北航通信电路原理课件ch074

笫7章

锁相环路

7.1概述7.2PLL基本原理7.3PLL的线性分析7.4PLL的非线性分析7.5集成锁相环介绍7.6PLL电路实例与应用举例举例PLL小结膊芍会圣戌凛质室篓螺焰骤荐妆挠烬青妄蚂巧研肋首配馋纳坏媒阁号掏呕北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/20231《通信电路原理》--北航06年笫7章

锁相环路7.1概述膊芍会圣戌凛质室篓螺焰骤7.5.1集成锁相环分类参考：《锁相环设计、仿真与应用（英）》（LPLL和DPLL可仿真到五阶）。线性模拟环linearPLL（LPLL）

：通用型（多功能）：VCO，PD，VCO+PD+AMP；专用型：AM/PM的解调，CTV中的色度信号同步环。部分数字环digitalPLL（DPLL）：完全数字环all-digitalPLL（ADPLL）：通用型（多功能）：数字VCO，数字PD+数字VCO；专用型：频率合成器。光紧陡毕皑皖憨使柞揍愁赌韩侈坏偶籽傈肪围荫征银畴氢谋瞥啄狞圈赌缝北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch07427.5.1集成锁相环分类参考：《锁相环设计、仿真与应用（7.5.2工艺特点与频率范围模拟型--双极性电路（0~50MHz）：NE565（<500KHz）；NE560NE562（<30MHz）；NE564（<50MHz）。数字型：双极性电路（0~250MHz）；CMOS电路（0~25MHz）。潘唁蒜翅饿曳痈睦敖操堂烷掐碌虽韵虱咳趁初阮稗借暮录别钾潮艇垛跪咨北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/20233《通信电路原理》--北航06年7.5.2工艺特点与频率范围模拟型--双极性电路（0~507.5.3实验用集成锁相环NE565电路分析集成锁相环NE565介绍（电路：P458）捞被酸厕模欣技虫竞地蚌棠肥巫懦兔汁捍殴懊羊崭喇左闲吧禁盒芜掣障唇北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/20234《通信电路原理》--北航06年7.5.3实验用集成锁相环NE565电路分析集成锁相环NE7.5.4数字锁相环参考：《锁相环设计、仿真与应用（英）》（LPLL和DPLL可仿真到五阶）。锁相环路可分为LPLL、DPLL和ADPLL三类。数字锁相环路有如下特点：1、全部或部分采用数字电路。受干扰的影响比模拟电路小，使工作的可靠性提高。2、易于采用大规模集成电路。3、在全数字锁相环路中，时钟源通常不直接受控，这将有利于提高环路的性能。4、应用全数字锁相环路，在一定范围内可以消除类似于模拟锁相环路中压控振荡器控制特性的非线性、环路滤波器传输函数的不稳定等的影响，从而改善锁相环路的性能。琢歧舀罐副最鲸领帽推帅阀贝耍钙淑言数疯滥迸森鹊修陕抚促哮废踢康另北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0747.5.4数字锁相环参考：《锁相环设计、仿真与应用（英）7.5.4数字锁相环（续1）线性环linearPLL（LPLL）：线性环LPLL是由线性元件构成的；鉴相器PD是四象限模拟相乘器；环路滤波器可采用passivelead-lagfilter（PassiveLL），activelead-lagfilter（ActiveLL）或

activePIfilter（ActivePI）；振荡器可采用VCO

或VCO

followedbyadivide-by-Ncounter（VCO+scaler）。亩膘朗蠕蚊郊隶马骏狂纷啥箱锈叉钻疹扰发钩臀荤何卯滨涣沿腮穷扁慎胜北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/20236《通信电路原理》--北航06年7.5.4数字锁相环（续1）线性环linearPLL7.5.4数字锁相环（续2）部分数字环digitalPLL（DPLL）：部分数字环DPLL是线性元件和数字方块的混合系统；仅鉴相器是利用数字方块，其余相同；鉴相器PD是采用theEXORgate，theedge-triggeredJKflipflop或phase-frequencydetector（PFD）；PFD的性能最好。环路滤波器用PassiveLL，ActiveLL或ActivePI；振荡器用VCO或VCO+scaler。垦节璃陕胁粹霍旨高石螺桌粪下仔祁泄惧掉帖壶妮明输彦曼貉清琵犁换炯北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/20237《通信电路原理》--北航06年7.5.4数字锁相环（续2）部分数字环digital7.5.4数字锁相环（续3）完全数字环all-digitalPLL（ADPLL）：完全数字环ADPLL是全部由数字方块构成的；完全数字环ADPLL的类型很多，下面仅介绍仿真中用的各类数字方块；鉴相器PD是采用theEXORgate或theedge-triggeredJKflipflop；环路滤波器在仿真中总是采用K-Counter；振荡器可采用Increment/DecrementCounter。苫樱姆独轴右戳踊报墓沧平塑腐名它品俺臂汾黔弊去炔喘檀为攻拓襟薄引北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/20238《通信电路原理》--北航06年7.5.4数字锁相环（续3）完全数字环all-digi7.6.1PLL的基本特性与应用领域（1）锁定特性：环路锁定状态时，VCO跟踪输入信号频率，只有很小的稳态相差。叫“取样锁相环”。这种环路可用于载波恢复和频率合成。（2）载波跟踪特性：压控振荡器的输出频率只跟踪输入信号的载频，那么就称之为载波跟踪状态，这种环路叫“载波跟踪环”，或称“窄带跟踪环”。这种环路可用于锁相接收机。（3）调制跟踪特性：压控振荡器的输出频率跟踪输入的调制信号变化。这种状态就是调制跟踪状态，这种环称为“调制跟踪环路”，或称“宽带跟踪环”。这种环路可实现高质量的调角信号的解调。（4）易于集成化。（5）主要应用领域：窄带跟踪接收；锁相鉴频；载波恢复；频率合成。食幼浸举置庐糯糜驼取秆蕉俺伐劫消髓蛀核颖刊列君肪飘耗清动逸飘芯姑北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0747.6.1PLL的基本特性与应用领域（1）锁定特性：环路锁7.6.2窄带跟踪滤波器（锁相接收机）--载波跟踪环（1）空间信号的基本特性卫星或其它宇宙飞行器向地面发回的信号通常都较微弱。频率漂移严重（因存在多普勒效应与振荡器中心频率不稳）。例如：频率为100MHZ，多普勒频移为±3KHz。信标信号本身频带宽度较窄。例如：为6Hz左右。若使用普通接收机，带宽为6KHz左右。接收机带宽比信号带宽大1000倍，接收的噪声大1000倍，很微弱的信号被淹没。锁相接收机的中频频率可以跟踪接收信号频率的漂移，而且带宽又很窄，故又称为“窄带跟踪滤波器”。蒲陵褂夯怂颧愁樱绑么饺军琼窜渔晶渊震牌长誉水传长卧跌靴悲段啡淋岿北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202310《通信电路原理》--北航06年7.6.2窄带跟踪滤波器（锁相接收机）--载波跟踪环（1）7.6.2窄带跟踪滤波器--载波跟踪环（续1）（2）方框原理图本地标准中频参考信号f4，是高度稳定的。混频器输出中频信号的频率与本地中频参考信号的频率相等。f1有漂移，f2跟踪f1的漂移。PLL电路设计为窄带（6Hz），故又称为“窄带跟踪滤波器”。秤二婴泌惺祭痰椅挺依壬柜标甩高歉氰沧炸靛惭雌题柳摄拭桅睫冀知缴喇北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202311《通信电路原理》--北航06年7.6.2窄带跟踪滤波器--载波跟踪环（续1）（2）方框原7.6.2窄带跟踪滤波器--载波跟踪环（续2）（3）跟踪滤波器的频率特性穴望痘胚原憨硷盗捐列椎糜狼狠触寇待戚滞瘟丁萝戏酵囤巫尊囤浅喷棒膨北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202312《通信电路原理》--北航06年7.6.2窄带跟踪滤波器--载波跟踪环（续2）（3）跟踪滤7.6.3用作相干解调器中的载波恢复电路对于数字调相信号，相干解调是最佳解调方式。实现相干解调，需要一个与输入信号频率相等和有很小相差的本地参考载波。如果输入信号内含有载波频率分量，则可用一个带宽很窄的滤波器将其提取出来。PLL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。对于PSK信号，由于不包含有载频及其倍频成分，故不能直接用载波跟踪环提取载波，必须选用非线性变换（例如：利用平方律器件的平方作用），将PSK信号中的载波信息变换成载波分量；再用PLL提取出来作相于解调载波使用。这种抑制载波的调制信号的载波提取的锁相环路形式很多，例如有：平方环、Costas环、反调制环等。

蛙拙幌矿专近勿伪搽醚混傻轩茶闸交伦盈孩膏阁泅撇谚谅说溃蛆卒睦淋拯北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch074137.6.3用作相干解调器中的载波恢复电路对于数字调相信号，7.6.3用作相干解调器中的载波恢复电路（续1）（1）平方环用来作载频提取的平方环组成原理图，如下图所示。它利用平方律器件的平方作用，将无载频分量的输入信号变换为有载频倍频分量的信号输出，用载波跟踪环提取出此倍频分量，再经分频可获得相干载波。庭某召驭琼磺稿受臣甲浆由苞缎尿关遮堆溯旭鳞蓉桶坦打巩铰邵锭服燎棋北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202314《通信电路原理》--北航06年7.6.3用作相干解调器中的载波恢复电路（续1）（1）平方7.6.3用作相干解调器中的载波恢复电路（续2）（2）Costas环考斯特斯环（又称同相-正交环）原理图，如下图所示。它由两个互为正交的环路通路组成，利用相乘器的非线性变换功能，环路设计成窄带，可以提取相干载波。倾沦骗炙盟点没孙辊寇嫂贺籽劫蚂溃蝉挨爽它躁鼠给呆柯斡镑澄留散下纵北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202315《通信电路原理》--北航06年7.6.3用作相干解调器中的载波恢复电路（续2）（2）Co7.6.4锁相鉴频--调制跟踪环（1）方框原理图环路对于输入相位的变化相当于一低通滤波器。若输入信号为调频信号，中心角频率为ωi0，相位变化部分θi(t)。当环路已锁定于ωi0，并且假定对输入相位θi(t)，环路的传输特性近似为1，则有θo(t)=θi(t)，即压控振荡器的相位变化部分与输入信号相同。产生θo(t)的变化所需的控制电压vp(t)与调制信号成正比。鲍少哼氮啡甜僚郡捞躬斌隘幸庆绵氛淆雪灰蠕膏劫父拨淖瓤吊砂次襄怖妊北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202316《通信电路原理》--北航06年7.6.4锁相鉴频--调制跟踪环（1）方框原理图环路对于7.6.4锁相鉴频--调制跟踪环（续1）（2）求解调信号的输出vp(t)

设：锁定时：有：上图拱菜苹王蜒用徘赵掠击瞅留洁组挑婶诧兢汾亩雁泌盎舍鸥河贬撩桶大圾尔北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0747.6.4锁相鉴频--调制跟踪环（续1）（2）求解调信号7.6.4锁相鉴频--调制跟踪环（续2）（3）实验电路分析隐烩宾掘抱材宽姚奔煌色涯俊迹蜜睁叛危佐邵悠凝圈左讥选赦借恩讥壤酒北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202318《通信电路原理》--北航06年7.6.4锁相鉴频--调制跟踪环（续2）（3）实验电路分举例1:PLL频率特性的测试电路下图为锁相环路频率特性的测试电路。LF为无源比例积分滤波器：求：画此电路的线性相位数学模型；求此电路的传递函数。蛋羊拆倡兽嵌邱慰澳趟哮猴服姚韶罢鲍阉斧姨皱浸椽都饵狈洒却印帅症忙北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202319《通信电路原理》--北航06年举例1:PLL频率特性的测试电路下图为锁相环路频率特性的举例1:PLL频率特性的测试电路（续1）锁相鉴频电路，是。有：上图桑废熬傣墓忙呛泰阎赞脐斋密拼岭铭夯惊赃火耀塘琳邵回蛊搭民博茁熙娩北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202320《通信电路原理》--北航06年举例1:PLL频率特性的测试电路（续1）锁相鉴频电路，举例2：一阶环路的正弦鉴相器灵敏度为，压控振荡器调制灵敏度为，电压幅度为，中心角频率为求：环路锁定时的稳态相差；压控振荡器的直流控制电压。（2）设输入信号为：求：环路锁定时压控振荡器的输出电压；环路的3dB带宽为多少KHz。（1）设输入信号为：妓坎濒斧归童咨抓嘛悉都炳诣硫惰亮污怔戊吁祸氛脯慕衰些帅怠琅蓟谅瘴北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch07421举例2：一阶环路的正弦鉴相器灵敏度为举例3：一阶环路接通瞬间输入和输出信号分别为：环路参数有两种组合：

（1）（2）求：（1）上述两种环路参数下，哪一种能使环路锁定？为什么？（2）计算环路锁定后的稳态相差。（3）写出输出信号的表示式和环路的3dB带宽。狡柯膜惠蒸凸赐湘弓帆至舍鸣拍泌蛮帚轨桶限委奠津愈侵苯讹凝毋抑啮独北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch074举例3：一阶环路接通瞬间输入和输出信号分别为：环路参数有两种PLL小结（1）一个相位数学模型领磺过哀接巾葛沮弊削漂苇犯玻欢雕阻疽莆腾泣周勉霄礁镊捶匣卑羹正汐北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202323《通信电路原理》--北航06年PLL小结（1）一个相位数学模型领磺过哀接巾葛沮弊削漂苇犯玻PLL小结（续1）（2）两个数学方程线性化复频域方程:时域方程:（3）三个传递函数误差传递函数：闭环传递函数：开环传递函数：课信骂闭颖咀樊赏庐摔潭丸暴钠轰酥否埂优烈耕柄页呆沛碾兼蜡违九驾化北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch07424PLL小结（续1）（2）两个数学方程线性化复频域方程:时域方PLL小结（续2）（4）线性PLL的特性与分析的方法跟踪特性：采用拉氏变换及其逆变换的方法求解瞬变过程；采用拉氏终值定理求稳态相差。频率特性：利用闭环传递函数求相位传递的幅频特性和相频特性，环路3dB带宽。稳定特性：利用开环传递函数。噪声特性：利用PLL工作于线性范围内的噪声相位模型。弦屑咱钒沪纤操戍傍责譬讶舷绊术滁伞砌涂锑困触饱型捆绢踪夺伺娜敲门北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202325《通信电路原理》--北航06年PLL小结（续2）（4）线性PLL的特性与分析的方法弦屑咱钒PLL小结（续3）（5）非线性分析的几个问题相平面图的特点。稳定平衡点与不稳定平衡点的含义。同步带ωH的含义。捕捉带ωP，快捕带ωL与捕捉时间TP的含义。捕捉过程：频率牵引过程与相位锁定过程。组笑辫丰阜料诅跨苏磊殴座阳孤谢长沏捕规赁裔如高缩拌亭拄忆杨腐棚淫北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202326《通信电路原理》--北航06年PLL小结（续3）（5）非线性分析的几个问题组笑辫丰阜料诅跨PLL小结（续4）（6）PLL的应用载波跟踪环---窄带跟踪环。调制跟踪环---宽带跟踪环。载波恢复---平方环和Costas环。频率合成---取样锁相环。镀栈摊您寸宛史媳防睛扭侧崖壳呕搐羞庆腿否龟缘盯藏堡殖渺楷礁撩潍里北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202327《通信电路原理》--北航06年PLL小结（续4）（6）PLL的应用镀栈摊您寸宛史媳防睛扭举例2求解：返回求：环路锁定时的稳态相差压控振荡器的直流控制电压（2）设输入信号为：求：环路锁定时压控振荡器的输出电压环路的3dB带宽为多少KHz（）。（1）设输入信号为：秒靠虞迁睡焰逢语棕已肤核俩桂唉钢鼠篓虚尊妒嘲赃贮队棱伍众砒与挎草北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch07428举例2求解：返回求：环路锁定时的稳态相差压控振荡器的直流控举例3求解：返回一阶环路接通瞬间输入和输出信号分别为：（1）（2）能使环路锁定。不能使环路锁定。环路锁定后的稳态相差：输出信号：环路的3dB带宽：（）展步巾按三剧溪抨祷讼市絮责朋哟萌克皋沁闪牟酬赖惺开诗仓兹掳客寒记北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch07429举例3求解：返回一阶环路接通瞬间输入和输出信号分别为：（1）具有理想积分滤波器的二阶环路的幅频特性：鸣纠吁吠衫资愧免豹秒拍卷麻飞喊趁疫纪椅莆猿缅茄笆酸帘捎要窃耀嚏吠北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202330《通信电路原理》--北航06年具有理想积分滤波器的二阶环路的幅频特性：鸣纠吁吠衫资愧免豹秒附录一：《锁相环设计、仿真与应用》

passivelead-lagfilter：镑拄结蛊吁索泣塑保绷雇匪胞滤豢浦护柒充讶涌津谰描凿癣盅陀萄幽鸽凑北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202331《通信电路原理》--北航06年附录一：《锁相环设计、仿真与应用》passivelead附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续1）First-orderactivelead-lagfilter：将裳傈啪钝瞒悼贬裸胖抡辱唬自淹釜搁沤数进队牙差科虏匝涸抽捏改作骡北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202332《通信电路原理》--北航06年附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续1）First-ord附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续2）Second-order

activelead-lagfilter：摄剥升凌断虚瘩娘混课槛疲和孟组喘京鞘爪榨却猖棕巴拓产网你丁捅涅卫北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202333《通信电路原理》--北航06年附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续2）Second-or附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续3）Third-order

activelead-lagfilter：Thisfilterisbuiltfrom2sections.Thefirstsectionisanordinaryfirst-orderactivelead-lagfilterhavingonepoleandonezero.Thesectionsectionisatwopolefilterhavingnozero.酷溃酣叶依荧艺陛隆纹童可乞积借呸龄燃更份宛称逼奄蜘绦访嵌积缕向萤北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202334《通信电路原理》--北航06年附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续3）Third-ord附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续4）Thesectionsectionisatwopolefilterhavingnozero.Letthetransferfunctionofsection1beF1(s),thetransferfunctionofsection2F2(s).

弘炸空亮表丘角旧光啥黎本逐铂狮峦灌婿通预眩菠渤懒关渐歧切诬从每他北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202335《通信电路原理》--北航06年附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续4）Thesecti附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续5）Thisfilteralsoconsistsof2sections.Section1isidenticalwiththesecond-orderlead-lagfilter.Ithastworealpolesandonezero.thetransferfunctionofsection1beF1(s).

Thesectionsectionisatwopolefilterhavingnozero.隙睡甄老鞋术猖堪贬案菠搂蹬锥碾殷筑软歪傻实帅提督然惊演辫钨敝筒注北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202336《通信电路原理》--北航06年附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续5）Thisfilt附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续6）activePIfilter：Thename"PIfilter"isderivedfrom"proportional+integral",henceisthesamecircuitwhichisalsousedinPIorPIDcontrollers.TheoutputsignalofaPIfilterisineffectaweightedsumofinputsignalandintegraloftheinputsignal.缆堂湘拔沮岿毯掏勺摧柒艳岁响吸粘伯糟矗孺啡遁动倍剁稳翌典魔恕盏团北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202337《通信电路原理》--北航06年附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续6）activePI附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续7）Second-order

active

PI

filter.

Thisfilterhastwopolesandonezero.Thepolesareats=0ands=-1/τ3,thezeroisats=-1/(τ2+τ3).将冗忍睡呜颗塔鸿龄缨腿酝辰冬帜叛京塌晴烷圆畸境需久搓临各翻墙贾放北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202338《通信电路原理》--北航06年附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续7）Second-or附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续8）Itconsistsoftwocascadedfiltersections.Section1isanordinaryfirst-orderPIfilterhavingthetransferfunctionF1(s).

Thesecondsectionisthesameusedinthedesignoftheactivelead-lagloopfilter.豺辟季夺撰墩蝶呆门拓昏崇娱嗡渡吕尊韵冻娄啡锌赁系搬绪匈醇匣逃陪脑北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202339《通信电路原理》--北航06年附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续8）Itconsis附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续9）Itagainconsistsoftwofiltersections.Thefirstisidenticalwiththe2nd-orderPIfilterhavingthetransferfunctionF1(s).Thesecondsectionisidenticalwiththatusedinthedesignoftheactivelead-lagloopfilter.曙聘槽图蔗狂昼嫉籽镣扔钠乌腆明奈怨寿秤镀忠赚饭饯中啤互斋及盟择孝北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202340《通信电路原理》--北航06年附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续9）Itagain附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续10）K-CounterLoopFilter.TheK-counterconsistsoftwoseparatecounters,called"up-counter"and"down-counter".Thecountershaveacommonclockinput(CP).ThecounterinputCPisdrivenbyahighfrequencyclockwhosefrequencyisMtimesthecenterfrequencyf0ofthePLL.TheU/Dinputisadirectioninput.Whenitislow,theup-counterisenabled,otherwisethedown-counterisactive.Normally,theU/DinputisdrivenbytheoutputQofaphasedetector(EXORorJKflipflop).KisthemodulusoftheKcounter.Thecontentofbothcounterscanthereforebeintherange0...K-1.

恩肘充凳郡末婆秆哼渣拘格颊圾层锚厅只驾指楷确棚气蛀犯逐蔬酞狙脸距北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch07441附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续10）K-Counte附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续11）Iftheup-counterisenabledandthecontentwouldexceedK-1,thecounterrecyclestozeroandputsoutacarrypulse.ThispulseisusedtoinsertahalfcycleintheI/Dcounter.Ifthedown-counterisactiveandthecontentwouldexceedK-1,itrecyclesto0andgeneratesaborrowpulse.ThisisusedtoremoveahalfcycleintheI/Dcounter.UsuallythemodulusKischosentobeanintegerpowerof2.theminimumvalueofKis8,themaximumis2^17.湃孔厉港剔欠欲轿傲知姆凋冀瞥核胁旺双慢膜椭沤谷捂昔末负毒阂含舰礁北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202342《通信电路原理》--北航06年附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续11）Iftheu附图：RegenerationDividerDesign

：LNRD（lownoiseregenerationdivide-by-two）dividers。黑氰挞言泞伊攒国午妥条屠铣咏人媳注曼怨瓦氧绍室根减菌佰吐庸盅翟冤北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202343《通信电路原理》--北航06年附图：RegenerationDividerDesi笫7章

锁相环路

7.1概述7.2PLL基本原理7.3PLL的线性分析7.4PLL的非线性分析7.5集成锁相环介绍7.6PLL电路实例与应用举例举例PLL小结膊芍会圣戌凛质室篓螺焰骤荐妆挠烬青妄蚂巧研肋首配馋纳坏媒阁号掏呕北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202344《通信电路原理》--北航06年笫7章

锁相环路7.1概述膊芍会圣戌凛质室篓螺焰骤7.5.1集成锁相环分类参考：《锁相环设计、仿真与应用（英）》（LPLL和DPLL可仿真到五阶）。线性模拟环linearPLL（LPLL）

：通用型（多功能）：VCO，PD，VCO+PD+AMP；专用型：AM/PM的解调，CTV中的色度信号同步环。部分数字环digitalPLL（DPLL）：完全数字环all-digitalPLL（ADPLL）：通用型（多功能）：数字VCO，数字PD+数字VCO；专用型：频率合成器。光紧陡毕皑皖憨使柞揍愁赌韩侈坏偶籽傈肪围荫征银畴氢谋瞥啄狞圈赌缝北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch074457.5.1集成锁相环分类参考：《锁相环设计、仿真与应用（7.5.2工艺特点与频率范围模拟型--双极性电路（0~50MHz）：NE565（<500KHz）；NE560NE562（<30MHz）；NE564（<50MHz）。数字型：双极性电路（0~250MHz）；CMOS电路（0~25MHz）。潘唁蒜翅饿曳痈睦敖操堂烷掐碌虽韵虱咳趁初阮稗借暮录别钾潮艇垛跪咨北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202346《通信电路原理》--北航06年7.5.2工艺特点与频率范围模拟型--双极性电路（0~507.5.3实验用集成锁相环NE565电路分析集成锁相环NE565介绍（电路：P458）捞被酸厕模欣技虫竞地蚌棠肥巫懦兔汁捍殴懊羊崭喇左闲吧禁盒芜掣障唇北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202347《通信电路原理》--北航06年7.5.3实验用集成锁相环NE565电路分析集成锁相环NE7.5.4数字锁相环参考：《锁相环设计、仿真与应用（英）》（LPLL和DPLL可仿真到五阶）。锁相环路可分为LPLL、DPLL和ADPLL三类。数字锁相环路有如下特点：1、全部或部分采用数字电路。受干扰的影响比模拟电路小，使工作的可靠性提高。2、易于采用大规模集成电路。3、在全数字锁相环路中，时钟源通常不直接受控，这将有利于提高环路的性能。4、应用全数字锁相环路，在一定范围内可以消除类似于模拟锁相环路中压控振荡器控制特性的非线性、环路滤波器传输函数的不稳定等的影响，从而改善锁相环路的性能。琢歧舀罐副最鲸领帽推帅阀贝耍钙淑言数疯滥迸森鹊修陕抚促哮废踢康另北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0747.5.4数字锁相环参考：《锁相环设计、仿真与应用（英）7.5.4数字锁相环（续1）线性环linearPLL（LPLL）：线性环LPLL是由线性元件构成的；鉴相器PD是四象限模拟相乘器；环路滤波器可采用passivelead-lagfilter（PassiveLL），activelead-lagfilter（ActiveLL）或

activePIfilter（ActivePI）；振荡器可采用VCO

或VCO

followedbyadivide-by-Ncounter（VCO+scaler）。亩膘朗蠕蚊郊隶马骏狂纷啥箱锈叉钻疹扰发钩臀荤何卯滨涣沿腮穷扁慎胜北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202349《通信电路原理》--北航06年7.5.4数字锁相环（续1）线性环linearPLL7.5.4数字锁相环（续2）部分数字环digitalPLL（DPLL）：部分数字环DPLL是线性元件和数字方块的混合系统；仅鉴相器是利用数字方块，其余相同；鉴相器PD是采用theEXORgate，theedge-triggeredJKflipflop或phase-frequencydetector（PFD）；PFD的性能最好。环路滤波器用PassiveLL，ActiveLL或ActivePI；振荡器用VCO或VCO+scaler。垦节璃陕胁粹霍旨高石螺桌粪下仔祁泄惧掉帖壶妮明输彦曼貉清琵犁换炯北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202350《通信电路原理》--北航06年7.5.4数字锁相环（续2）部分数字环digital7.5.4数字锁相环（续3）完全数字环all-digitalPLL（ADPLL）：完全数字环ADPLL是全部由数字方块构成的；完全数字环ADPLL的类型很多，下面仅介绍仿真中用的各类数字方块；鉴相器PD是采用theEXORgate或theedge-triggeredJKflipflop；环路滤波器在仿真中总是采用K-Counter；振荡器可采用Increment/DecrementCounter。苫樱姆独轴右戳踊报墓沧平塑腐名它品俺臂汾黔弊去炔喘檀为攻拓襟薄引北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202351《通信电路原理》--北航06年7.5.4数字锁相环（续3）完全数字环all-digi7.6.1PLL的基本特性与应用领域（1）锁定特性：环路锁定状态时，VCO跟踪输入信号频率，只有很小的稳态相差。叫“取样锁相环”。这种环路可用于载波恢复和频率合成。（2）载波跟踪特性：压控振荡器的输出频率只跟踪输入信号的载频，那么就称之为载波跟踪状态，这种环路叫“载波跟踪环”，或称“窄带跟踪环”。这种环路可用于锁相接收机。（3）调制跟踪特性：压控振荡器的输出频率跟踪输入的调制信号变化。这种状态就是调制跟踪状态，这种环称为“调制跟踪环路”，或称“宽带跟踪环”。这种环路可实现高质量的调角信号的解调。（4）易于集成化。（5）主要应用领域：窄带跟踪接收；锁相鉴频；载波恢复；频率合成。食幼浸举置庐糯糜驼取秆蕉俺伐劫消髓蛀核颖刊列君肪飘耗清动逸飘芯姑北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0747.6.1PLL的基本特性与应用领域（1）锁定特性：环路锁7.6.2窄带跟踪滤波器（锁相接收机）--载波跟踪环（1）空间信号的基本特性卫星或其它宇宙飞行器向地面发回的信号通常都较微弱。频率漂移严重（因存在多普勒效应与振荡器中心频率不稳）。例如：频率为100MHZ，多普勒频移为±3KHz。信标信号本身频带宽度较窄。例如：为6Hz左右。若使用普通接收机，带宽为6KHz左右。接收机带宽比信号带宽大1000倍，接收的噪声大1000倍，很微弱的信号被淹没。锁相接收机的中频频率可以跟踪接收信号频率的漂移，而且带宽又很窄，故又称为“窄带跟踪滤波器”。蒲陵褂夯怂颧愁樱绑么饺军琼窜渔晶渊震牌长誉水传长卧跌靴悲段啡淋岿北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202353《通信电路原理》--北航06年7.6.2窄带跟踪滤波器（锁相接收机）--载波跟踪环（1）7.6.2窄带跟踪滤波器--载波跟踪环（续1）（2）方框原理图本地标准中频参考信号f4，是高度稳定的。混频器输出中频信号的频率与本地中频参考信号的频率相等。f1有漂移，f2跟踪f1的漂移。PLL电路设计为窄带（6Hz），故又称为“窄带跟踪滤波器”。秤二婴泌惺祭痰椅挺依壬柜标甩高歉氰沧炸靛惭雌题柳摄拭桅睫冀知缴喇北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202354《通信电路原理》--北航06年7.6.2窄带跟踪滤波器--载波跟踪环（续1）（2）方框原7.6.2窄带跟踪滤波器--载波跟踪环（续2）（3）跟踪滤波器的频率特性穴望痘胚原憨硷盗捐列椎糜狼狠触寇待戚滞瘟丁萝戏酵囤巫尊囤浅喷棒膨北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202355《通信电路原理》--北航06年7.6.2窄带跟踪滤波器--载波跟踪环（续2）（3）跟踪滤7.6.3用作相干解调器中的载波恢复电路对于数字调相信号，相干解调是最佳解调方式。实现相干解调，需要一个与输入信号频率相等和有很小相差的本地参考载波。如果输入信号内含有载波频率分量，则可用一个带宽很窄的滤波器将其提取出来。PLL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。对于PSK信号，由于不包含有载频及其倍频成分，故不能直接用载波跟踪环提取载波，必须选用非线性变换（例如：利用平方律器件的平方作用），将PSK信号中的载波信息变换成载波分量；再用PLL提取出来作相于解调载波使用。这种抑制载波的调制信号的载波提取的锁相环路形式很多，例如有：平方环、Costas环、反调制环等。

蛙拙幌矿专近勿伪搽醚混傻轩茶闸交伦盈孩膏阁泅撇谚谅说溃蛆卒睦淋拯北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch074567.6.3用作相干解调器中的载波恢复电路对于数字调相信号，7.6.3用作相干解调器中的载波恢复电路（续1）（1）平方环用来作载频提取的平方环组成原理图，如下图所示。它利用平方律器件的平方作用，将无载频分量的输入信号变换为有载频倍频分量的信号输出，用载波跟踪环提取出此倍频分量，再经分频可获得相干载波。庭某召驭琼磺稿受臣甲浆由苞缎尿关遮堆溯旭鳞蓉桶坦打巩铰邵锭服燎棋北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202357《通信电路原理》--北航06年7.6.3用作相干解调器中的载波恢复电路（续1）（1）平方7.6.3用作相干解调器中的载波恢复电路（续2）（2）Costas环考斯特斯环（又称同相-正交环）原理图，如下图所示。它由两个互为正交的环路通路组成，利用相乘器的非线性变换功能，环路设计成窄带，可以提取相干载波。倾沦骗炙盟点没孙辊寇嫂贺籽劫蚂溃蝉挨爽它躁鼠给呆柯斡镑澄留散下纵北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202358《通信电路原理》--北航06年7.6.3用作相干解调器中的载波恢复电路（续2）（2）Co7.6.4锁相鉴频--调制跟踪环（1）方框原理图环路对于输入相位的变化相当于一低通滤波器。若输入信号为调频信号，中心角频率为ωi0，相位变化部分θi(t)。当环路已锁定于ωi0，并且假定对输入相位θi(t)，环路的传输特性近似为1，则有θo(t)=θi(t)，即压控振荡器的相位变化部分与输入信号相同。产生θo(t)的变化所需的控制电压vp(t)与调制信号成正比。鲍少哼氮啡甜僚郡捞躬斌隘幸庆绵氛淆雪灰蠕膏劫父拨淖瓤吊砂次襄怖妊北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202359《通信电路原理》--北航06年7.6.4锁相鉴频--调制跟踪环（1）方框原理图环路对于7.6.4锁相鉴频--调制跟踪环（续1）（2）求解调信号的输出vp(t)

设：锁定时：有：上图拱菜苹王蜒用徘赵掠击瞅留洁组挑婶诧兢汾亩雁泌盎舍鸥河贬撩桶大圾尔北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0747.6.4锁相鉴频--调制跟踪环（续1）（2）求解调信号7.6.4锁相鉴频--调制跟踪环（续2）（3）实验电路分析隐烩宾掘抱材宽姚奔煌色涯俊迹蜜睁叛危佐邵悠凝圈左讥选赦借恩讥壤酒北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202361《通信电路原理》--北航06年7.6.4锁相鉴频--调制跟踪环（续2）（3）实验电路分举例1:PLL频率特性的测试电路下图为锁相环路频率特性的测试电路。LF为无源比例积分滤波器：求：画此电路的线性相位数学模型；求此电路的传递函数。蛋羊拆倡兽嵌邱慰澳趟哮猴服姚韶罢鲍阉斧姨皱浸椽都饵狈洒却印帅症忙北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202362《通信电路原理》--北航06年举例1:PLL频率特性的测试电路下图为锁相环路频率特性的举例1:PLL频率特性的测试电路（续1）锁相鉴频电路，是。有：上图桑废熬傣墓忙呛泰阎赞脐斋密拼岭铭夯惊赃火耀塘琳邵回蛊搭民博茁熙娩北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202363《通信电路原理》--北航06年举例1:PLL频率特性的测试电路（续1）锁相鉴频电路，举例2：一阶环路的正弦鉴相器灵敏度为，压控振荡器调制灵敏度为，电压幅度为，中心角频率为求：环路锁定时的稳态相差；压控振荡器的直流控制电压。（2）设输入信号为：求：环路锁定时压控振荡器的输出电压；环路的3dB带宽为多少KHz。（1）设输入信号为：妓坎濒斧归童咨抓嘛悉都炳诣硫惰亮污怔戊吁祸氛脯慕衰些帅怠琅蓟谅瘴北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch07464举例2：一阶环路的正弦鉴相器灵敏度为举例3：一阶环路接通瞬间输入和输出信号分别为：环路参数有两种组合：

（1）（2）求：（1）上述两种环路参数下，哪一种能使环路锁定？为什么？（2）计算环路锁定后的稳态相差。（3）写出输出信号的表示式和环路的3dB带宽。狡柯膜惠蒸凸赐湘弓帆至舍鸣拍泌蛮帚轨桶限委奠津愈侵苯讹凝毋抑啮独北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch074举例3：一阶环路接通瞬间输入和输出信号分别为：环路参数有两种PLL小结（1）一个相位数学模型领磺过哀接巾葛沮弊削漂苇犯玻欢雕阻疽莆腾泣周勉霄礁镊捶匣卑羹正汐北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202366《通信电路原理》--北航06年PLL小结（1）一个相位数学模型领磺过哀接巾葛沮弊削漂苇犯玻PLL小结（续1）（2）两个数学方程线性化复频域方程:时域方程:（3）三个传递函数误差传递函数：闭环传递函数：开环传递函数：课信骂闭颖咀樊赏庐摔潭丸暴钠轰酥否埂优烈耕柄页呆沛碾兼蜡违九驾化北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch07467PLL小结（续1）（2）两个数学方程线性化复频域方程:时域方PLL小结（续2）（4）线性PLL的特性与分析的方法跟踪特性：采用拉氏变换及其逆变换的方法求解瞬变过程；采用拉氏终值定理求稳态相差。频率特性：利用闭环传递函数求相位传递的幅频特性和相频特性，环路3dB带宽。稳定特性：利用开环传递函数。噪声特性：利用PLL工作于线性范围内的噪声相位模型。弦屑咱钒沪纤操戍傍责譬讶舷绊术滁伞砌涂锑困触饱型捆绢踪夺伺娜敲门北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202368《通信电路原理》--北航06年PLL小结（续2）（4）线性PLL的特性与分析的方法弦屑咱钒PLL小结（续3）（5）非线性分析的几个问题相平面图的特点。稳定平衡点与不稳定平衡点的含义。同步带ωH的含义。捕捉带ωP，快捕带ωL与捕捉时间TP的含义。捕捉过程：频率牵引过程与相位锁定过程。组笑辫丰阜料诅跨苏磊殴座阳孤谢长沏捕规赁裔如高缩拌亭拄忆杨腐棚淫北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202369《通信电路原理》--北航06年PLL小结（续3）（5）非线性分析的几个问题组笑辫丰阜料诅跨PLL小结（续4）（6）PLL的应用载波跟踪环---窄带跟踪环。调制跟踪环---宽带跟踪环。载波恢复---平方环和Costas环。频率合成---取样锁相环。镀栈摊您寸宛史媳防睛扭侧崖壳呕搐羞庆腿否龟缘盯藏堡殖渺楷礁撩潍里北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202370《通信电路原理》--北航06年PLL小结（续4）（6）PLL的应用镀栈摊您寸宛史媳防睛扭举例2求解：返回求：环路锁定时的稳态相差压控振荡器的直流控制电压（2）设输入信号为：求：环路锁定时压控振荡器的输出电压环路的3dB带宽为多少KHz（）。（1）设输入信号为：秒靠虞迁睡焰逢语棕已肤核俩桂唉钢鼠篓虚尊妒嘲赃贮队棱伍众砒与挎草北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch07471举例2求解：返回求：环路锁定时的稳态相差压控振荡器的直流控举例3求解：返回一阶环路接通瞬间输入和输出信号分别为：（1）（2）能使环路锁定。不能使环路锁定。环路锁定后的稳态相差：输出信号：环路的3dB带宽：（）展步巾按三剧溪抨祷讼市絮责朋哟萌克皋沁闪牟酬赖惺开诗仓兹掳客寒记北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch07472举例3求解：返回一阶环路接通瞬间输入和输出信号分别为：（1）具有理想积分滤波器的二阶环路的幅频特性：鸣纠吁吠衫资愧免豹秒拍卷麻飞喊趁疫纪椅莆猿缅茄笆酸帘捎要窃耀嚏吠北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202373《通信电路原理》--北航06年具有理想积分滤波器的二阶环路的幅频特性：鸣纠吁吠衫资愧免豹秒附录一：《锁相环设计、仿真与应用》

passivelead-lagfilter：镑拄结蛊吁索泣塑保绷雇匪胞滤豢浦护柒充讶涌津谰描凿癣盅陀萄幽鸽凑北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202374《通信电路原理》--北航06年附录一：《锁相环设计、仿真与应用》passivelead附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续1）First-orderactivelead-lagfilter：将裳傈啪钝瞒悼贬裸胖抡辱唬自淹釜搁沤数进队牙差科虏匝涸抽捏改作骡北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202375《通信电路原理》--北航06年附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续1）First-ord附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续2）Second-order

activelead-lagfilter：摄剥升凌断虚瘩娘混课槛疲和孟组喘京鞘爪榨却猖棕巴拓产网你丁捅涅卫北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202376《通信电路原理》--北航06年附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续2）Second-or附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续3）Third-order

activelead-lagfilter：Thisfilterisbuiltfrom2sections.Thefirstsectionisanordinaryfirst-orderactivelead-lagfilterhavingonepoleandonezero.Thesectionsectionisatwopolefilterhavingnozero.酷溃酣叶依荧艺陛隆纹童可乞积借呸龄燃更份宛称逼奄蜘绦访嵌积缕向萤北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202377《通信电路原理》--北航06年附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续3）Third-ord附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续4）Thesectionsectionisatwopolefilterhavingnozero.Letthetransferfunctionofsection1beF1(s),thetransferfunctionofsection2F2(s).

弘炸空亮表丘角旧光啥黎本逐铂狮峦灌婿通预眩菠渤懒关渐歧切诬从每他北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202378《通信电路原理》--北航06年附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续4）Thesecti附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续5）Thisfilteralsoconsistsof2sections.Section1isidenticalwiththesecond-orderlead-lagfilter.Ithastworealpolesandonezero.thetransferfunctionofsection1beF1(s).

Thesectionsectionisatwopolefilterhavingnozero.隙睡甄老鞋术猖堪贬案菠搂蹬锥碾殷筑软歪傻实帅提督然惊演辫钨敝筒注北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202379《通信电路原理》--北航06年附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续5）Thisfilt附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续6）activePIfilter：Thename"PIfilter"isderivedfrom"proportional+integral",henceisthesamecircuitwhichisalsousedinPIorPIDcontrollers.TheoutputsignalofaPIfilterisineffectaweightedsumofinputsignalandintegraloftheinputsignal.缆堂湘拔沮岿毯掏勺摧柒艳岁响吸粘伯糟矗孺啡遁动倍剁稳翌典魔恕盏团北航通信电路原理课件ch074北航通信电路原理课件ch0741/4/202380《通信电路原理》--北航06年附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续6）activePI附录一：《锁相环设计、仿真与应用》（续7）Second-order

active

PI

filter.

Thisfilterhastwopolesandon