通信电路与系统-第六章

第六章第六章锁相环路锁相环路第六章第六章锁相环路锁相环路北京理工大学本章主要内容本章主要内容本章主要内容本章主要内容‹6.0反馈控制系统和锁相环路的基本概念‹6.1锁相环路的线性分析‹6.2锁相环路的非线性分析‹6.4锁相环路的应用北京理工大学26.0反馈控制系统与锁相环路‡反馈控制系统：通过比较系统行为(输出)与期望行为(参考)之间的偏差并自动消除偏差以获得预期性能的闭环系统6.0反馈控制系统与锁相环路之间的偏差，并自动消除偏差以获得预期性能的闭环系统偏差检测环节＋偏差调节环节‡在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路合的回路前向通路＋反馈通路‡反馈控制系统原理框图比较器可控设备e(t)比较器可控设备反馈r(t)y(t)北京理工大学36.0反馈控制系统与锁相环路†反馈控制系统的特点6.0反馈控制系统与锁相环路„自动调节系统：若系统输入输出量之间的关系偏离了预定的关系式，比较器将检测并输出相应的误差量，该误差量控制可控设备对输出量进行调节，最后使输入输出量之间接近预定的关系对输出量进行调节，最后使输入输出量之间接近预定的关系„反馈控制系统是依靠误差进行调节的，一般都存在稳态误差，正是这种稳态误差产生的控制量保证了输入、输出信号之间接近预定的关系定的关系†反馈控制系统类型S(t)=Acos(ωt+Ф)S(t)=Acos(ωt+Ф)根据需要比较和调节的参考量不同，反馈控制系统分为三类„自动增益控制（AGC）„自动频率控制（AFC）„锁相环路（PLL）北京理工大学46.0反馈控制系统与锁相环路A.自动增益控制电路高6.0反馈控制系统与锁相环路Vo若输入幅度偏高，则输出幅度变大增益被拉低，输出拉低，从而稳定输出幅度检波控制电压变小从而稳定输出幅度基准电平则检波后电平变大自动增益控制电路种在输信号幅度变化很大的情‡自动增益控制电路是一种在输入信号幅度变化很大的情况下，使输出信号幅度保持基本恒定或仅在较小范围内变化的一种反馈控制电路馈控制电路‡可控增益放大器的增益由控制电压决定，而控制电压由检波电平和基准电平比较产生，AGC通过非线性闭合环路实现北京理工大学5电平和基准电平比较产生，AGC通过非线性闭合环路实现6.0反馈控制系统与锁相环路A.自动增益控制电路6.0反馈控制系统与锁相环路……中放前级ccV+检波1RVbQ2RVbQAGC0V21bQAGC1212ccRRVVVRRRR=+++低通AGC北京理工大学612126.0反馈控制系统与锁相环路6.0反馈控制系统与锁相环路B.自动频率控制电路Vc参考频率调频接收机fIF=fL−fc∆ffcf混频器中频放大器限幅鉴频fIFfLfc鉴频特性S曲线fLfLVc低通滤波本振(VCO)中频处理∆fffVc‡自动频率控制电路是利用频率误差信号的反馈作用去控制振滤波(VCO)∆f=fIF−fIF(normal)VCO调谐曲线‡自动频率控制电路是利用频率误差信号的反馈作用去控制振荡器的频率;误差信号由鉴频器产生，被控部件是压控振荡器(VCO)北京理工大学7(VCO)6.0反馈控制系统与锁相环路鉴相器环路滤波器压控振荡器参考6.0反馈控制系统与锁相环路C.锁相环路鉴相器PD滤波器LPF振荡器VCO参考时钟误差检测环节误差调节环节†工作过程：相位(和频率)自动调整和跟踪的闭合环路‡基本组成：鉴相器环路滤波器和压控振荡器¾参考信号：“无以规矩，不成方圆”¾鉴相器（PD）：“君子日三省乎己”‡基本组成：鉴相器、环路滤波器和压控振荡器¾鉴相器（PD）：君子日三省乎己¾环路滤波（LPF）：“辨材须待七年期”¾压控振荡器（VCO）：“慎独、多退少补”北京理工大学86.0反馈控制系统与锁相环路D.三类反馈控制电路的区别6.0反馈控制系统与锁相环路反馈控制电路需调节量可控设备比较器稳态误差1、AGC自动增益控制增益检波器可控增益放大器电压差2、AFC自动频率控制频率频率鉴频器鉴频器压控振荡器压控振荡器（（VCOVCO））频差频差自动频率控制3、PLL锁相环路相位鉴相器压控振荡器（CO）相差(无频差)锁相环路相位鉴相器（VCO）(无频差)北京理工大学96.0反馈控制系统与锁相环路6.0反馈控制系统与锁相环路E.锁相环路各模块分析鉴相器同频下比相原则¾鉴相器)(teϕ)()()(tttoieϕϕϕ−=对于乘积型鉴相器有)(sin)(tKtvϕ=鉴相灵敏度单位V/dK用代表鉴相器两输入信号的瞬时相位误差，“同频下比相”原则‹鉴相器的等价模型对于乘积型鉴相器，有)(sin)(tKtveddϕ=)()(sintteeϕϕ≈)]()([)()(oiettKtKtvdddϕϕϕ−=≈6)(πϕte鉴相灵敏度，单位V/raddK当则，此时有‹鉴相器的等价模型Kdvd(t))(itϕ+‹鉴相器的功能体现在两方面是比较将输入输出相位相减二)(otϕ−‹鉴相器的功能体现在两方面：一是比较，将输入输出相位相减；二是鉴相，将相位差转换为误差电压，该电压在环路锁定前不断变化，鉴相器对输出频率进行搜索，一旦找到与输入信号相同的频率，鉴相器输出恒定的误差电压，用于保持环路锁定北京理工大学10出恒定的误差电压，用于保持环路锁定6.0反馈控制系统与锁相环路6.0反馈控制系统与锁相环路E.锁相环路各模块分析鉴相器与¾鉴相器滤波器„相位差转换为误差电压，后者校正PLL输出相位误差电压误差电压北京理工大学11误差电压6.0反馈控制系统与锁相环路6.0反馈控制系统与锁相环路E.锁相环路各模块分析环路滤波器†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：第一滤除误差信号中的高频分量¾环路滤波器第一，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，如果系统由于瞬时干扰而失锁，可确保锁相环路迅速重新捕获信号扰而失锁，可确保锁相环路迅速重新捕获信号†环路滤波器分为无源滤波器和有源滤波器，无源滤波由线性元件电阻、电容组成，而有源滤波还包括运算放大器†锁相环路中通常采用三种滤波器电路即无源RC无源比†锁相环路中，通常采用三种滤波器电路，即无源RC、无源比例积分、有源比例积分)(sv环路滤波器的传递函数为：)()()(HdcFsvsvs=()svd环路滤波器)(csv纯线性模块纯线性模块北京理工大学12纯线性模块纯线性模块6.0反馈控制系统与锁相环路R无源RC6.0反馈控制系统与锁相环路E.锁相环路各模块分析环路滤波器C无源RC滤波器¾环路滤波器)(11)(RCssHF=+=ττRC1R2R1RC2R运放有源比例积分滤波器无源比例积分滤波器有源比例积分滤波器121)(ττsssHF+−=1)(1)(212+++=τττSSsHF北京理工大学131τs6.0反馈控制系统与锁相环路6.0反馈控制系统与锁相环路E.锁相环路各模块分析¾压控振荡器†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振荡电路；其振荡频率与控制电压的关系：)(K)(cVCOc0ctvt+=ωω¾压控振荡器的振荡电路；其振荡频率与控制电压的关系：†VCO的输出对鉴相器起作用的不是瞬时角频率而是瞬时相位。当工作于线性控制区时，VCO输出相位：)()(cVCOc0cω∫∫+==ttcodttvtdttt0cVCOc00)(K)()(ωωϕ：压控振荡器的中心角频率或自由振荡频率，即控制电压0时的振荡频率0cωcωω∫∫00即控制电压=0时的振荡频率Cvcv00cω：压控振荡器的调谐增益，即频率随电压变化的关系，单位是rad/s/V或Hz/VVCOK†VCO在锁相环中起了一次积分作用，是环路中的固有积分环节；传输函数为0s/K北京理工大学14数为s/KVCO6.0反馈控制系统与锁相环路6.0反馈控制系统与锁相环路E.锁相环路各模块分析¾压控振荡器„电压控制压变变容管电容，进而控制LC谐振频率电压控制管线性电阻从而控制充放电时间¾压控振荡器„电压控制MOS管线性电阻，从而控制RC充放电时间，进而控制环形振荡器工作频率控制控制电压控制电压北京理工大学6.0反馈控制系统与锁相环路6.0反馈控制系统与锁相环路F.PLL工作原理鉴相器PD环路滤波器LPF压控振荡器VCO)(tvi)(tvo)(tvd)(ctv基本工作原理LPFVCO基本工作原理：„鉴相器比较压控振荡器输出信号与输入信号的相位，并输出正比于相位差的误差电压)(tvd)(tvi)(tvo并输出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，成为压控振荡器的控制电压)(tvd)(tvd)(ctv„在的作用下，VCO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)(ctv北京理工大学166.0反馈控制系统与锁相环路6.0反馈控制系统与锁相环路G.PLL工作状态锁相环路具有两种工作状态：捕获与跟踪VCO控制电压控制电压大信号行为(捕获)小信号行为(跟踪)†过程：频率捕捉Æ相位锁定(捕获)(跟踪)北京理工大学6.0反馈控制系统与锁相环路捕获状态环路由失锁进入锁定的过程6.0反馈控制系统与锁相环路G.PLL工作状态(1)捕获状态──环路由失锁进入锁定的过程开始工作时，环路是失锁的，压控振荡器的频率将向着接近输入信号频率的方向变化，这就是捕获状态频率的方向变化，这就是捕获状态频率捕捉„非线性系统分析方法北京理工大学186.0反馈控制系统与锁相环路(2)跟踪状态6.0反馈控制系统与锁相环路G.PLL工作状态(2)跟踪状态──环路锁定后VCO跟踪输入信号频率与相位的漂移或调制变化的过程相位锁定„线性系统分析方法北京理工大学196.0反馈控制系统与锁相环路6.0反馈控制系统与锁相环路H.PLL学习时注意事项†锁相环路是一种相位反馈控制系统，系统中传递的是相位信息，它的传递函数、频率响应等都是指输出和输入信号间相位（而非信号的电压或电流）的传递函数频信号间相位（而非信号的电压或电流）的传递函数、频率响应锁相环路中控制的是的频率而比较调节的是†锁相环路中控制的是VCO的频率，而比较（调节）的是相位†与其它反馈控制系统一样，环路锁定时一般会存在稳态误差，PLL的稳态误差是输入信号与输出信号的相位误差而输入与输出信号的频率是相等的差，而输入与输出信号的频率是相等的0)()()(=⇒==∫tfdttfteee常数ϕ相差频差北京理工大学20相差频差6.0反馈控制系统与锁相环路6.0反馈控制系统与锁相环路I.PLL的特点†环路锁定时无稳态频差环路锁定†环路锁定时具有频率跟踪特性环路锁定out⎛⎞Nout⎛⎞⋅⎜⎟⎝⎠NMref北京理工大学216.0反馈控制系统与锁相环路†良好的带通滤波特性6.0反馈控制系统与锁相环路I.PLL的特点†良好的带通滤波特性压控＋鉴相器低通滤波压控振荡器＋＋−0BW难以实现易实现fC0000fC易实现¾传统的带通滤波器要得到窄的通频带是很困难的，因为需要很高的Q值；¾而PLL将带通滤波器的通频带转换为低通滤波器的截止频率，极易取得很好的滤波特性。北京理工大学22很好的滤波特性。6.0反馈控制系统与锁相环路†良好的鉴频门限特性恢复的6.0反馈控制系统与锁相环路I.PLL的特点†良好的鉴频门限特性鉴相器环路滤波压控振荡调频波恢复的调制信号鉴频器的门限效应滤波振荡电压-频率映射电压-频率转换鉴频器的门限效应：当鉴频器的输入信噪比降低到一个特定的数值后，其输出信噪比出现急剧恶化的种现象这种门限效应是由鉴输出信噪比恶化的一种现象；这种门限效应是由鉴频器的非线性解调作用引起的。当输出信噪比比原来正常情况低1dB时所对应的输入信噪比为鉴频器的门限值的输入信噪比，为鉴频器的门限值鉴频门限¾锁相环的鉴频门限比一般鉴频电路低4～5dB北京理工大学236.0反馈控制系统与锁相环路压控振荡器6.0反馈控制系统与锁相环路J.PLL的工程实例鉴相器压控振荡器相位偏差检测线性模型参考输出鉴相器环路滤波器线性模型：HF(s)滤波器与参考时钟输出时钟滤波器线性模型K=I/2整数或小数分频器相位偏差调节线性模