第1章环路基本原理2011-8-29

朱晓霞amyzhu@32学时通信中的同步技术及其应用2/3/20231第一讲

概述以及环路的基本原理2/3/20232新的学期开始了！希望同学们静下心来！课程有难度！不只为分数！锻炼自己成长自己最重要！2/3/20233课程概述2/3/20234同步技术通信原理雷达原理随机信号分析信号与系统高等数学概率论

工科基础课专业基础课专业课电子工程（通信工程）专业课程结构2/3/20235电子科学与技术

（电路与系统通信工程信息工程电磁场科学与技术）电路（低频、高频、脉冲与数字、微波）：元器件/连接电磁场（电磁场、微波、天线）：天线与传播信号处理（信号与系统、随机信号分析通信技术同步技术）信息的载体信息（编码、加密解密、协议计算机语言）：信息处理2/3/20236工程应用（通信、雷达、制导、水声、计算机、语音、生物医学、图象处理、广播电视……）2/3/20237期末成绩评价平时成绩:作业抽查点名课堂回答问题

40%期末考试:60%教材：《通信中的同步技术及应用》

清华大学出版社

季仲梅2/3/20238通信的基本概念通信的目的：传递消息中所包含的信息。消息：是物质或精神状态的一种反映，例如语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等。信息：是消息中包含的有效内容。实现通信的方式和手段：非电的：如旌旗、消息树、烽火台…电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网和计算机通信等。2/3/20239通信系统：传递信息所需的一切技术设备的总和。通信系统的基本模型信源和输入变换器发送设备信道接收设备输出变换器和信宿噪声及干扰源2/3/202310调制的概念：控制变换频谱搬移模拟通信系统模型2/3/202311数字通信系统模型数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统

位同步帧同步时钟同步2/3/202312通信信号的解调方式：

相干解调非相干解调

相干解调非相干解调区别：是否需要载波2/3/202313

同步技术在通信中的重要性

概述

数字调制系统的性能是由解调方式决定,采用相干解调时接收端需要提供一个相干载波载波同步与所收到的已调制载波同频同相相干载波的获取就称为载波同步2/3/202314如：接收信号在接收端若有低通滤波后就可得到调制信号概述

则2/3/202315数字通信中，信息是一串相继的码元序列，接收端解调判决时，必须要有一个抽样判决定时脉冲序列，它要和接收码元的终止时刻对齐。接收端产生与接收到的码元重复频率和相位一致的定时脉冲序列过程称为码元同步或位同步。位同步概述

2/3/202316二进制数字信息：100101102DPSK信号相位：0π00ππ0π00或π0ππ000π0ππ2/3/2023172/3/202318群同步或帧同步

数字通信中，信息是以若干个码元组成一个“字”，又用若干个“字”组成一句。接收端为了正确恢复信息，需要产生与“字”、“句”起止时刻相一致的定时脉冲序列。产生此定时脉冲序列的过程称为群同步或帧同步。

概述

2/3/202319网同步整个通信网内要有统一的时间节拍扩频码同步在扩展频谱通信系统中，接收端为了能正确恢复信息码元，产生用于解扩的伪随机码必须与发送端的伪随机码同步。

概述

2/3/202320如何实现同步？

首先要掌握同步技术用同步技术解决通信中的同步问题概述

同步系统性能的降低，会直接导致系统性能的降低，甚至使通信系统不能工作。为了保证信息的可靠传输，要求同步系统应有更高的可靠性。2/3/202321同步信号的获取方式同步也是一种信息，按照传输同步信息方式的不同，可分为外同步法和自同步法。外同步法由发送端发送专门的同步信息，接收端把这个专门的同步信息检测出来作为同步信号的方法，称为外同步法。自同步法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息的方法，称为自同步法。2/3/202322锁相环------同步技术的核心部件

环路的组成、工作原理、

环路的性能分析数字锁相环

奈奎斯特型数字锁相环课程内容概述

2/3/202323载波同步

平方环、同相—正交环、判决反馈环自动频率控制、开环载波频偏估计法

符号同步方法

早—迟门锁相环法、数字插值法

扩频码同步

全数字非相干延迟扩频码跟踪环

概述

2/3/202324第1章锁相环的基本工作原理主要内容1.1基本概念与锁相环的组成1.2环路工作原理与相位模型1.3环路动态方程1.4环路的工作过程1.5环路的基本部件2/3/202325锁相环（PLL）

完成两个信号相位同步的自动控制系统

Phase-LockedLoop1.1基本概念与锁相环的组成2/3/202326相位同步锁相环是实现相位同步的自动控制系统两个信号的频率相等相位差为0或为一小常数称这两个信号相位同步锁相环如何实现相位同步？1.1基本概念与锁相环的组成2/3/202327设输入信号接收端本振信号1.1基本概念与锁相环的组成当

称输入信号与本振信号相位完全一致或基本一致时什么是相位同步？2/3/202328

锁相环的组成部件

鉴相器

(PD)Phasedetector

环路滤波器

(LF)Loopfilter

压控制振荡器

(VCO)Voltage-controlledoscillator1.1基本概念与锁相环的组成2/3/202329组成框图描述

锁相环的组成框图输入信号电压与输出信号电压之间的完整关系1.1基本概念与锁相环的组成2/3/202330比较输入信号和输出信号的相位并将相位误差转换成误差信号

反映相位误差的大小和极性

环路各部件的作用鉴相器

(PD)

1.1基本概念与锁相环的组成2/3/202331LF是一个低通滤波器滤除高次谐波和噪声稳定校正改善动态品质因素环路滤波器

(LF)

1.1基本概念与锁相环的组成2/3/202332压控制振荡器

(VCO)振荡频率受电压控制的振荡器为控制电压为瞬时振荡频率

如压控特性曲线1.1基本概念与锁相环的组成2/3/202333随的变化而变化并将频率的变化转换成相位的变化称为VCO的固有振荡频率当时当时1.1基本概念与锁相环的组成2/3/202334基本概念设环路输入信号、输出信号为

的瞬时相位的瞬时相位1.1基本概念与锁相环的组成2/3/202335不同步瞬时相位差输入信号相位与输出信号相位当环路没工作时随着时间的增加而增大1.1基本概念与锁相环的组成2/3/202336能使输入信号与输出信号的频差为0相位误差为0或为一个小的常数实现了相位同步此时环路的状态称为同步状态当环路工作时1.1基本概念与锁相环的组成2/3/202337当输入固定频率信号时，环路的同步状态，称为锁定状态或称为相位锁定。

输出信号相位锁定在输入信号相位上这种同步控制系统称为PLL锁相环1.1基本概念与锁相环的组成2/3/202338环路锁定后，当输入信号频率或相位发生变化时，环路便自动调节，使输出信号频率或相位随之而发生变化。也称为相位同步

在整过变化过程中

1.1基本概念与锁相环的组成2/3/202339锁定状态是一个静态的相位同步状态跟踪状态是一个动态的相位同步状态

输入信号频率缓慢变化时，环路维持相位同步称为跟踪状态。

分析锁相环是如何实现相位同步？要建立环路的功能（相位）模型1.1基本概念与锁相环的组成2/3/202340

环路基本部件功能模型函数关系有PD的结构决定反映PD特性相位误差1.2环路工作原理与相位模型由PD功能可得：误差电压鉴相器的功能模型2/3/202341正弦鉴相特性PD的功能模型设结构和原理1.2环路工作原理与相位模型结构图2/3/202342称为输入信号以为基准的瞬时相位其中令乘法系数1.2环路工作原理与相位模型2/3/202343

称为环路的固有频率差其中令1.2环路工作原理与相位模型2/3/202344为相位误差令为乘法器输出信号的幅度1.2环路工作原理与相位模型2/3/202345

数学模型

相位模型

鉴相特性曲线1.2环路工作原理与相位模型2/3/202346数学模型功能模型环路滤波器（LF）由LF的结构决定1.2环路工作原理与相位模型2/3/202347

VCO的相位模型0控制灵敏度（选择线性段工作）1.2环路工作原理与相位模型2/3/202348

相位模型

数学模型1.2环路工作原理与相位模型2/3/202349环路的相位模型（功能模型）

环路的相位模型反映了输入瞬时相位与输出瞬时相位之间的关系是一个相位负反馈控制系统1.2环路工作原理与相位模型2/3/202350环路工作原理

PD鉴别出输入信号和输出信号的相位差，并将相位差转换成误差电压；误差电压经LF滤波后得到控制电压；控制电压控制VCO的振荡频率，使其向输入信号的频率靠拢，最终使得输出信号频率和输入信号频率相等，相位差为0或为一个小常数，实现相位同步。1.2环路工作原理与相位模型2/3/202351

1.3环路动态方程为环路增益因子单位rad/s或Hz环路动态方程

动态方程（数学模型）2/3/202352当时，动态方程是一阶称此环路为一阶环环路动态方程是非线性微分方程

环路的阶数等于LF的阶数+1

1.3环路动态方程非线性来源于PD方程的阶数取决于LF的阶数2/3/202353动态方程的物理意义称为固有频差设称在的控制下产生的控制频差称为瞬时频差

1.3环路动态方程2/3/202354瞬时频差

=

固有频差

-

控制频差

1.3环路动态方程2/3/202355环路刚开始工作时，瞬时频差=固有频差环路进入锁定时，瞬时频差为0

控制频差=固有频差维持锁定的相位差，称为稳态相差动态方程适用于环路锁定和失锁的情况，它描述了环路的整个过程。

1.3环路动态方程2/3/202356例题：已知正弦鉴相特性的一阶环，鉴相器输出最大电压VCO的控制灵敏度固有振荡角频率问：当环路锁定所需的控制电压

稳态相位误差

1.3环路动态方程2/3/202357一阶环

控制电压

环路锁定时，瞬时频差为0

解：环路增益

1.3环路动态方程2/3/202358小结（重点掌握内容）环路动态方程环路相位模型环路基本工作原理2/3/202359VCO的振荡频率为什么向输入信号频率靠近？又如何靠近？不论输入信号频率为何值环路都能锁定？深入理解2/3/202360设输入为固定频率正弦信号1.4环路的工作过程

当开关打开时

2/3/202361环路参数确定后环路能否锁定取决于固有频差的大小由动态方程可知1.4环路的工作过程2/3/202362很大开关合上后

加到VCO上的VCO的振荡频率仍为固有振荡频率PD输出仍然是一个对称的差拍波环路不能锁定是一个对称的差拍波且被LF完全抑制特点：误差电压1.4环路的工作过程2/3/202363较小（）

在LF的通带之内开关合上后幅度较大在环路中所设置的开关打开时1.4环路的工作过程2/3/2023641.4环路的工作过程环路工作过程示意图(

)2/3/202365环路此过程特点快捕时间快捕入锁所需的时间

快捕入锁的最大固有频差

相位差的变化在鉴相特性一周内就能使环路入锁，此过程称为快捕过程。快捕带1.4环路的工作过程2/3/202366在误差电压变化一周内环路不可能入锁处于上述两者之间()

没有被LF完全抑制开关合上后幅度较小1.4环路的工作过程2/3/202367环路工作过程示意图(

)2/3/202368在频率牵引过程中，一直是交流电压；只有环路入锁后，瞬时频差为0，才为一个直流电压，维持环路锁定。环路此过程的特点

有频率牵引过程，相位差变化一周又一周，使频差减小到快步带内（频率牵引过程），再快捕入锁，整个过程为捕获过程。1.4环路的工作过程2/3/202369捕获时间能使环路进入锁定的最大的固有频差捕获带

由失锁到锁定所需的时间频率牵引过程时间1.4环路的工作过程2/3/202370环路在从失锁到锁定的过程中，VCO振荡频率是如何向输入信号频率靠近？仿真正弦鉴相特性二阶环路的入锁过程，观测环路各点的输出波形。1.4环路的工作过程2/3/202371鉴相器压控振荡器环路滤波器二阶环路的仿真模型2/3/202372正弦鉴相器仿真模型2/3/202373压控振荡器仿真模型2/3/202374二阶环捕获过程中各点仿真波形2/3/202375思考与练习分析分析一阶环路的工作过程二阶环路的工作过程，画出各点波形并用仿真验证。1.4环路的工作过程2/3/202376同步状态

输出、输入信号相位同步锁定状态

输入固定频率信号跟踪状态

输入频率和相位变化的信号失锁状态输出和输入相位不同步捕获状态失锁到同步的中间状态环路的工作状态1.4环路的工作过程2/3/202377在同步状态下

稳态相差

环路锁定后存在的相位差同步带H

维持环路锁定的最大固有频差环路基本性能指标捕获时间捕获带快捕带

在捕获状态下1.4环路的工作过程2/3/202378一阶环的工作过程设输入为固定频率的正弦信号动态方程1.4环路的工作过程2/3/2023790>K环路工