鎖相技術第6章

1、第六章 鎖相環(huán)路的應用,鎖相環(huán)的優(yōu)良特性：,應用： 濾除輸入信號中的噪聲和干擾。 跟蹤輸入信號的載波漂移。 恢復衰落的載波信號。,1. 載波跟蹤特性 選擇合適的環(huán)路參數(shù)，使 頻帶很窄，滿足 時，輸出信號跟蹤輸入信號載波的頻率和相位變化。,2. 調(diào)制跟蹤特性 選擇合適的環(huán)路參數(shù)，使 有合適的帶寬，滿足 時，輸出信號是輸入信號的復制品。,應用：角度調(diào)制信號的調(diào)制器和解調(diào)器。,3. 低門限特性 鎖相環(huán)路能在低輸入信噪比條件下工作，即具有低門限的特性。,應用： 提取淹沒在噪聲中的信號。 對角度調(diào)制解調(diào)時，可以擴展門限。 對數(shù)字信號解調(diào)時，可以降低誤碼率。,本章內(nèi)容：典型的鎖相環(huán)路的應用,6.1 跟蹤濾

2、波器,概念：跟蹤濾波器的中心頻率自動的跟蹤輸入信號載波頻率的變化，但相對帶寬不變。,鎖相環(huán)路可以實現(xiàn)跟蹤濾波,當 時， 是 的復制品。,當 時， 是提純的載波，但有 的相差。,VCO輸出的信號就是經(jīng)過濾波后的輸入信號,一、跟蹤特性的測量,跟蹤特性：環(huán)路 和 瞬時頻率的變化關系。,是線性掃頻信號，它正比于輸入信號的頻率 。,正比于VCO的頻率 。,鎖相環(huán)路的跟蹤特性：,失鎖點,鎖定點,鎖定點,失鎖點,捕獲帶：,同步帶：,二、頻率特性,環(huán)路閉環(huán)頻率響應為：,閉環(huán)振幅頻率響應具有低通特性，它對于 跟蹤 時， 的上限頻率做出了限制。即：,環(huán)路閉環(huán)振幅頻率響應,鎖相環(huán)路對輸入高頻信號的帶通特性是由環(huán)路頻

3、率響應的低通特性所決定的。設輸入信號被正弦音頻信號調(diào)頻，則輸入瞬時頻率為：,當 時， ，所以 實際是疊加到 上的。,做出 的關系圖，就是環(huán)路對輸入信號瞬時頻率 的振幅頻率響應：, 具有帶通濾波特性。帶寬為 。, 由于鎖相環(huán)的跟蹤性能，其中心頻率可以跟蹤輸入信號的載頻，所以理論上的跟蹤帶寬為 。 實際可用的跟蹤范圍為：,6.2 調(diào)制器與解調(diào)器,鎖相環(huán)路可以做任何調(diào)制方式的調(diào)制和解調(diào)器,1. 調(diào)幅信號,一、調(diào)幅信號的調(diào)制與解調(diào),未調(diào)載波：,調(diào)制信號：,幅度歸一化,調(diào)幅已調(diào)波 ：,帶載波的雙邊帶調(diào)幅 DSB-AM,實現(xiàn)方案：,2. 調(diào)制器-用鎖相環(huán)產(chǎn)生調(diào)幅信號,VCO產(chǎn)生載波，不受 的控制。,PD僅

4、作為乘法器，實現(xiàn) 。,若 ，輸出DSB-AM A=0，輸出抑制載波的DSB（平衡調(diào)幅波）,LF不工作。,用鎖相環(huán)實現(xiàn)調(diào)幅時，選擇VCO有正弦波輸出的集成鎖相環(huán)以滿足通信系統(tǒng)的要求。,電路實現(xiàn)：XR-2206構成的AM調(diào)制器,調(diào)整正弦波的失真度,調(diào)整 的直流成分,載波頻率調(diào)整,解調(diào)原理 ：利用同步檢波器實現(xiàn),3. 解調(diào)器-用鎖相環(huán)實現(xiàn)調(diào)幅信號解調(diào),經(jīng)LPF后輸出調(diào)制信號,AM信號的PLL同步解調(diào)原理,AM信號PLL同步解調(diào)電路實現(xiàn)（NE561）,90移相網(wǎng)絡,LF,VCO頻率調(diào)整,二、模擬調(diào)頻和調(diào)相信號的調(diào)制與解調(diào),1. 調(diào)頻與調(diào)相信號,調(diào)制信號：,未調(diào)載波：,調(diào)頻波：,峰值頻偏,調(diào)相波：,峰值

5、相偏,調(diào)頻波和調(diào)相波之間的轉(zhuǎn)換：,調(diào)頻波的瞬時角頻率：,調(diào)頻波的瞬時相位：,調(diào)頻波：,上式是 對 的調(diào)頻波， 也可以看作是 對 的調(diào)相波。,FM與PM的轉(zhuǎn)換,調(diào)頻器,輸出信號是 對 的 調(diào)相波,調(diào)制信號 經(jīng)微分后得：,VCO的瞬時相位為：,調(diào)相波,控制VCO得到輸出瞬時角頻率為：,常數(shù),令 ，則VCO輸出信號可表示為：,2. 調(diào)制器,方法一：VCO直接用作FM調(diào)制器,缺點：VCO振蕩頻率的溫度漂移以及控制特性的非線性等因素，不能產(chǎn)生高質(zhì)量的FM信號。,方法二：采用鎖相環(huán)路實現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)相,根據(jù)鎖相環(huán)線性相位模型可得：,是VCO的輸出角頻率相對于 的頻偏，由于 具有高通特性，只要在 的通帶之內(nèi)，輸

6、出信號頻偏正比于調(diào)制信號的幅度。-調(diào)頻波,調(diào)相波：,輸出信號相位正比于調(diào)制信號的幅度。-調(diào)相波,3. 解調(diào)器,調(diào)制信號：,電路實現(xiàn)：,5G4046實現(xiàn)FM解調(diào)電路,確定振蕩頻率和FM載頻一致,NE562實現(xiàn)FM解調(diào)器電路,三、數(shù)字調(diào)頻和調(diào)相信號的調(diào)制與解調(diào),1. 移頻鍵控（FSK）和移相鍵控（PSK）,2. FSK調(diào)制器的電路實現(xiàn)（XR-215）,PD、LF不使用,VCO頻率設定,FSK輸出,3. FSK解調(diào)器的電路實現(xiàn),方法一： PLL始終對輸入信號的頻率鎖定或跟蹤,XR-215的FSK解調(diào)電路,FSK輸入,輸出整形,NE565的FSK解調(diào)電路,三級LPF,電壓比較器整形,方法二：PLL對F

7、SK信號中的一個頻率鎖定，而對另一個頻率則是失鎖的。利用鎖定指示端獲得解調(diào)信號。,NE567方框圖,FSK輸入,鎖定指示,NE567電話撥號音解碼電路實現(xiàn),6.3 頻率合成,一、概述,1. 概念 頻率合成器是將一個高精確度和高穩(wěn)定度的標準參考頻率，經(jīng)過混頻、倍頻與分頻等對它進行加、減、乘、除的四則運算，最終產(chǎn)生大量的具有同樣精確度和穩(wěn)定度的頻率源。,2. 應用,頻率合成器在雷達、通信、遙控遙測、電視廣播和電子測量儀器等方面得到了廣泛的應用。,3. 頻率合成器的主要技術指標,頻率范圍：頻率合成器的工作頻率范圍。不同的用途有不同的頻率范圍。,頻率間隔 ：頻率合成器輸出的相鄰兩個頻率之間的最小間隔。

8、又稱頻率分辨率。,頻率轉(zhuǎn)換時間 ：頻率合成器輸出頻率轉(zhuǎn)換后，達到穩(wěn)定工作所需的時間。它和采用的的方法有關。,頻率穩(wěn)定度：在規(guī)定的時間間隔內(nèi)，頻率合成器輸出頻率偏離規(guī)定值的量。,和 之間的關系：,工程上可用的經(jīng)驗公式,4. 頻率合成的方法,直接頻率合成：利用混頻器、倍頻器、分頻器和帶通濾波器來完成對頻率的四則運算。,雙混頻分頻模塊：,其中：,優(yōu)缺點：頻率轉(zhuǎn)換速度快，但體積大，成本高，輸出信號中有寄生頻率。,鎖相頻率合成的基本框圖,. 間接頻率合成-應用鎖相環(huán)實現(xiàn)頻率合成,環(huán)路鎖定后：,參考基準頻率，一般由晶體振蕩器構成。,可編程分頻器，N為分頻次數(shù)。,和 有相同的頻率穩(wěn)定度。由于N是可編程的，不

9、同的分頻次數(shù)就有不同的頻率輸出，而且相鄰的兩個頻率之間的頻率增量為 。,比較頻率,. 直接數(shù)字頻率合成,計算機或微處理器根據(jù)某種算法或通過查表獲得所需波形各點的值，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器輸出波形。,二、變模分頻合成器,1. 前置分頻PLL頻率合成器,環(huán)路鎖定后：,問題：,增加前置分頻器，解決了輸出頻率高于程序分頻器的工作頻率的問題，提高了輸出頻率范圍。,解決的辦法：不改變頻率分辨率，同時提高輸出頻率范圍，采用“變模分頻器”。,輸出頻率增量為 ，頻率分辨率降低了。,如果保持原有的頻率分辨率 ，需要使參考頻率降低為 ，同時又使得 增長了V倍。,2. 雙模分頻PLL頻率合成器,是減法計數(shù)的可編程分頻器，且

10、,工作原理：,當 都未計數(shù)到零時，模式控制為“H”，變模分頻器的分頻比為（V+1），其輸出為 。,當 計數(shù)到零時，通過與門使 停止工作，同時模式控制為“L”，變模分頻器的分頻比為V，其輸出為 。此時總共計數(shù)了 個 周期。,經(jīng)過 次計數(shù)后， 計數(shù)器為零，此時又計數(shù)了 個 周期。,總分頻比：,環(huán)路鎖定時：,例：,頻率分辨率為,頻率合成器的頻率分辨率為 ，轉(zhuǎn)換時間不受影響。,總結： 采用雙模分頻器，使可編程分頻器的工作頻率降低為 或 。,為頻率粗調(diào)， 為頻率細調(diào)。,3. 下變頻PLL頻率合成器,標準參考頻率,環(huán)路鎖定時：,采用混頻器，使可編程分頻器的工作頻率降低為 。,調(diào)諧時，只需改變N，就可以搜索

11、到頻段內(nèi)所有的電臺信號。,實例：調(diào)頻收音機中本振信號的產(chǎn)生,FM波段：88-108MHZ；中頻頻率：10.7MHZ；頻段內(nèi)各電臺載頻之間的間隔 。要求采用下變頻PLL頻率合成器產(chǎn)生本振信號，且混頻頻率為90MHZ。,FM收音機本振頻率范圍：98.7-118.7MHZ,合成器需產(chǎn)生的信號 頻率范圍。,三、多環(huán)頻率合成器,1. 后置分頻器的PLL頻率合成器,合成器有較高的頻率分辨率 ，參考頻率 也高，轉(zhuǎn)換時間 小。,問題：輸出頻率低于環(huán)路的工作頻率，有時難以實現(xiàn)。,2. 三環(huán)鎖相頻率合成器,A環(huán)低位環(huán),B環(huán)高位環(huán),C環(huán)相加環(huán),參考頻率,工作原理分析：,A環(huán)：,B環(huán)：,C環(huán)：,討論：,頻率分辨率：A

12、環(huán)1K（細調(diào)）,B環(huán)100K（粗調(diào)）。,頻率轉(zhuǎn)換時間：,實現(xiàn)了高分辨率，高參考頻率，轉(zhuǎn)換時間不變。,四、小數(shù)分頻頻率合成器,分頻原理：利用整數(shù)分頻器實現(xiàn)小數(shù)分頻,若：N=10.5 對輸入頻率進行10分頻和11分頻交替進行，其結果相當于10.5分頻。,推廣：,10次分頻中進行7次5分頻，3次6分頻。,100次分頻中進行65次27分頻，35次28分頻。,五、頻率合成器實例,例1.用MC145106構成的單環(huán)鎖相頻率合成器（民用電臺）,設計要求： 電臺為同頻單工工作方式 各信道之間的頻率間隔為5KHZ 電臺發(fā)射狀態(tài)產(chǎn)生主振載波，26.965-27.405MHZ。 電臺接收狀態(tài)產(chǎn)生第一本機振蕩信號 和

13、第二本機振蕩信號 。,第一中頻 10.695MHZ,第二中頻 455KHZ,26.965 27.405MHZ,混頻1、2采用低本振方式,電路實現(xiàn)： （MC145106）,頻率分辨率：,頻率合成器的發(fā)射和接收狀態(tài)由R/T端控制，對應不同的分頻系數(shù) 。,發(fā)射狀態(tài)：,鎖定時：,由 和合成器輸出頻率混頻后獲得，此時環(huán)路的工作頻率和發(fā)射狀態(tài)不同。,例2. MC145106構成的VHF調(diào)頻電臺（雙環(huán)）,6.4 載波同步,概念：在相干解調(diào)中，接收端需提供一個與發(fā)射端調(diào)制載波同頻同相的相干載波。這個相干載波的提取稱為載波提取或載波同步。,獲得相干載波的方法：,導頻法：發(fā)送端在發(fā)送信號時，在適當位置插入一個載波

14、信號。接收端可用普通濾波器或窄帶鎖相環(huán)提取載波。,直接法：接收端直接從已調(diào)波中提取相干載波。 已調(diào)波中有載波頻譜成分，用普通鎖相環(huán)提取。 已調(diào)波中沒有載波頻譜成分，用特殊鎖相環(huán)提取。,一、平方環(huán),設已調(diào)信號為：,若 中沒有直流分量，則 就是抑制載波的DSB-AM或PSK信號，其中沒有載波頻譜成分。,解決辦法：,若：,可以用鎖相環(huán)提取其中的 成分，分頻后得到,實現(xiàn)方案：,動態(tài)方程,二、同相正交環(huán)（Costas環(huán)）,輸入信號：,VCO輸出信號：,正交支路,同相支路,正交支路：,同相支路：,同相-正交環(huán)和平方環(huán)的比較：,誤差電壓 和平方環(huán)一樣，只是 有差別，因此，平方環(huán)的動態(tài)方程及相位模型完全適應同

15、相-正交環(huán)。,同相-正交環(huán)中的相乘器、LPF和平方環(huán)中的平方器、帶通濾波器的作用可以等效。,同相-正交環(huán)的工作頻率是載波頻率 ，平方環(huán)的工作頻率是 。,6.5 位同步,1. 概念：在通信系統(tǒng)的接收端產(chǎn)生與接收到的碼元重復頻率和相位一致的定時脈沖序列的過程稱為碼元同步或位同步。位同步脈沖用來確定接收端每個碼元的起止時刻。,例：,接收碼元,位同步脈沖序列,2. 產(chǎn)生位同步脈沖的方法,外同步法（插入導頻法）：數(shù)字信號+位同步信號,自同步法：從傳送的數(shù)字信號中提取位同步信號,一、非線性變換濾波法（開環(huán)濾波法）,通過對接收信號的非線性變換，獲得位同步信號的頻譜成分，然后用PLL提取。,利用數(shù)字鎖相環(huán)實現(xiàn) 數(shù)字鎖相環(huán)電路結構簡單，成本低性能好，因此它是實現(xiàn)位同步提取的常用方法。,二、利用特殊設計的鎖相環(huán)實現(xiàn)位同步提取 （閉環(huán)鎖定法）,利用模擬鎖相環(huán)實現(xiàn) 同相-中相位同步環(huán) 早-遲積分清除位同步環(huán),6.5 FM立體聲解碼,立體聲復合信號：,一