锁相技术――张厥盛 第六章

《锁相技术》第6章锁相环路的应用第6章锁相环路的应用第1节跟踪滤波器第2节调制器与解调器第3节频率合成第4节载波同步第5节位同步第6节FM立体声解码第7节彩色副载波同步第8节电动机转速控制第9节锁相接收机第10节其它应用《锁相技术》第6章锁相环路的应用第1节跟踪滤波器跟踪滤波器是一个带通滤波器，其中心频率能自动地跟踪输入信号载波频率的变化。由锁相环路工作原理知道，锁相环路本身就具有这样的性能，只是其输出信号的相位可能(取决于所用鉴相器的类型)与输入信号相位差90°而已。《锁相技术》第6章锁相环路的应用图6-1(b)为输入衰落信号情况下，锁相环路的输入与输出信号的波形。锁相环路作为跟踪滤波器时应从压控振荡器输出uo(t)，在窄带设计条件下它是经过提纯的输入信号载波，可用于信号的相干解调等。《锁相技术》第6章锁相环路的应用图6-1锁相环路跟踪衰落信号《锁相技术》第6章锁相环路的应用根据压控振荡器的特性，它的瞬时振荡频率()()()()()voociocootKutttutKK当环路锁定时，ωv(t)=ωi(t)，因而《锁相技术》第6章锁相环路的应用一、跟踪特性锁相环路的跟踪特性是可以测量的。以CMOS集成锁相环路5G4046构成的跟踪滤波器如图6-2(a)。在电源电压为10V，中心频率fo=100kHz的情况下，用X—Y记录仪直接测得的结果如图6-2(b)。《锁相技术》第6章锁相环路的应用图6-2锁相环路跟踪特性的测量《锁相技术》第6章锁相环路的应用图6-2锁相环路跟踪特性的测量《锁相技术》第6章锁相环路的应用当输入频率下降时得到图中实线，在fi=f3=1208kHz处环路捕获，在fi=f1=41kHz处失锁。由此可算得环路的同步带413211()(161.541)060.252211()(120.872.5)24.1522HpfffkHzfffkHz捕获带《锁相技术》第6章锁相环路的应用二、频率特性锁相环路对输入高频信号的带通特性是由环路传递函数的低通特性所决定的。设输入信号被正弦音频信号调频，则输入瞬时频率为式中ωc是载频；Ω为调制音频；Δω为峰值频偏。根据第一章的定义，输入相位为()sinictt(6-1)1()costt(6-2)《锁相技术》第6章锁相环路的应用只要环路工作在线性范围，环路滤波器的输出uc(t)也是频率为Ω的正弦波，它的幅度为式中H(jΩ)是环路的闭环频率响应；θ1(jΩ)是正弦相位信号θ1(t)的幅度*。根据(6-2)式1()()()cojHjjUjK(6-3)11()()()cojjjK将(6-4)式代入(6-3)式得到(6-4)(6-5)《锁相技术》第6章锁相环路的应用图6-3跟踪滤波器的频率特性《锁相技术》第6章锁相环路的应用图6-3跟踪滤波器的频率特性《锁相技术》第6章锁相环路的应用第2节调制器与解调器一、调幅信号的调制与解调1.调幅信号设未调载波为()sin()sin[]cecFutUtutt式中Uc为载波幅度；ωc为载频。调制信号为(6-6)(6-7)《锁相技术》第6章锁相环路的应用为分析简化，式中信号幅度已经归一。经调幅后产生的调幅信号为()[1()](){sincos[()]cos[()]22AMApcAAccccutmututmmUttt(6-8)《锁相技术》第6章锁相环路的应用2调制器用集成锁相环路很容易构成一个性能良好的AM调制器。这时，环中的相乘器不再作鉴相器应用，而是直接用它的相乘功能；压控振荡器也不再作被控振荡器，而是直接产生载波信号。由此构成如图6-4框图。图6-4AM调制器原理图《锁相技术》第6章锁相环路的应用《锁相技术》第6章锁相环路的应用3解调器常用的AM信号解调器是峰值检波器。这种电路无法抑制信号所伴随的噪声，解调输出信噪比较差。若用同步解调则可抑制噪声，使解调输出信噪比得到改善。设带有载波的DSB—AM信号为(){sincos[)]2cos[)]2AAMoccAcmutUttmt(6-9)《锁相技术》第6章锁相环路的应用图6-6AM信号同步解调的原理图《锁相技术》第6章锁相环路的应用同步的恢复载波为这两个信号相乘即可实现同步解调()sinrcutt(6-10)(){1sincos222sin[(2)]2sin[(2)]2cAdemAcAcAcUmutmttmtmt(6-11)《锁相技术》第6章锁相环路的应用图6-7AM信号的PLL同步解调《锁相技术》第6章锁相环路的应用图6-7AM信号的PLL同步解调《锁相技术》第6章锁相环路的应用二、模拟调频和调相信号的调制与解调1.调频与调相信号仍设幅度为1的单一频率Ω的调制信号uF(t)=sin(Ωt+φ)(6-12)则调频信号为uFM(t)=Ucsin｛［ωc+ΔωuF(t)］t｝(6-13)式中ωc为载频；Uc为载波幅度；Δω为峰值频偏。《锁相技术》第6章锁相环路的应用将(6-12)式代入(6-13)式得uFM(t)=Ucsin｛［ωc*+Δωsin(Ωt+φ)］t｝(6-14)已调信号的幅度为常数，其瞬时频率正比于调制信号。调频信号也可以用频谱来表示。单一频率Ω正弦信号调制的调频信号，其频谱不再像调幅信号那样是三条谱线，而是有无限多的谱线。谱线的频率为ωc±Ω，ωc±2Ω,…，ωc±nΩ，其中n为正整数。第n对谱线的幅度为(设Uc=1)()()()cnnfAnJJm(6-15)《锁相技术》第6章锁相环路的应用调频信号可分为窄带和宽带两类。所谓窄带调频信号是指峰值频偏Δω远小于调制频率Ω，即mf1。这时，只有n=0和n=1的贝塞尔函数有值，调频信号只有三条谱线，其带宽为所谓宽带调频信号是指mf1，有很多谱线。作为一个粗略的近似，可忽略nmf的那些频谱，其带宽可近似为()2FMBHz(6-16)()2FMBHz(6-17)《锁相技术》第6章锁相环路的应用调相信号的特征是其瞬时相位与调制信号成正比，可表示为uPM(t)=Ucsin［ωct+ΔφuF(t)］(6-18)式中Δφ为峰值相偏。若调制信号仍同(6-12)式，则代入(6-18)式得uPM(t)=Ucsin［ωct+Δφsin(Ωt+φ)］(6-19)它的频谱也包含有一组间隔为Ω的谱线。频率为ωc±nΩ的频谱幅度为(设Uc=1)A(ωc±nΩ)=Jn(Δφ)(6-20)《锁相技术》第6章锁相环路的应用图6-8FM与PM的转换《锁相技术》第6章锁相环路的应用每个压控振荡器自身就是一个调频调制器，因为它的瞬时频率正比于输入控制信号。图6-8说明如何将一个调频调制器变换成一个调相调制器。调制信号uF(t)经微分后得式中Td是一个常数。uf(t)控制VCO得到输出瞬时频率为()()FfddututTdt()()()()()FvoodtFooodooodFduttKTdtdutttKTddtKTutVCO的瞬时相位为(6-21)(6-22)《锁相技术》第6章锁相环路的应用令KoTd=Δφ，则VCO输出信号可表示为uo(t)=Ucsin［ωot+ΔφuF(t)］这就是一个载波频率等于VCO自由振荡频率ωo的调相信号，与(6-18)式相同，说明图6-8完成了调频信号与调相信号之间的变换。《锁相技术》第6章锁相环路的应用2调制器压控振荡器可以直接用作FM调制器。但是由于它的振荡频率的温度漂移以及控制特性的非线性等，不能产生高质量的FM信号。应用如图6-9所示的PLL调制器，可以获得FM或PM信号。其载频稳定度很高，可以达到晶体振荡器的频率稳定度。根据环路的线性相位模型，可以导出在调制信号uF(t)作用下，环路的输出相位(以下均用它们的拉普拉斯变换表示)《锁相技术》第6章锁相环路的应用图6-9PLL调制器《锁相技术》第6章锁相环路的应用2()()1()1()()oFoeoFKssUsKFssHsKUss(6-23)VCO输出频率相对于自由振荡频率ωo的频偏即为sθ2(s)。由上式可得2()()()soFssHsKUs(6-24)《锁相技术》第6章锁相环路的应用若要产生PM信号，需使输出相位θ2(s)与调制信号成正比。从(6-23)式可见，若先将调制信号经过微分得到sU′F(s)，再代入(6-23)式，即可得到2()()()soFssHsKUs(6-25)《锁相技术》第6章锁相环路的应用为保证调制器具有同样良好的低频调制特性，可用锁相环路构成一种所谓两点调制的宽带FM调制器，其组成框图如图6-10。图6-10两点调制的宽带FM调制器《锁相技术》第6章锁相环路的应用在环路的线性相位模型上，可以分别计算uF1(t)和uF2(t)的调制作用。uF1(t)产生的输出相位为2111()()()eoFsHsKUss(6-26)uF2(t)产生的输出相位为222()()()pFsHsKUs(6-27)《锁相技术》第6章锁相环路的应用式中Kp是前端调相器的调制增益。总的输出相位为22122121122212212()()()1()()()()()()()()()()1()()[()()()()]()()[()()()()eoFFFFFFFeopFeopsssHsKUsHsUssUsUsGsUsUsGssUsHsKGsHsKGssssUsHsKGsHsKsGs将此代入上式得2()()[()()]FeopssUsHsKHsK(6-28)《锁相技术》第6章锁相环路的应用3.解调器调制跟踪的锁相环路本身就是一个FM解调器，从压控振荡器输入端得到解调输出。系统的框图如图6-11。发射机部分用一PLL集成电路构成，VCO作为FM调制器;PD用一个相乘器，这里用作缓冲放大，只要在另一端加一固定偏置电压即可。接收机是一通用的线性PLL电路。利用PLL良好的调制跟踪特性，使PLL跟踪输入FM信号瞬时相位的变化，从而从VCO控制端获得解调输出。《锁相技术》第6章锁相环路的应用图6-11FM通信系统《锁相技术》第6章锁相环路的应用假设输入FM信号，环路处于线性跟踪状态，且信号载频ωc等于VCO自由振荡频率，则由(6-14)式可得到输入相位10()sin()cos()ttd(6-29)《锁相技术》第6章锁相环路的应用设PLL的闭环频率响应为H(jΩ)，则输出相位为22()()cos{[()]}1()()1()sin{[()]}cootHjtArgHjduttKdtHjtArgHjK(6-30)因而解调输出电压为《锁相技术》第6章锁相环路的应用图6-12几种FM解调器电路《锁相技术》第6章锁相环路的应用图6-12几种FM解调器电路《锁相技术》第6章锁相环路的应用图6-12几种FM解调器电路《锁相技术》第6章锁相环路的应用三、数字调频和调相信号的调制与解调1.数字信号调频与调相最常见的数字调频与调相信号是，二元数据信号的移频键控信号FSK，以及移相键控信号PSK。2.数字调频信号的产生从原理上讲，方波调频与前面讲过的模拟信号调频没有什么本质的不同。这里着重介绍一些适用的实际电路。《锁相技术》第6章锁相环路的应用图6-13FSK信号和PSK信号《锁相技术》第6章锁相环路的应用图6-14FSK调制器《锁相技术》第6章锁相环路的应用3.解调器用PLL解调FSK信号有两种不同的方法。第一种是用一个PLL使其始终对输入信号的频率锁定或跟踪。第二种方法是用一个PLL对FSK信号中的一个频率锁定，而对另一个频率则是失锁的。《锁相技术》第6章锁相环路的应用图6-15XR-215的FSK解调电路《锁相技术》第6章锁相环路的应用图6-16NE560和NE565的FSK解调电路《锁相技术》第6章锁相环路