大三上-通信电路原理课件

1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7.6PLL电路实例与应用举例7.9小结窄带跟踪滤波器载波恢复电路锁相鉴频--调制跟踪环27.6PLL电路实例与应用举例7.6.1PLL的基本特性与应用领域7.6.2窄带跟踪滤波器（锁相接收机）--载波跟踪环7.6.3用作相干解调器中的载波恢复电路7.6.4锁相鉴频--调制跟踪环7.6.5其他应用电路37.6.1PLL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，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“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、小型化，可使成本降低且便于利用。（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。47.6.2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”。57.6.2窄带跟踪滤波器--载波跟踪环（续1）（2）原理方框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”。频谱图说明67.6.2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77.6.3用作相干解调器中的载波恢复电路实现相干解调，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等不包含有载频及其倍频成分的信号，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，再提取出来作相干解调载波使用。这种抑制载波的已调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。

87.6.3用作相干解调器中的载波恢复电路（续1）（1）平方环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，利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。97.6.3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）。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，可以提取相干载波同时解调信号。v2(t)v1(t)vo(t)v3(t)v4(t)vd(t)107.6.3用作相干解调器中的载波恢复电路（续3）117.6.4锁相鉴频--调制跟踪环（1）原理方框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。127.6.4锁相鉴频--调制跟踪环（续1）（2）求解调信号的输出vp(t)

输入调频信号：锁定时振荡器输出信号：由相位关系有：上图137.6.4锁相鉴频--调制跟踪环（续2）（3）实验电路147.6.5其他应用电路锁定时一、锁相倍频二、锁相分频锁定时15三、锁相混频锁定时四、锁相调频：16五、锁相调相:17自动增益控制（AGC）电路

反馈控制系统的作用，是通过自身的调节，使输出量与输入量之间接近或恢复到预定的关系。比较器可控增益放大器直流放大器检波器在输入信号幅度变化很大的情况下，使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变化的一种自动控制电路。自动频率控制（AFC）电路差频放大器限幅鉴频器压控振荡器放大器混频器一种频率自动控制系统，控制的是信号的频率；自动相位控制（APC）电路，又叫锁相环路（PhaseLockedLoop，简称PLL）一种相位自动控制系统，控制的是信号的相位。鉴相器压控振荡器环路滤波器7.8自动频率控制（AFC）1.通信系统中三种反馈控制系统：187.8自动频率控制（续1）2.AFC的电路方框图：频率比较器LPF可控频率电路197.8自动频率控制（AFC）（续2）3.AFC电路的分析方法：为了分析AFC电路的基本特性，通常采用两种方法，即分析法和图解法。分析法是建立在AFC电路中各部件具有线性特性的基础上，因而它只在一定的范围内适用。但分析法可以得出描述AFC电路特性的数学表示式，因而易于看出各部件性能对AFC电路特性的影响。用分析法分析AFC电路的线性特性，包括跟踪特性、频率特性和稳定性等。其分析过程与锁相环路类似。

图解法可以考虑各部件的实例特性，对AFC电路进行大范围工作状态的分析。但这种方法仅适用于比较简单的电路。207.8自动频率控制（AFC）（续3）4.AFC电路的图解分析方法：下面讨论无滤波器AFC电路的工作情况：频率比较器可控频率电路上面的两个特性曲线图将改画成下面的两个图；用图解法求联立解时，将两个特性曲线图画在同一坐标图上。217.8自动频率控制（AFC）（续4）两个特性曲线的交点M为其解为了减小稳态频差，可以改变曲线的斜率。227.8自动频率控制（AFC）（续5）5.AFC电路的应用：混频器中频放大器解调器压控

振荡器鉴频器混频器中频放大器鉴频器压控

振荡器低通滤波器

输出信号

接收信号

输出信号

接收信号

调幅接收机AFC电路方框图：本地振荡频率发生正偏离；中频放大器频率也发生正偏离；鉴频器输出电压降低VCO频率；中频频率偏离的数值减少。调频接收机AFC电路方框图：调频接收机的鉴频器也是

AFC电路；鉴频器输出信号经低通滤波器分离；低通滤波器输出电压改变VCO频率；中频频率偏离的数值减少。23第七章小结（1）一个相位数学模型24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：25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。输入信号和输出信号的表达式及关系26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。输入信号和输出信号的表达式及关系27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28举例3：一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：29举例4：一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。30举例3求解：返回求：