辅助鉴相器和扫描发生器的锁相环方框图具有辅

15、助鉴相器和扫描发生器的锁相环方框图 环路锁定时：环路锁定时：0)(te扫描发生器停止工作扫描发生器停止工作扫描发生器工作扫描发生器工作环路非锁定时：环路非锁定时：大)(te0)(sinte主鉴相器：主鉴相器：1)(coste辅鉴相器：辅鉴相器：大)(sinte主鉴相器：主鉴相器：0)(coste辅鉴相器：辅鉴相器：锁相技术第4章 环路捕获性能 三、辅助鉴频三、辅助鉴频 采用辅助鉴频器加宽环路的捕获范围，缩短捕获时间。采用辅助鉴频器加宽环路的捕获范围，缩短捕获时间。具有模拟鉴频环路的锁相环方框图具有模拟鉴频环路的锁相环方框图 当环路频差较大时：当环路频差较大时：)()(tutucLFd很小，对很

16、小，对VCO的调整小。的调整小。)()(tutucLFd很大，牵引很大，牵引VCO的频率向的频率向 迅速靠近，迅速靠近，缩短捕获时间。缩短捕获时间。i锁相技术第4章 环路捕获性能 当环路频差减小到当环路频差减小到 时：时：L)()(tutucLFd很大，对很大，对VCO的调整起主要作用，的调整起主要作用，使环路锁定。使环路锁定。)()(tutucLFd很小，对很小，对VCO的调整起作用很小，环的调整起作用很小，环路锁定后，鉴频器输出为零，控制作路锁定后，鉴频器输出为零，控制作用消失。用消失。锁相技术第4章 环路捕获性能 具有数字鉴频环路的锁相环方框图具有数字鉴频环路的锁相环方框图 数字频率比较

17、器对数字频率比较器对 和和 两输入的频率进行两输入的频率进行计数、比较，输出频差，经计数、比较，输出频差，经D/A转换后和粗调电压相转换后和粗调电压相加，调整加，调整VCO的频率，起到辅助捕获的目的。的频率，起到辅助捕获的目的。)(tui)(tuo锁相技术第4章 环路捕获性能 四、变带宽四、变带宽原则原则：在捕获过程中增大环路的带宽，以扩大捕获带，在捕获过程中增大环路的带宽，以扩大捕获带，锁定后，减小环路带宽，以保证环路的跟踪性能。锁定后，减小环路带宽，以保证环路的跟踪性能。实现方法一：实现方法一：RC积分滤波器积分滤波器CRCR12失锁时失锁时，“S”接接 环环路带宽变大，实现宽路带宽变大，

18、实现宽带捕获。带捕获。1R锁定时锁定时，“S”接接 环路带宽变小，保证环路跟踪和环路带宽变小，保证环路跟踪和对噪声的过滤性能。对噪声的过滤性能。2R锁相技术第4章 环路捕获性能 方法二：具有非线性环路滤波器的锁相环方框图方法二：具有非线性环路滤波器的锁相环方框图无源比例积无源比例积分滤波器分滤波器失锁时失锁时：差拍电压：差拍电压 使使 和和 交替导通，滤波器交替导通，滤波器串臂等效电阻变小，带宽加大。串臂等效电阻变小，带宽加大。)(tud1D2D锁定时锁定时： 很小，由于很小，由于E的偏置，使得的偏置，使得 和和 截截止，串臂等效电阻近似为止，串臂等效电阻近似为 ,带宽恢复原定值。带宽恢复原定值。 1D)(tud2D1R锁相技术第4章 环路捕获性能 五、变增益五、变增益原则：捕获过程中，提高环路的增益原则：捕获过程中，提高环路的增益K，以增大捕获，以增大捕获带。锁定后，环路的增益减小。带。锁定后，环路的增益减小。具有增益控制的锁相环方框图具有增益控制的锁相环方框图