锁相环及载波同步

1、锁相环及载波同步锁相环及载波同步通信原理第十二讲通信原理第十二讲锁相环及载波同步锁相环及载波同步 锁相环基本原理锁相环基本原理 锁相环锁相环 相位检测器（鉴相器）相位检测器（鉴相器） 环路滤波器环路滤波器 压控振荡器压控振荡器 锁相环的环路方程锁相环的环路方程 简要分析简要分析 锁相环在通信系统中的应用锁相环在通信系统中的应用锁相环基本原理锁相环基本原理 锁相环锁相环PLL由鉴相器、环路（低通滤波器）和由鉴相器、环路（低通滤波器）和压控振荡器三个基本部件组成相位反馈控制系统压控振荡器三个基本部件组成相位反馈控制系统 锁定、跟踪（同步带）、捕捉锁定、跟踪（同步带）、捕捉鉴相器PD环路低通滤波器L

2、F压控振荡器VCOvP(t)vi(t)vD(t)vo(t)锁相环基本原理锁相环基本原理锁定、失锁、跟踪（同步带）、捕捉锁定、失锁、跟踪（同步带）、捕捉)(tvP0ff捕捉带捕捉带同步带同步带鉴相器鉴相器鉴相器PDvi(t)vD(t)vo(t) 鉴相器完成输入信鉴相器完成输入信号与压控振荡器之间号与压控振荡器之间相位差到电压的转换相位差到电压的转换 )()(0ttfviD vo(t)e(t)-vo(t)e(t)-vo(t)-e(t)某些相位检测器的特性某些相位检测器的特性鉴相器鉴相器鉴相器PDvi(t)vD(t)vo(t) )()(0ttfviD vo(t)-e(t) 2)()(2sin)()(

3、sin)(cos)(sin)(cos)(sin00000oimDoiDoiDoioimDoooiiiAAKKtttKttKttttAAKvttAvttAv vi(t)vD(t)vo(t)环路低通滤波器环路低通滤波器 环路滤波器的主要功能：环路滤波器的主要功能： 滤除误差信号中的高频分量滤除误差信号中的高频分量 为锁相环提供一个短时记忆，如果系统由于瞬时为锁相环提供一个短时记忆，如果系统由于瞬时噪声而失锁，可确保锁相环路迅速重新捕获信号。噪声而失锁，可确保锁相环路迅速重新捕获信号。 环路滤波器的设计对环路的各项性能都有重要影响环路滤波器的设计对环路的各项性能都有重要影响 稳态相差、跟踪时间、捕捉

4、带宽、稳定性等。稳态相差、跟踪时间、捕捉带宽、稳定性等。鉴相器PD环路低通滤波器LF压控振荡器VCOvP(t)vi(t)vD(t)vo(t)PLL的主要性能指标，的主要性能指标，主要取决于环路滤波主要取决于环路滤波器的设计器的设计压控振荡器压控振荡器 压控振荡器压控振荡器 )()(0tvgtP 自由振荡频率或自由振荡频率或中心（角）频率中心（角）频率电压控制部分电压控制部分(t)vP(t)()(0tvKtPV dvKtdvKttPVPV )()()()(000锁相环的环路方程锁相环的环路方程 dvKtPV )()(0H(f)LFVCOvP(t)vi(t)vD(t)vo(t) )()(sintt

5、KvoiDD )(ti )()()(thtvtvDP 锁相环的环路方程锁相环的环路方程 dvKtPV )()(0 )()(sinttKvoiDD )()()(thtvtvDP )(*)()(sin)(0thttKKdttdoiDV 线性化，假定相位误差较小线性化，假定相位误差较小)()()()(*)()(0tttthtKKdttdoieeDV 解微分方程解微分方程得到结论得到结论锁相环的环路方程锁相环的环路方程)()()()(*)()(0tttthtKKdttdoieeDV DVPPPioioPoKKKsHKssHKsssTsHssKss )()()()()()()()()( 拉氏变换求解微分

6、方程拉氏变换求解微分方程H(S)1/Si(s)o(s)KP不同的环路滤波器，可以求不同的环路滤波器，可以求出相位不同的传输函数，进出相位不同的传输函数，进行分析，得到稳态相差、稳行分析，得到稳态相差、稳定度等指标定度等指标锁相环的复频域模型锁相环的复频域模型两种锁相环分析示例两种锁相环分析示例)()()()()(sHKssHKsssTPPio )()()()()(ssHKsssssiPoie 1)( sHRCs1 KsKRCsRCCsRCssH 1111)(两种锁相环分析示例两种锁相环分析示例2/)(0/)(0sstttssttii ）（）（只有相差只有相差有频率差有频率差两种锁相环分析示例两

7、种锁相环分析示例1)( sH只有相差只有相差有频率差有频率差)()(sKsssiPe )(lim)(0sKssssiPse 0)( se PeKs )(2/)(0/)(0sstttssttii ）（）（)()()()()(ssHKsssssiPoie 两种锁相环分析示例两种锁相环分析示例只有相差只有相差有频率差有频率差)()()(ssHKsssiPe )()(lim)(0ssHKssssiPse 0)( se 0)( se 2/)(0/)(0sstttssttii ）（）（ KsKsH )(锁相环应用分析例锁相环应用分析例 分析锁相环成为分析锁相环成为FM鉴频器的条件鉴频器的条件H(f)LFV

8、COvP(t)vi(t)vD(t)vo(t) dmKtAtvFMci)(cos)(H(S)1/Si(s)o(s)KP)(1)()()(sMsKsdmKtFMiFMi )()()()()()()(sMKsHKssHKsssTsssVFMPPioP 锁相环应用分析例锁相环应用分析例 分析锁相环成为分析锁相环成为FM鉴频器的条件鉴频器的条件 条件条件1：低通滤波器：低通滤波器LF的带宽大于信号带宽的带宽大于信号带宽 条件条件2：H(S)1/Si(s)o(s)KP)()()()()()()(sMKsHKssHKsssTsssVFMPPioP )()(sMKKsKsVFMPPP 为为信信号号带带宽宽BB

9、KP 2/截止角频率为截止角频率为K Kp的的低通滤波器低通滤波器)()(sMKsVFMP 锁相环在通信系统中的应用锁相环在通信系统中的应用 锁相环在通信系统中有很多应用，包括：高稳定锁相环在通信系统中有很多应用，包括：高稳定FM信号产生、信号产生、FM鉴频、调幅信号的相干解调、倍频、鉴频、调幅信号的相干解调、倍频、频率合成以及数字系统中的比特同步等等频率合成以及数字系统中的比特同步等等 NFM信号的相干解调信号的相干解调LPFVCOLPF- /2NFM信号信号相干解调输出相干解调输出锁相环在通信系统中的应用锁相环在通信系统中的应用 用于频率合成器的锁相环用于频率合成器的锁相环LPFVCO振荡

10、器振荡器f=fx分频输出分频输出fout分频器分频器 N分频器分频器 MxoutfMNf 载波同步载波同步 载波同步载波同步 插入导频法插入导频法 直接提载法直接提载法 载波同步系统性能载波同步系统性能 载波相位误差对解调系统的影响载波相位误差对解调系统的影响载波同步载波同步 载波同步是指在相干解调时，接收端需要载波同步是指在相干解调时，接收端需要提供一个与接收信号中的调制载波同频同相提供一个与接收信号中的调制载波同频同相的相干载波。这个载波的获取称为载波提取的相干载波。这个载波的获取称为载波提取或载波同步，载波同步是实现相干解调的先或载波同步，载波同步是实现相干解调的先决条件。决条件。已调信

11、号已调信号插入插入载波载波/ /导频导频 载波恢复载波恢复相干解调相干解调信道信道载波同步载波同步 已调信号含已调信号含有同步信息有同步信息 载波恢复载波恢复相干解调相干解调信道信道 由发送端发送专门的同步信息（常被称为导由发送端发送专门的同步信息（常被称为导频），接收端把这个导频提取出来作为同步信号频），接收端把这个导频提取出来作为同步信号的方法，称为的方法，称为外同步法外同步法。发送端不发送专门的同。发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到的信号中提取同步信步信息，接收端设法从收到的信号中提取同步信息的方法，称为息的方法，称为自同步法自同步法。 已调信号不已调信号不含同步信息含同步信息

12、插入插入载波载波/ /导频导频 载波恢复载波恢复相干解调相干解调信道信道AMAMSSB载波同步载波同步 已调信号已调信号插入插入载波载波/ /导频导频 载波恢复载波恢复相干解调相干解调信道信道 同步本身虽然不包含所要传送的信息，但只有同步本身虽然不包含所要传送的信息，但只有收发设备之间建立了同步后才能开始传送信息，收发设备之间建立了同步后才能开始传送信息，所以同步是进行信息传输的必要和前提。同步性所以同步是进行信息传输的必要和前提。同步性能的好坏又将直接影响着通信系统的性能。如果能的好坏又将直接影响着通信系统的性能。如果出现同步误差或失去同步就会导致通信系统性能出现同步误差或失去同步就会导致通

13、信系统性能下降或通信中断。因此，下降或通信中断。因此，同步系统应具有比信息同步系统应具有比信息传输系统更高的可靠性和更好的质量指标传输系统更高的可靠性和更好的质量指标，如同，如同步误差小、相位抖动小以及同步建立时间短，保步误差小、相位抖动小以及同步建立时间短，保持时间长等。持时间长等。 载波同步载波同步-插入导频法插入导频法 抑制载波的双边带信号（如抑制载波的双边带信号（如DSB、等概的、等概的2PSK）本身不含有载波，本身不含有载波， 残留边带（残留边带（VSB）信号虽含有载）信号虽含有载波分量，但很难从已调信号的频谱中把它分离出来。波分量，但很难从已调信号的频谱中把它分离出来。对这些信号的

14、载波提取，对这些信号的载波提取， 可以用插入导频法（外同可以用插入导频法（外同步法）。尤其是单边带（步法）。尤其是单边带（SSB）信号，）信号， 它既没有载波它既没有载波分量又不能用直接法提取载波，只能用插入导频法分量又不能用直接法提取载波，只能用插入导频法 所谓所谓插入导频插入导频，就是在，就是在已调信号频谱中额外插入一已调信号频谱中额外插入一（多）个低功率的线谱（多）个低功率的线谱，以便接收端作为载波同步信，以便接收端作为载波同步信号加以恢复，此线谱对应的正弦波称为导频信号号加以恢复，此线谱对应的正弦波称为导频信号插入的导频：插入的导频：位置、强度、位置、强度、与传输信号关系？与传输信号关

15、系？导频插入导频插入在任意位置在任意位置（一般在（一般在通带内）通带内）载波同步载波同步-插入导频法插入导频法 导频与信号导频与信号同时（频带）传输同时（频带）传输互不干扰互不干扰导频线谱的强度导频线谱的强度远大于信号谱，远大于信号谱，以便于接收端滤波以便于接收端滤波或锁相跟踪或锁相跟踪导频插在信号谱导频插在信号谱的零点或与信号的零点或与信号正交传输，以保正交传输，以保证不干扰信号证不干扰信号在信号频在信号频带外，单带外，单独传输？独传输？DSB DSB 插入导频的方案之一插入导频的方案之一发送端：发送端： 相乘调制taCC cos2/ 带通滤波相加m(t)输出s(t)0fCfC+fmfC-f

16、mfDSB信号的导频插入tattmatscccc sincos)()( 已调信号已调信号插入导频插入导频DSB DSB 插入导频的方案之一插入导频的方案之一接收端：接收端： tatatmattattmattsttrtvcccccccccccc 2sin22cos2)(2sincoscos)(cos)(cos)()(2 相乘器带通滤波r(t)fc窄带滤波/PLL低通滤波m(t)v(t)2/ 相干载波恢相干载波恢复复DSB DSB 插入导频的方案讨论插入导频的方案讨论讨论：讨论： 能否在插入同相导频能否在插入同相导频 能否在带外插入导频能否在带外插入导频 SSB怎么插入导频怎么插入导频 0fCfC

17、+fmfC-fmfDSB信号的导频插入0fCfC+fmfC-fmfDSB信号的导频插入相干解调后相干解调后有直流分量有直流分量VSB VSB 插入导频的方案之一插入导频的方案之一发送端：发送端： 2211f f ffff ffrCmC VSB VSB 插入导频的方案之一插入导频的方案之一接收端：接收端： 2211f f ffff ffrCmC f f1 1窄窄带带滤滤波波/ /P PL LL Lf f2 2窄窄带带滤滤波波/ /P PL LL L接收信号f2-f1低通q次分频f fc c窄窄带带/ /P PL LL L载波输出移移相相目标：利用目标：利用f1、f2的和、差、的和、差、倍关系得到

18、倍关系得到fc1 12 23 34 4VSB VSB 插入导频的方案之一插入导频的方案之一接收端：接收端： f1、f2相乘滤波取差频相乘滤波取差频 q次分频次分频)2cos()2cos(2211 tftf 122121212)1)(2cos21)(2cos21 tfffffftffffrmrmr2211f f ffff ffrCmC 211ffffqrm 1 12 2 qrtffa )(2cos2qVSB VSB 插入导频的方案之一插入导频的方案之一接收端：接收端： 与与f2相乘滤波取差频相乘滤波取差频 移相电路调整相位得到相干载波移相电路调整相位得到相干载波 ）（ tfatfffffCqrr

19、C2cos2)(2cos212222211f f ffff ffrCmC 3 34 4tfaC 2cos2VSB VSB 插入导频的方案讨论插入导频的方案讨论2211f f ffff ffrCmC f f1 1窄窄带带滤滤波波/ /P PL LL Lf f2 2窄窄带带滤滤波波/ /P PL LL L接收信号f2-f1低通q次分频f fc c窄窄带带/ /P PL LL L载波输出移移相相1 12 23 34 4f2-f1fr-f2fC 通过调整通过调整f2、f1可得到整数倍的可得到整数倍的q增大增大f2或或f1有利有利于减少信号频谱对于减少信号频谱对导频的干扰，但所导频的干扰，但所需频带加需

20、频带加宽。宽。211ffffqrm 直接提取载波直接提取载波 信号中含有载波分量，利用信号中含有载波分量，利用PLL或滤波器可或滤波器可直接提取载波。直接提取载波。 信号经过非线性变换后含有信号经过非线性变换后含有“载波分量载波分量” 平方环提取载波平方环提取载波 输入已调信号平方律部件鉴相器环路滤波器VCO二分频载波输出锁相环平方环提取载波利用平方变换提取利用平方变换提取DSB DSB 载波载波 DSB信号：信号： 经过平方律器件：经过平方律器件： 二分频后产生二分频后产生180 相位模糊问题相位模糊问题对模拟解调，相位模糊造成解调信号反向，影响不大对模拟解调，相位模糊造成解调信号反向，影响

21、不大对数字信号解调，相位模糊影响较大，需要采取一定的措施对数字信号解调，相位模糊影响较大，需要采取一定的措施ttmtsc cos)()( ttmtmttmtscc 2cos2)(2)(cos)()(22222 二倍频分量二倍频分量利用同相正交变换提取利用同相正交变换提取DSB DSB 载波载波 利用锁相环提取载波分量的另一种方法称为同相正交利用锁相环提取载波分量的另一种方法称为同相正交变换法。即压控振荡器输出分两路：同相信号，正交变换法。即压控振荡器输出分两路：同相信号，正交信号。通常称为同相正交或信号。通常称为同相正交或科斯塔斯（科斯塔斯（Costas）环）环法法低通压控振荡器低通环路滤波器

22、/2输出输入已调信号v3v5v1v2v4v6v7利用同相正交变换提取利用同相正交变换提取DSB DSB 载波载波 输入信号：输入信号： VCO输出：输出：低通压控振荡器低通环路滤波器/2输出输入已调信号v3v5v1v2v4v6v7ttmtsc cos)()( )cos(1 tvc)cos(cos)()()sin(cos)()()sin(14232 tttmtsvvtttmtsvvtvccccc cos2)(sin2)(65tmvtmv )(412sin8)(22657tmtmvvv 很小时很小时 7v反馈调整反馈调整最终最终 变换法提取载波变换法提取载波 信号中不含有载波分量，可以将信号经过非

23、线性变换信号中不含有载波分量，可以将信号经过非线性变换后提取载波分量。后提取载波分量。 Costas环与平方环都是利用锁相环（环与平方环都是利用锁相环（PLL）提取载波）提取载波的常用方法。的常用方法。Costas环与平方环相比，虽然在电路上环与平方环相比，虽然在电路上要复杂一些，要复杂一些， 但它的工作频率即为载波频率，而平但它的工作频率即为载波频率，而平方环的工作频率是载波频率的两倍，显然当载波频率方环的工作频率是载波频率的两倍，显然当载波频率很高时，工作频率较低的很高时，工作频率较低的Costas环易于实现；其环易于实现；其次，当环路正常锁定后，次，当环路正常锁定后，Costas环可直接

24、获得解调输环可直接获得解调输出，而平方环则没有这种功能。出，而平方环则没有这种功能。 数字通信中常使用多相移相信号，可以采用类似的办数字通信中常使用多相移相信号，可以采用类似的办法，如采用法，如采用4 4次方器件，或四相次方器件，或四相Costas环环提取载波。提取载波。变换法提取载波变换法提取载波低通 / 4低通 / 2低通3 / 4低通VCO四相移相信号环路滤波器vd载波同步系统的性能载波同步系统的性能 载波同步系统的性能指标主要有效率、精度、同步建载波同步系统的性能指标主要有效率、精度、同步建立时间和同步保持时间。立时间和同步保持时间。 效率效率：指为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率。

25、：指为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率。在这方面，直接法由于不需要专门发送导频，因而效在这方面，直接法由于不需要专门发送导频，因而效率高，而插入导频法由于插入导频要消耗一部分发送率高，而插入导频法由于插入导频要消耗一部分发送功率，因而效率要低一些。功率，因而效率要低一些。 精度精度：指接收端提取的载波与需要的载波比较，应该：指接收端提取的载波与需要的载波比较，应该有尽量小的相位误差。误差包括稳态相位误差与随机有尽量小的相位误差。误差包括稳态相位误差与随机相位误差（噪声引起）相位误差（噪声引起） 时效时效：同步建立时间快、同步保持时间长：同步建立时间快、同步保持时间长稳态相差与随机相差稳态相差

26、与随机相差* 使用带通滤波器与锁相环都能求出稳态相差，可以通使用带通滤波器与锁相环都能求出稳态相差，可以通过改进电路、加相位补偿等方法消除稳态相差。过改进电路、加相位补偿等方法消除稳态相差。 随机相差是噪声干扰引起的，可以采用正弦波加高斯随机相差是噪声干扰引起的，可以采用正弦波加高斯噪声的分析方法进行分析，得出受噪声影响载波相位噪声的分析方法进行分析，得出受噪声影响载波相位的变化。但噪声干扰引起的随机相差无法避免，对解的变化。但噪声干扰引起的随机相差无法避免，对解调器造成影响，使系统的信噪比恶化或误码率升高。调器造成影响，使系统的信噪比恶化或误码率升高。2)cos(1)(sin2exp)2(2)cos(2)2exp()/(2/12222/122 AerfA