通信电路原理第12章mhy21

1、12 反馈控制是各种通信系统和电子设备中的重要技术手反馈控制是各种通信系统和电子设备中的重要技术手段，应用非常广泛。段，应用非常广泛。 反馈控制系统可看作自动调节系统，通过调节使系统反馈控制系统可看作自动调节系统，通过调节使系统在不同工作条件下实现规定的技术性能指标，或者满在不同工作条件下实现规定的技术性能指标，或者满足某些特定的要求。例如系统输出信号电平不变，或足某些特定的要求。例如系统输出信号电平不变，或频率达到一定要求等。频率达到一定要求等。 根据需要比较和调节的参量不同，反馈控制电路主要根据需要比较和调节的参量不同，反馈控制电路主要分为三类：分为三类：l 自动增益控制（自动增益控制（A

2、GC）l 自动频率控制（自动频率控制（AFC）l 锁相环路锁相环路(PLL) 3 比较部件比较部件信号处理信号处理部件部件控制部件控制部件被控部件被控部件检测部件检测部件基准量基准量误差信号误差信号输出量输出量 以上框图可以作为前述三种反馈控制电路的典以上框图可以作为前述三种反馈控制电路的典型形式，可逐一加以对比，得到各个部件在三种反型形式，可逐一加以对比，得到各个部件在三种反馈控制电路中相对应的电路。馈控制电路中相对应的电路。（参考信号）（参考信号）反馈控制电路的一般形式反馈控制电路的一般形式比较器比较器可控设备可控设备反馈环节反馈环节r(t)e(t)y(t)452.对对AGC电路的具体要求

3、电路的具体要求(1)要求在接收弱信号时保证有一定的信噪比；在接收强信号要求在接收弱信号时保证有一定的信噪比；在接收强信号时接收机的前端电路又不致产生较大非线性失真。即时接收机的前端电路又不致产生较大非线性失真。即使得整使得整个系统的噪声系数与非线性失真都尽量小个系统的噪声系数与非线性失真都尽量小。(2)要求不论接收强弱信号，通过接收机前端电路要求不论接收强弱信号，通过接收机前端电路(射频和中频射频和中频)后，到达解调器输入端或后，到达解调器输入端或A/D变换器输入端的变换器输入端的电平恒定（或电平恒定（或变化很小），变化很小），确保解调器和确保解调器和A/D变换器的最佳工作。变换器的最佳工作。

4、(3)增益控制动态范围大；增益控制动态范围大； 如：电视如：电视AGC：2060dB。(4)响应时间响应时间 注：当信号由小逐渐变大时，降低系统增益的次序应从后向注：当信号由小逐渐变大时，降低系统增益的次序应从后向前推进。前推进。67二、自动增益控制（二、自动增益控制（AGC）电路）电路 AGC框图框图可控增益放大器的增益由控制电压决定，而控制电压由输出电可控增益放大器的增益由控制电压决定，而控制电压由输出电平和基准电平比较产生，平和基准电平比较产生，AGC通过通过非线性闭合环路实现。非线性闭合环路实现。带宽很窄，带宽很窄，直流通过直流通过8延迟延迟AGC控制控制 当输入信号小于门限电平当输入

5、信号小于门限电平V1时，时，系统无控制作用系统无控制作用 输出电压随输入电压线性放大输出电压随输入电压线性放大 当输入信号超过门限电平当输入信号超过门限电平V1时，时，AGC电路起控制作用电路起控制作用 输出电压随输入电压的增强，输出电压随输入电压的增强，仅有极小的变化仅有极小的变化 放大器输出电平几乎是固定放大器输出电平几乎是固定的的 当输入信号很大，超过当输入信号很大，超过AGC控控制电路工作范围，制电路工作范围，AGC控制作控制作用消失用消失9三、三、AGC电路实现电路实现n 可采用多种不同形式的可控增益放大器电路可采用多种不同形式的可控增益放大器电路 采用变跨导晶体管构成的可控增益放大

6、器电路采用变跨导晶体管构成的可控增益放大器电路 这种放大器，当控制电压使其静态工作点改变时，这种放大器，当控制电压使其静态工作点改变时，放大器的增益也随之改变，达到增益可控的目的放大器的增益也随之改变，达到增益可控的目的 例如例如:简单简单AGC电路（调幅收音机中）电路（调幅收音机中） 改变放大器的负反馈，实现对放大器增益的控制改变放大器的负反馈，实现对放大器增益的控制 -用于集成电路中用于集成电路中 例如：例如：差分放大器增益控制电路（电视机芯片）差分放大器增益控制电路（电视机芯片）p改变放大器的交流负载，实现对放大器增益的控制改变放大器的交流负载，实现对放大器增益的控制 n这种适用于较高工

7、作频率的增益控制电路。这种适用于较高工作频率的增益控制电路。 例如：电压控制衰减器增益控制电路（微波电路）例如：电压控制衰减器增益控制电路（微波电路）1011AGC电路举例电路举例1R2R3RAGC电压电压至下级至下级中放中放至低放至低放4R5R6R1C2C3C4C5C6CDccV电平检测电平检测低通滤波低通滤波直流电压负反馈，反馈大小可变直流电压负反馈，反馈大小可变12使振荡器频率自动锁定到预定的频率上。还可使振荡器频率自动锁定到预定的频率上。还可用于频率同步用于频率同步一、一、 AFC原理框图原理框图(图图12-12 p368)1314锁相电路在锁相电路在通信系统中的基本应用通信系统中的基

8、本应用： 锁相解调、载波提取、位同步、频率合成锁相解调、载波提取、位同步、频率合成 等等15PLL组成方框图及基本工作原理组成方框图及基本工作原理 （1）三个基本部件组成：）三个基本部件组成：鉴相器，环路滤波器和压控振荡鉴相器，环路滤波器和压控振荡器器 （2）基本工作原理：）基本工作原理： 鉴相器比较压控振荡器输出信号鉴相器比较压控振荡器输出信号 与输入信号与输入信号 的相位，的相位，并输出近似正比于相位差的误差电压并输出近似正比于相位差的误差电压 经环路滤波器滤波（也可能包括放大），滤除高频分量后，经环路滤波器滤波（也可能包括放大），滤除高频分量后，成为压控振荡器的控制电压成为压控振荡器的控

9、制电压 在在 的作用下，的作用下，VCO输出信号的频率将不断变化（向输入输出信号的频率将不断变化（向输入信号频率靠拢）并将相位反馈到鉴相器。直至环路进入锁定信号频率靠拢）并将相位反馈到鉴相器。直至环路进入锁定)(tvd)(tvi)(tvo)(tvd)(tvP)(tvP16ivdvcvov两个输入两个输入信号信号1( )sin()iimiv tVt锁相环的输入信号锁相环的输入信号2cos)(tVtvromoVCO的输出信号的输出信号受控前受控前受控后受控后2cos)(tVtvoomo闭环时，闭环时，VCO 受到控制电压受到控制电压 控制后的角频率控制后的角频率cvorVCO 的的自由振荡角频率自

10、由振荡角频率二、锁相环的二、锁相环的数学模型数学模型17定义几个定义几个与频率和相位有关与频率和相位有关的量的量 ：)(sin)(sinttVttVvirimririmi)(cos)(costtVttVvoromroromottrii)()(输入相位输入相位dtdirii)(输入固有角频差输入固有角频差ttroo)()(输出相位输出相位dtdoroo)(控制角频差控制角频差ttoioie)()(dtdeoie)(误差相位误差相位瞬时角频差瞬时角频差化简，化简，均以均以 为参考为参考（设初始相位（设初始相位 为零）为零）r12、18鉴相器的功能：产生一个鉴相器的功能：产生一个输出电压输出电压，此

11、电压的平均分量，此电压的平均分量 正比于两输入信号的相位差正比于两输入信号的相位差dv理想鉴相器理想鉴相器传输特性传输特性)()(tAtvedd 为为鉴相灵敏度鉴相灵敏度，单位是，单位是V/radV/raddAdvedA常用常用模拟乘法器模拟乘法器做鉴相器，其传输特性：做鉴相器，其传输特性：( )sin( )ddev tUtdU 为正弦鉴相器为正弦鉴相器最大输出电压最大输出电压，单位是，单位是伏伏 dU19非线性模型非线性模型线性模型线性模型若若sin( )iimrivVttcos( )oomrovVtt( )sin( )ddev tUt( )( )ddev tUt6e20 锁相环路中的滤波器

12、是线性低通滤波器，它主要有两个锁相环路中的滤波器是线性低通滤波器，它主要有两个功能：功能： 第一，滤除误差信号中的高频分量；第一，滤除误差信号中的高频分量； 第二，为锁相环路提供一个短期的记忆，如果系统由于第二，为锁相环路提供一个短期的记忆，如果系统由于瞬时干扰而失锁，可确保锁相环路迅速重新捕获信号瞬时干扰而失锁，可确保锁相环路迅速重新捕获信号 环路滤波器由线性元件电阻、电容和运算放大器组成。环路滤波器由线性元件电阻、电容和运算放大器组成。环路滤波器采用的电路结构不同时，传递函数的阶数不环路滤波器采用的电路结构不同时，传递函数的阶数不同。锁相环路中，通常采用三种滤波器电路同。锁相环路中，通常采

13、用三种滤波器电路21ssCRsCsVsVsAdCF1111)()()(时间常数时间常数RC0)(FA01)(FA当当 时，时， ；当当 时，时， 低通特性低通特性简单简单RC积分滤波器积分滤波器22)(1111)()()(212212sssCRRsCRsVsVsAdCF时间常数时间常数 ， CR11CR22一般一般12212( )FA 01)(FA当当 时，时， ；当当 时，时， 低通特性低通特性与与简单简单RC滤波器滤波器不同，不同，趋于比例常数趋于比例常数 而不是而不是 0 0无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器 分子引入一个零点分子引入一个零点23有源比例积分滤波器有源比例积分滤波器12

14、1211)()()(ssRsCRsVsVsAdCF时间常数时间常数 和和 CR11CR2221( )FA 0( )FA 当当 时，时， ；当当 时，时， 特点：理想积分滤波器，分子引入一个零点特点：理想积分滤波器，分子引入一个零点低通特性低通特性与与无源无源滤波器滤波器不同不同直流增益很大直流增益很大与与无源比例积分无源比例积分滤波器相同滤波器相同，高频增益趋于常数，高频增益趋于常数24 在在PLL中，中，压控振荡器是在外加控制电压压控振荡器是在外加控制电压 的作用下，输出信号频率按一定规律变化的作用下，输出信号频率按一定规律变化的振荡电路。工作原理与电路和前面所讲的振荡电路。工作原理与电路和

15、前面所讲的调频电路基本相同。的调频电路基本相同。25压控振荡器（压控振荡器（VCO） VCO( )cv t( )ov tVCO 数学模型数学模型注意：注意：VCO电压输入鉴相器，起作用的是其相位电压输入鉴相器，起作用的是其相位dvAtdtcorto00)()()()()(0tvPAdvAtcotcoo求求VCO受控相位：受控相位：频率受控特性频率受控特性理想的应为线性理想的应为线性：)()(tvAtcoro压控灵敏度，其单位是（弧度压控灵敏度，其单位是（弧度/ /秒）秒）/ /伏伏 oArcv 控制电压控制电压 0 时的自由振荡角频率时的自由振荡角频率VCO输出输出VCO输入输入理想积分器理想

16、积分器AO/P用微分算子用微分算子PoVCO在锁相环中起了一次积分作用，也称为环路中的在锁相环中起了一次积分作用，也称为环路中的固有积分环节。固有积分环节。264、锁相环、锁相环完整的完整的数学模型数学模型 环路的环路的基本方程基本方程0( ) sin( )teioidoFeU A APd 用用相位相位表示表示:用用频率频率表示表示:( )sineioidoFeddddU A APdtdtdtdt用微分算子用微分算子 :dpdt( )( )( )sin( )eidoFeptptU A Aptsin( )dU27 锁相环路具有两种工作状态：捕获与跟踪。锁相环路具有两种工作状态：捕获与跟踪。(1)

17、捕获状态捕获状态环路由失锁进入锁定的过程环路由失锁进入锁定的过程 开始工作时，环路是失锁的。压控振荡器的频率开始工作时，环路是失锁的。压控振荡器的频率将向着接近输入信号频率的方向变化，这就是捕将向着接近输入信号频率的方向变化，这就是捕获状态。（捕捉带内）获状态。（捕捉带内）(2)跟踪状态跟踪状态环路锁定后环路锁定后VCO跟踪输入信号频率与相跟踪输入信号频率与相位的漂移或调制变化的过程。（同步带内）位的漂移或调制变化的过程。（同步带内）28 锁相环的锁相环的跟踪特性跟踪特性锁相环的锁相环的锁定、失锁锁定、失锁两个动态过程两个动态过程捕捉捕捉：从失锁：从失锁 锁定锁定跟踪跟踪：锁定：锁定输入信号频

18、率变化输入信号频率变化又锁定又锁定12.4.2.1 静态特性静态特性（1 1）锁定时锁定时瞬时频差为零瞬时频差为零进入鉴相器的进入鉴相器的两个信号频率相等两个信号频率相等 29（2）稳态相位误差）稳态相位误差e为什么会有为什么会有稳态相位误差？稳态相位误差？esinddevAcvLF控制控制VCO的频率，使的频率，使 ，环路锁定，环路锁定oi锁定时锁定时 两信号两信号频差频差 为零为零 相位误差相位误差 ? ? 0 0ee( )( )eedttdt 一定是一定是常数常数称为称为稳态相位误差稳态相位误差 ( )et30无源无源滤波器滤波器(0)1FAeo90 有源理想有源理想积分滤波器积分滤波器

19、(0)FA 0e稳态相位误差稳态相位误差多大多大？(0)cFdvAvsinddevALFVCO直直 流流(0)sinooFdeA AA锁定锁定io110sinsin(0)iiedoFA A AA(0)sinoFdeiA AA = = 环路环路直流增益直流增益 0A(0)doFA A A环路增益环路增益，0Aie 越大，或越大，或 越小，则越小，则 越小越小 doAA A3112.4.2.2 线性线性跟踪特性跟踪特性 跟踪跟踪锁定时锁定时，若输入信号，若输入信号频率或相位发生变化频率或相位发生变化， 环路通过自身调节，来环路通过自身调节，来维持锁定状态的过程维持锁定状态的过程称为跟踪称为跟踪 跟

20、踪跟踪线性跟踪线性跟踪 变化引起的变化引起的 很小很小 环路线性化环路线性化非非线性跟踪线性跟踪同步同步e 线性系统线性系统( )iV s( )oV s( )( )( )oiV sH sV s系统系统传递函数传递函数32开环传递函数开环传递函数闭环传递函数闭环传递函数误差传递函数误差传递函数线性环路线性环路的的传递函数传递函数分析分析线性跟踪线性跟踪的依据：的依据：线性化线性化锁相环模型：锁相环模型：dA( )FA s/oA so331. 开环传递函数开环传递函数( )oHsdA( )FA s/oAs( )eodoFA A Ass( )( )( )( )odoFoesA A AsHsss开环传

21、递函数开环传递函数3. 误差传递函数误差传递函数( )eHs1( )1( )( )eeeioeodoFsHsHssA A As2. 闭环传递函数闭环传递函数 H s ( )( )1( )( )ooodoFioeodoFHsA A AsH sHssA A As34环路环路阻尼系数阻尼系数（无量纲）（无量纲）环路环路无阻尼振荡频率无阻尼振荡频率（rad/s)nn引入引入 和和 来描述锁相环的传递函数来描述锁相环的传递函数不同环路滤波器对应的不同环路滤波器对应的 表达式表达式,n02AAdn12n102AAdn1202AAdn2012dnA AssAF11)(RC121)(sssAFCR11CR22

22、2121( )1()FsAss11RC22R C，021212dnA A，简单简单RC滤波器滤波器理想积分滤波器理想积分滤波器无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器35传递函数传递函数与与环路滤波器环路滤波器关系关系)(0sH)(sH)(sHessAF11)(RCssnn2222222nnnss22222nnnssssCRCRsssAF2211212)(11)(02202AAssAAsdnndnn222022nnndnnssAAs22022nndnssAAss121)(sssAFCR11CR22222ssnn22222nnnnsss2222nnsssn无阻尼振荡频率无阻尼振荡频率（rad/s)，

23、 阻尼系数阻尼系数（无量纲）（无量纲）36锁相环输入信号的锁相环输入信号的相位（频率）变化情况相位（频率）变化情况：一、相位突变一、相位突变PSK调制信号调制信号频率突变频率突变FSK调制信号调制信号二、频率（相位）二、频率（相位）正弦变化正弦变化模拟调频模拟调频FM（调相（调相PM）锁相环路对其响应锁相环路对其响应瞬态响应瞬态响应锁相环路对其响应锁相环路对其响应正弦稳态响应正弦稳态响应跟踪分析什么？跟踪分析什么？371、瞬态响应、瞬态响应相位误差历经：相位误差历经：从从稳态稳态 时变时变 锁定锁定后达到后达到新的稳态相位误差新的稳态相位误差 e主要研究环路瞬变过程中的三个物理量主要研究环路瞬

24、变过程中的三个物理量: : 1 1）相位误差的）相位误差的最大瞬时跳变值最大瞬时跳变值2 2）锁定后）锁定后稳态相位误差稳态相位误差的大小的大小3 3）趋于）趋于稳定的时间稳定的时间跟踪跟踪 输入信号输入信号 的过程的过程频率突变频率突变（如如FSK）相位突变相位突变（如（如PSK）38分析瞬态响应的分析瞬态响应的方法方法拉普拉斯拉普拉斯变变 换换拉普拉斯拉普拉斯逆逆 变变 换换 线性环路线性环路( )it( )et)(se)(si)(sHe传递传递函数函数)(si( )it=L )(te)()()(11sHsLsLeie= = 稳态相位误差稳态相位误差 = e)(0lim)(limsesst

25、et寻求相位误差的寻求相位误差的最大跳变值最大跳变值和和趋于稳定的时间趋于稳定的时间39分析输入信号分析输入信号频率频率阶跃阶跃（如（如FSK）环路的跟踪过程）环路的跟踪过程 初始状态：环路锁定、初始状态：环路锁定、 、 0eoiti 当当t = 0 时时 ， ( )iit解：解： 求求 输入输入信号信号相位相位的变化及对应的拉氏变换的变化及对应的拉氏变换 tdtti0)( )itt 用用误差传递函数误差传递函数求求误差相位误差相位202)()()()()(ssAAAssssHssHsFdeiee 误差相位误差相位 随时间的变化随时间的变化瞬态过程瞬态过程误差相位的误差相位的最终值最终值有否锁

26、定有否锁定？是否跟踪上是否跟踪上？( )ete求：求：2)(ssi 求求误差相位误差相位随时间的变化随时间的变化)(te40以以有源理想比例积分滤波器有源理想比例积分滤波器为例，瞬态相位误差：为例，瞬态相位误差：2sin1( )21nnntttee观察归一化曲线观察归一化曲线ttnne/)(a. a. 频率跳变频率跳变脱离锁定脱离锁定新的锁定新的锁定频率重新相等频率重新相等 需要一定的响应时间需要一定的响应时间 nSt4采用理想积分滤波器瞬态相位误差采用理想积分滤波器瞬态相位误差由跳变起始到与稳态值相差由跳变起始到与稳态值相差2%时的响应时间时的响应时间为频率跳变量为频率跳变量41b. 最大的

27、瞬态相位误差最大的瞬态相位误差 过冲量过冲量 ep过冲量过冲量大大，环路趋于，环路趋于不稳定不稳定阻尼系数阻尼系数 小小 过冲量大过冲量大衡量衡量瞬态响应的瞬态响应的三个参数三个参数：相对过冲量相对过冲量仅取决于阻尼系数仅取决于阻尼系数响应时间响应时间稳态相位误差稳态相位误差 ( (RC 滤波器）滤波器）nSt4n2（对理想积分滤波器趋于零）（对理想积分滤波器趋于零）通常取0.70742 2、正弦稳态响应正弦稳态响应初始状态：初始状态：环路锁定于环路锁定于r设：输入信号为设：输入信号为调频波调频波)sin(sin)(111ttVtvmrimi最大频偏、最大频偏、mr载频、载频、1调制信号频率调

28、制信号频率)sin()sin()(11111tttimmi输入相位输入相位：( )iv t( )ov t输出信号：输出信号：)(cos()(ttVtvoromo输入信号：输入信号：( )cos( )iimriv tVtt问：输入信号的问：输入信号的相位相位(或频率或频率)做做正弦变化正弦变化时时,环路的跟踪过程环路的跟踪过程？即即 ？)(to43)sin()sin()(11111tttimmi)sin()(21ttomo正弦正弦频率频率为为1)()()(jjHjio)(1jHimom)(112jH)( jH闭环传递函数闭环传递函数 的含义：的含义： 表征了锁相环路对表征了锁相环路对角频率角频率

29、 为不同值为不同值的输入相位的输入相位 的的通过能力通过能力 1)(ti1)( jH在在 通带通带om内内， 0 外外， 0mo线性环路线性环路 H(s)(ti)(to44)(cos()(ttVtvoromoVCO输出信号输出信号：)(ti1的变化的变化频率频率 在在 通带通带)( jH内内， 为为调频波调频波( )ov t( )ov t外外， 为为单频载波单频载波 结论：结论：控制控制锁相环闭环锁相环闭环传递函数的带宽传递函数的带宽，就能决定输出信号，就能决定输出信号 是否跟踪上是否跟踪上输入信号的角度调制变化输入信号的角度调制变化锁相环锁相环( )iv t( )ov t调频波调频波？)si

30、n()(21ttomo45以以理想积分滤波器理想积分滤波器为环路滤波器的锁相环为环路滤波器的锁相环为例为例 121ssSAF22222)(nnnnsssSHsj 代入，得代入，得幅频特性：幅频特性：22222)/2()/1 ()2(1)(nnnH21令令 = = ，将下降将下降3dB3dB所对应的频率记为所对应的频率记为 ，得得： Hc212221) 12(12nc与与 、 有关有关 由由 决定决定n当当 确定时，确定时，与与 成正比成正比ndoAA12、 、 、 、带宽带宽46nc 05 0707 1 182 2058 2483dB 带宽与阻尼系数带宽与阻尼系数 的关系的关系推论：推论：可以

31、用可以用 来说明环路来说明环路3dB带宽的大小带宽的大小 n4712.4.3 12.4.3 捕捉性能捕捉性能捕捉：捕捉：ir失锁失锁 自身的反馈控制自身的反馈控制作用作用 锁定锁定oi分析依据：环路分析依据：环路非线性非线性微分方程微分方程本节内容：本节内容：定性定性的分析二阶环的的分析二阶环的捕捉过程捕捉过程、捕捉带捕捉带、 捕捉时间捕捉时间及影响捕捉性能的及影响捕捉性能的环路参数环路参数 48定性分析：定性分析：当当输入固有频差输入固有频差 为为不同值不同值时的捕捉情况时的捕捉情况 rii分析捕捉过程时，假设输入信号频率分析捕捉过程时，假设输入信号频率 不变不变i（1） 很大很大 i正弦鉴

32、相器输出：正弦鉴相器输出：( )sinddiv tUt很大，很大， 频率很高频率很高)(tvd若环路滤波器是若环路滤波器是RC低通低通滤除滤除 ，idv（2） 较小较小 i正弦鉴相器输出：正弦鉴相器输出：( )sinddiv tUt)(tvc0 ，不能捕捉不能捕捉( )FA iii)(tvd小，小， 频率低，频率低，在在环路滤波器环路滤波器通带内通带内( )FA i49较小较小时的捕捉时的捕捉特征：特征：iVCO的的频率变化频率变化：( )( )( )( )sincFdFdiv tAp v tAs Ut正弦波正弦波幅度幅度 大大()FidAU( )()sinorocrodFiitA vAU A

33、t在在 以正弦方式以正弦方式摆动的一周内摆动的一周内，一旦等于，一旦等于 ，环路即锁定环路即锁定 )(toi摆幅大摆幅大)(tvd)(tvco锁定锁定捕捉过程：捕捉过程：LFVCO 控制电压在正弦变化控制电压在正弦变化一周内就捕获一周内就捕获的现象称为的现象称为快捕快捕 定义：定义： 能实现快捕的能实现快捕的最大输入固有频差最大输入固有频差称为称为快捕带快捕带 L50( )()sinorocrodFiitA vAU At捕捉过程捕捉过程:sinddivUt()sincdFiivU AtLF并没有完全被衰减并没有完全被衰减结果如何结果如何?在在 上下摆动上下摆动，而，而 又是又是恒定恒定的的 (

34、 )otri( )ot正弦变化，正弦变化，不能快捕不能快捕:dviL因为因为 , 频率较高频率较高 LF VCO roo()odFiiAU A ( )ot的的摆幅摆幅必定必定:较小较小（3 3） 间于上述两者之间间于上述两者之间i51ri0t( )()sinorodFiitAU AtVCO的频率变化的频率变化正弦正弦出现出现现象现象:VCO与输入信号的与输入信号的频差也将随时间摆动频差也将随时间摆动t=0时，时，频差频差为为iirt=t1 时，时，频差频差为为eiot=t2e结果：结果： 、 是是不对称的正弦波不对称的正弦波cvdve大大 变化速率快变化速率快e反之反之对应对应 为为 2 ，

35、e，对应，对应 为为0 ， e0cv eeddt小，小， 间间变化速率慢变化速率慢由于由于()sincdFevU Ae(0)e而且：而且：当当 0 使使 时时， 与与cvoreio当当 0 使使 时时， 相比小相比小，cvoreio52e在在 和和 间间 变化变化速率不同速率不同鉴相器的输出鉴相器的输出 变为变为正半周长正半周长，负半周短负半周短的的不对称不对称正弦波正弦波dv不对称波不对称波谐波谐波被被LF滤除滤除基波基波被被LF衰减衰减正平均分量正平均分量通过通过LF使使VCO频率向频率向 牵引牵引i()iir AVi 新频差新频差初始频差初始频差 20 53由于由于频差减小频差减小，LF

36、( (低通）对低通）对 的的通过能力增大，即通过能力增大，即dv)(iFA)(iFA产生一个产生一个更大的控制电压更大的控制电压 VCO频偏更大频偏更大 ()cdFivU Aoi更向更向 方向牵引方向牵引环路滤波器输出的环路滤波器输出的控制电压控制电压逐渐逐渐变大变大 直到直到 能够摆动到能够摆动到 时，时，环路就可通过环路就可通过快捕快捕过程过程到达锁定到达锁定 oi鉴相器输出的鉴相器输出的差拍信号差拍信号的的频率频率逐渐逐渐降低降低 捕捉过程使捕捉过程使:dU54锁相环路的主要特点锁相环路的主要特点 1）、）、优良的窄带滤波特性优良的窄带滤波特性 普通滤波器无法实现普通滤波器无法实现通过改

37、变环路增益或滤波器参数可实现窄带滤波。对于输入信号通过改变环路增益或滤波器参数可实现窄带滤波。对于输入信号而言，就相当于一个很窄的高频带通滤波器，在几百而言，就相当于一个很窄的高频带通滤波器，在几百MHz中心频中心频率上，带宽仅为几率上，带宽仅为几Hz。另一方面，由于。另一方面，由于PLL能自动跟踪输入信号能自动跟踪输入信号频率，以保证窄带的实现。而普通滤波器难以实现。频率，以保证窄带的实现。而普通滤波器难以实现。 2）、）、优良的载波跟踪和调制跟踪特性优良的载波跟踪和调制跟踪特性无论输入信号是已调制或未调制的，只要含有一定的载波分量，无论输入信号是已调制或未调制的，只要含有一定的载波分量，用

38、载波跟踪环可获得频率稳定度很高的载波。用载波跟踪环可获得频率稳定度很高的载波。只要环路有适当带宽，调制跟踪环能跟踪输入调角信号的频率与只要环路有适当带宽，调制跟踪环能跟踪输入调角信号的频率与相位变化。相位变化。 55（4）、低门限特性：）、低门限特性：门限取决于环路信噪比，一般环路的带宽总比环路输入端的门限取决于环路信噪比，一般环路的带宽总比环路输入端的前置通频带窄得多，因而具有较高的环路信噪比，可取得低前置通频带窄得多，因而具有较高的环路信噪比，可取得低门限性能。它用作调频解调时，与一般限幅鉴频器相比门限门限性能。它用作调频解调时，与一般限幅鉴频器相比门限可改善可改善35dB。p 主要应用：

39、主要应用：频率合成；窄带跟踪接收；锁相鉴频；载波恢复等。频率合成；窄带跟踪接收；锁相鉴频；载波恢复等。（3）、理想的频率控制特性）、理想的频率控制特性PLL是一个相差控制系统，当环路处于锁定状态时，环路输是一个相差控制系统，当环路处于锁定状态时，环路输出只有稳态相差而无剩余频差存在。出只有稳态相差而无剩余频差存在。用于频率合成器用于频率合成器 （5）、易于集成：体积小型、使用方便。）、易于集成：体积小型、使用方便。56572.带前置固定分频的锁相频率合成器带前置固定分频的锁相频率合成器 (图图12-24 p380)58跟踪是锁相环路的正常工作状态跟踪是锁相环路的正常工作状态 跟踪状态跟踪状态环

40、路锁定后环路锁定后VCO跟踪输入信号频率与相位的漂跟踪输入信号频率与相位的漂移或调制变化的过程。移或调制变化的过程。 锁相环通常有两种跟踪状态：锁相环通常有两种跟踪状态：调制跟踪与载波跟踪。调制跟踪与载波跟踪。如果压控振荡器的输出信号频率只跟踪输入信号的如果压控振荡器的输出信号频率只跟踪输入信号的载频，则称载波跟踪状态，并称之为载频，则称载波跟踪状态，并称之为载波跟踪环，载波跟踪环，或或 “窄带跟踪环窄带跟踪环”。载波跟踪环用于相干解调中提。载波跟踪环用于相干解调中提取载波，或窄带跟踪接收机。取载波，或窄带跟踪接收机。 压控振荡器的输出信号压控振荡器的输出信号跟踪输入调角信号变化（环路跟踪输入

41、调角信号变化（环路带宽带宽 较宽，可让调制信号通过，且捕捉带大于较宽，可让调制信号通过，且捕捉带大于2倍频倍频偏）。偏）。这种状态就是调制跟踪状态，并称这种锁相环这种状态就是调制跟踪状态，并称这种锁相环路为路为“调制跟踪环调制跟踪环”。调制跟踪环可实现高质量的调调制跟踪环可实现高质量的调角信号的解调（捕捉带大于角信号的解调（捕捉带大于2倍频偏值）倍频偏值）59抑制载波调幅波的解调抑制载波调幅波的解调60上述框图可用于上述框图可用于AM解调。解调。1）如果接收信号频谱中包含显著的载波频率分量，则可用一个带宽很窄的）如果接收信号频谱中包含显著的载波频率分量，则可用一个带宽很窄的滤波器将其提取出来。

42、滤波器将其提取出来。PLL的带宽可以做得很窄，而且能够跟踪载波频率的带宽可以做得很窄，而且能够跟踪载波频率的变化，所以用它来提取载波特别合适。的变化，所以用它来提取载波特别合适。2）对抑制载波的已调信号，若没有插入导频，则通过对信号进行非线性变）对抑制载波的已调信号，若没有插入导频，则通过对信号进行非线性变换（如平方），再用换（如平方），再用PLL提取出来作相干解调载波使用；或采用特殊的锁提取出来作相干解调载波使用；或采用特殊的锁相环（如科斯塔斯环）来获得相干载波。相环（如科斯塔斯环）来获得相干载波。61p 利用平方律器件的平方作用，将无载频分量的输入信号变利用平方律器件的平方作用，将无载频分

43、量的输入信号变换为换为有载频倍频分量的信号输出有载频倍频分量的信号输出，用载波跟踪环，用载波跟踪环提取出提取出2倍倍载频分量载频分量，再经分频可获得相干载波。然后进行相干解调。，再经分频可获得相干载波。然后进行相干解调。PDLFVCO带通带通带通带通低通低通2平方平方00)(tvi2222)(002tvi)2(0)(0解调输出解调输出 抑制载波调幅波的解调抑制载波调幅波的解调62调制信号的频谱要处于低通滤波器通带之外，并且调制指数调制信号的频谱要处于低通滤波器通带之外，并且调制指数不能太大。这样，调制信号不能通过低通滤波器，因而在锁不能太大。这样，调制信号不能通过低通滤波器，因而在锁相环内不能

44、形成交流反馈，即调制频率对锁相环路无影响。相环内不能形成交流反馈，即调制频率对锁相环路无影响。 VCO中心频率的漂移为慢变化，锁相环路只对中心频率的漂移为慢变化，锁相环路只对VCO平均中心平均中心频率不稳定所引起的分量（处于低通滤波器通带之内）起作频率不稳定所引起的分量（处于低通滤波器通带之内）起作用，使它的中心频率锁定在晶振频率上。用，使它的中心频率锁定在晶振频率上。63 压控振荡器的输出信号压控振荡器的输出信号跟踪输入调角信号变化（环路跟踪输入调角信号变化（环路带宽带宽 较宽，可让调制信号通过，且捕捉带大于较宽，可让调制信号通过，且捕捉带大于2倍频倍频偏）。偏）。这种状态就是调制跟踪状态，

45、并称这种锁相环这种状态就是调制跟踪状态，并称这种锁相环路为路为“调制跟踪环调制跟踪环”。调制跟踪环可实现高质量的调调制跟踪环可实现高质量的调角信号的解调（捕捉带大于角信号的解调（捕捉带大于2倍频偏值）倍频偏值）643、 则则VCO能精确跟踪输入调频信号中反映调制规律的瞬时频率能精确跟踪输入调频信号中反映调制规律的瞬时频率变化，产生具有相同调制规律的调频波变化，产生具有相同调制规律的调频波65锁相环的低通特性是对输入信号的相位谱而言，当调锁相环的低通特性是对输入信号的相位谱而言，当调制信号频率位于闭环传递函数的通频带内时，锁相环制信号频率位于闭环传递函数的通频带内时，锁相环的的VCO输出也是调频

46、波，输出也是调频波，PLL成为一个宽带调制跟踪成为一个宽带调制跟踪环。反之，若其闭环传递函数带宽很窄，调制信号频环。反之，若其闭环传递函数带宽很窄，调制信号频率位于通带外，则可滤除调频波的所有旁频，而只提率位于通带外，则可滤除调频波的所有旁频，而只提取载波。取载波。66设计思路设计思路按一定的按一定的时钟节拍时钟节拍，从，从ROM中中读出读出代表正弦幅值的代表正弦幅值的二进制数二进制数，经过经过D/A变换并变换并滤波滤波，得到一个，得到一个模拟模拟的正弦波。的正弦波。改变改变读数的读数的节拍频率节拍频率或取或取点的个数点的个数，就可以，就可以改变改变正弦波的正弦波的频率频率 特点：特点： 与与

47、锁相频率合成锁相频率合成不同，不是闭环锁相技术不同，不是闭环锁相技术 精确、无偏差、频率间隔可非常小、易于集成精确、无偏差、频率间隔可非常小、易于集成6768结构方框图结构方框图各部件各部件功能功能及及关键量关键量ROM存放正弦波幅度值，地址线（存放正弦波幅度值，地址线（P位位）、输出线（）、输出线（M位位）D/A与与低通低通滤波器滤波器 将二进制正弦波幅度变为模拟值并滤波将二进制正弦波幅度变为模拟值并滤波M位位累加器累加器ROM的地址寄存器的地址寄存器加法器加法器A（N位位）频率字频率字W寄存器寄存器R（N位位）时钟时钟CP69 对应对应任意一个频率字任意一个频率字W，每接受一个每接受一个C

48、P，寄存器，寄存器增加的相角增加的相角是是 因此对应的因此对应的输出频率输出频率是是 WN22WffNCPout2 每接受一个每接受一个CP，地址计数器就增加了，地址计数器就增加了频率字频率字 W （设（设 W1）所代表所代表 的的相位值相位值 ，则输出正弦波的，则输出正弦波的周期为：周期为：N22NCPCPoutTTT22 累加器累加器A、R作为作为ROM的的地址寄存器地址寄存器，地址的地址的变化速率变化速率是是时钟时钟 ， 每次变化量是每次变化量是频率字频率字W，地址寄存器地址寄存器 R 从从0 0溢出，相当于读溢出，相当于读 ROM中正弦波一周。中正弦波一周。CPf ROM中存有中存有一个周期一个周期离散的二进制离散的二进制 正弦波幅度值正弦波幅度值工作原理工作原理