锁相技术 全套课件（上）.pptx

高等学校应用型“十二五”规划教材 · 通信类锁 相 技 术 (第二版)郑继禹 张厥盛 万心平 郑霖 编著西 安 电 子 科 技 大 学 出 版 社目 录 第1章.ppt第一章　锁相环路的基本工作原理第2章.ppt第二章　环路跟踪性能第3章.ppt第三章　环路噪声性能第4章.ppt第四章　环路捕获性能第5章.ppt第五章　数字锁相环第6章.ppt第六章　集成锁相环路第7章.ppt第七章　锁相频率合成第8章.ppt第八章　数字通信中的锁相同步环路第9章.ppt第九章　锁相环应用综合第10章.ppt第十章　锁相环仿真第一章 锁相环路的基本工作原理第一节　锁定与跟踪的概念第二节　环路组成第三节　环路的动态方程第四节　一阶锁相环路的捕获、 锁定与失锁习题　第一节　锁定与跟踪的概念　锁相环路(PLL)是一个相位跟踪系统, 方框表示如图 1-1所示。设输入信号 ui(t)=Ui sin［ωit+θi(t)］(1-1)图 1-1　相位跟踪系统框图(a) 电压信号图；(b) 相位表示图　　若输入信号是未调载波, θi(t)即为常数, 是ui(t)的初始相位；若输入信号是角调制信号(包括调频调相), θi(t)即为时间的函数。　设输出信号　uo(t)=Uo cos［ωot+θo(t)］(1-2)一、相位关系的描述　从图上可以得到两个信号的瞬时相位之差　　qe(t)=［wit+qi(t)］－［wot+qo(t)］　=(wi－wo)t+qi(t)－qo(t)　(1-3) 图 1-2　输入信号和输出信号的相位关系(a) 绝对相位表示；(b) 相对相位表示　前面已经说到, 被控振荡器的自由振荡角频率wo是系统的一个重要参数, 它的载波相位wot可以作为一个参考相位。这样一来, 输入信号的瞬时相位可以改写为　(1-4)令(1-5)为输入信号频率与环路自由振荡频率之差, 称为环路的固有频差。　再令　(1-6)为输入信号以ωot为参考的瞬时相位, 因此, (1-4)式可以改写为　(1-7)　同理, 输出信号的瞬时相位可以改写为 (1-8) (1-9)　将(1-6)式和(1-9)式代入(1-3)式, 得到环路的瞬时相位差　(1-10)　应用上述描述方法, 矢量图可以画成图1-2(b)所示形式。系统的瞬时相位差θe(t)=θ1(t)－θ2(t)，瞬时频差 　(1-11)二、捕获过程　从输入信号加到锁相环路的输入端开始, 一直到环路达到锁定的全过程, 称为捕获过程。一般情况, 输入信号频率wi与被控振荡器自由振荡频率wo不同, 即两者之差Dwo≠0。若没有相位跟踪系统的作用, 两信号之间相差将随时间不断增长。图 1-3　捕获过程中瞬时相差与瞬时频差的典型时间图(a) 瞬时相差时间图；(b) 瞬时频差时间图三、锁定状态　捕获状态终了, 环路的状态稳定在　下面讨论环路输入固定频率信号, 即dqi(t)／dt=0时的特殊情况。这是环路分析中经常遇到的一种情况。此时式中qi为常数, 是输入信号的起始相位。而　当环路经捕获过程进入同步之后, 据(1-12)式, 输出信号的瞬时相位qo(t)和瞬时频偏(t)应满足下述关系：将此式代入输出信号表达式(1-2), 得　由上述可知, 在输入固定频率信号的条件之下, 环路进入同步状态后, 输出信号与输入信号之间频差等于零, 相差等于常数, 即　 (1-13)四、环路的基本性能要求　如上所述, 环路有两种基本的工作状态。　其一是捕获过程。评价捕获过程性能有两个主要指标。一个是环路的捕获带Dwp, 即环路能通过捕获过程而进入同步状态所允许的最大固有频差|Dwo|max。若DwoDwp, 环路就不能通过捕获进入同步状态。故 (1-14)另一个指标是捕获时间Tp, 它是环路由起始时刻t0到进入同步状态的时刻ta之间的时间间隔, 即 (1-15)　第二节　环 路 组 成　　锁相环路为什么能够进入相位跟踪, 实现输出与输入信号的同步呢？因为它是一个相位的负反馈控制系统。这个负反馈控制系统是由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和电压控制振荡器(VCO)三个基本部件组成的, 基本构成如图 1-4所示。 图 1-4　锁相环路的基本构成一、鉴相器　鉴相器是一个相位比较装置, 用来检测输入信号相位q1(t)与反馈信号相位q2(t)之间的相位差qe(t)。输出的误差信号ud(t)是相差qe(t)的函数, 即 ud(t)=f［qe(t)］图 1-5　正弦鉴相器及其模型(a) 电压模型；(b) 相位模型　设相乘器的相乘系数为Km［单位为1／V］, 输入信号ui(t)与反馈信号uo(t)经相乘作用　再经过低通滤波器(LPF)滤除2wo成分之后, 得到误差电压　令 (1-16)为鉴相器的最大输出电压, 则　(1-17)这就是正弦鉴相