第1章 環(huán)路基本原理2011-8-29

朱曉霞amyzhu@32學(xué)時(shí)通信中的同步技術(shù)及其應(yīng)用3/18/20241第一講

概述以及環(huán)路的基本原理3/18/20242新的學(xué)期開始了！希望同學(xué)們靜下心來(lái)！課程有難度！不只為分?jǐn)?shù)！鍛煉自己成長(zhǎng)自己最重要！3/18/20243課程概述3/18/20244高等數(shù)學(xué)概率論

工科基礎(chǔ)課專業(yè)基礎(chǔ)課專業(yè)課電子工程（通信工程）專業(yè)課程結(jié)構(gòu)3/18/20245電子科學(xué)與技術(shù)

（電路與系統(tǒng)通信工程信息工程電磁場(chǎng)科學(xué)與技術(shù)）電路（低頻、高頻、脈沖與數(shù)字、微波）：元器件/連接電磁場(chǎng)（電磁場(chǎng)、微波、天線）：天線與傳播信號(hào)處理（信號(hào)與系統(tǒng)、隨機(jī)信號(hào)分析通信技術(shù)同步技術(shù)）信息的載體信息（編碼、加密解密、協(xié)議計(jì)算機(jī)語(yǔ)言）：信息處理3/18/20246工程應(yīng)用（通信、雷達(dá)、制導(dǎo)、水聲、計(jì)算機(jī)、語(yǔ)音、生物醫(yī)學(xué)、圖象處理、廣播電視……）3/18/20247期末成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)平時(shí)成績(jī):作業(yè)抽查點(diǎn)名課堂回答問(wèn)題

40%期末考試:60%教材：《通信中的同步技術(shù)及應(yīng)用》

清華大學(xué)出版社

季仲梅3/18/20248通信的基本概念通信的目的：傳遞消息中所包含的信息。消息：是物質(zhì)或精神狀態(tài)的一種反映，例如語(yǔ)音、文字、音樂(lè)、數(shù)據(jù)、圖片或活動(dòng)圖像等。信息：是消息中包含的有效內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)通信的方式和手段：非電的：如旌旗、消息樹、烽火臺(tái)…電的：如電報(bào)、電話、廣播、電視、遙控、遙測(cè)、因特網(wǎng)和計(jì)算機(jī)通信等。3/18/20249通信系統(tǒng)：傳遞信息所需的一切技術(shù)設(shè)備的總和。通信系統(tǒng)的基本模型信源和輸入變換器發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備輸出變換器和信宿噪聲及干擾源3/18/202410調(diào)制的概念：控制變換頻譜搬移模擬通信系統(tǒng)模型3/18/202411數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號(hào)來(lái)傳遞信息的通信系統(tǒng)

位同步幀同步時(shí)鐘同步3/18/202412通信信號(hào)的解調(diào)方式：

相干解調(diào)非相干解調(diào)

相干解調(diào)非相干解調(diào)區(qū)別：是否需要載波3/18/202413

同步技術(shù)在通信中的重要性

概述

數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能是由解調(diào)方式?jīng)Q定,采用相干解調(diào)時(shí)接收端需要提供一個(gè)相干載波載波同步與所收到的已調(diào)制載波同頻同相相干載波的獲取就稱為載波同步3/18/202414如：接收信號(hào)在接收端若有低通濾波后就可得到調(diào)制信號(hào)概述

則3/18/202415數(shù)字通信中，信息是一串相繼的碼元序列，接收端解調(diào)判決時(shí)，必須要有一個(gè)抽樣判決定時(shí)脈沖序列，它要和接收碼元的終止時(shí)刻對(duì)齊。接收端產(chǎn)生與接收到的碼元重復(fù)頻率和相位一致的定時(shí)脈沖序列過(guò)程稱為碼元同步或位同步。位同步概述

3/18/202416二進(jìn)制數(shù)字信息：100101102DPSK信號(hào)相位：0π00ππ0π00

或π0ππ000π0ππ3/18/2024173/18/202418群同步或幀同步

數(shù)字通信中，信息是以若干個(gè)碼元組成一個(gè)“字”，又用若干個(gè)“字”組成一句。接收端為了正確恢復(fù)信息，需要產(chǎn)生與“字”、“句”起止時(shí)刻相一致的定時(shí)脈沖序列。產(chǎn)生此定時(shí)脈沖序列的過(guò)程稱為群同步或幀同步。

概述

3/18/202419網(wǎng)同步整個(gè)通信網(wǎng)內(nèi)要有統(tǒng)一的時(shí)間節(jié)拍擴(kuò)頻碼同步在擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)中，接收端為了能正確恢復(fù)信息碼元，產(chǎn)生用于解擴(kuò)的偽隨機(jī)碼必須與發(fā)送端的偽隨機(jī)碼同步。

概述

3/18/202420如何實(shí)現(xiàn)同步？

首先要掌握同步技術(shù)用同步技術(shù)解決通信中的同步問(wèn)題概述

同步系統(tǒng)性能的降低，會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)性能的降低，甚至使通信系統(tǒng)不能工作。為了保證信息的可靠傳輸，要求同步系統(tǒng)應(yīng)有更高的可靠性。3/18/202421同步信號(hào)的獲取方式同步也是一種信息，按照傳輸同步信息方式的不同，可分為外同步法和自同步法。外同步法由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息，接收端把這個(gè)專門的同步信息檢測(cè)出來(lái)作為同步信號(hào)的方法，稱為外同步法。自同步法發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息，接收端設(shè)法從收到的信號(hào)中提取同步信息的方法，稱為自同步法。3/18/202422鎖相環(huán)------同步技術(shù)的核心部件

環(huán)路的組成、工作原理、

環(huán)路的性能分析數(shù)字鎖相環(huán)

奈奎斯特型數(shù)字鎖相環(huán)課程內(nèi)容概述

3/18/202423載波同步

平方環(huán)、同相—正交環(huán)、判決反饋環(huán)自動(dòng)頻率控制、開環(huán)載波頻偏估計(jì)法

符號(hào)同步方法

早—遲門鎖相環(huán)法、數(shù)字插值法

擴(kuò)頻碼同步

全數(shù)字非相干延遲擴(kuò)頻碼跟蹤環(huán)

概述

3/18/202424第1章鎖相環(huán)的基本工作原理主要內(nèi)容1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成1.2環(huán)路工作原理與相位模型1.3環(huán)路動(dòng)態(tài)方程1.4環(huán)路的工作過(guò)程1.5環(huán)路的基本部件3/18/202425鎖相環(huán)（PLL）

完成兩個(gè)信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制系統(tǒng)

Phase-LockedLoop1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成3/18/202426相位同步鎖相環(huán)是實(shí)現(xiàn)相位同步的自動(dòng)控制系統(tǒng)兩個(gè)信號(hào)的頻率相等相位差為0或?yàn)橐恍〕?shù)稱這兩個(gè)信號(hào)相位同步鎖相環(huán)如何實(shí)現(xiàn)相位同步？1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成3/18/202427設(shè)輸入信號(hào)接收端本振信號(hào)1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成當(dāng)

稱輸入信號(hào)與本振信號(hào)相位完全一致或基本一致時(shí)什么是相位同步？3/18/202428

鎖相環(huán)的組成部件

鑒相器

(PD)Phasedetector

環(huán)路濾波器

(LF)Loopfilter

壓控制振蕩器

(VCO)Voltage-controlledoscillator1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成3/18/202429組成框圖描述

鎖相環(huán)的組成框圖輸入信號(hào)電壓與輸出信號(hào)電壓之間的完整關(guān)系1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成3/18/202430比較輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相位并將相位誤差轉(zhuǎn)換成誤差信號(hào)

反映相位誤差的大小和極性

環(huán)路各部件的作用鑒相器

(PD)

1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成3/18/202431LF是一個(gè)低通濾波器濾除高次諧波和噪聲穩(wěn)定校正改善動(dòng)態(tài)品質(zhì)因素環(huán)路濾波器

(LF)

1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成3/18/202432壓控制振蕩器

(VCO)振蕩頻率受電壓控制的振蕩器為控制電壓為瞬時(shí)振蕩頻率

如壓控特性曲線1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成3/18/202433隨的變化而變化并將頻率的變化轉(zhuǎn)換成相位的變化稱為VCO的固有振蕩頻率當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成3/18/202434基本概念設(shè)環(huán)路輸入信號(hào)、輸出信號(hào)為

的瞬時(shí)相位的瞬時(shí)相位1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成3/18/202435不同步瞬時(shí)相位差輸入信號(hào)相位與輸出信號(hào)相位當(dāng)環(huán)路沒(méi)工作時(shí)隨著時(shí)間的增加而增大1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成3/18/202436能使輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的頻差為0相位誤差為0或?yàn)橐粋€(gè)小的常數(shù)實(shí)現(xiàn)了相位同步此時(shí)環(huán)路的狀態(tài)稱為同步狀態(tài)當(dāng)環(huán)路工作時(shí)1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成3/18/202437當(dāng)輸入固定頻率信號(hào)時(shí)，環(huán)路的同步狀態(tài)，稱為鎖定狀態(tài)或稱為相位鎖定。

輸出信號(hào)相位鎖定在輸入信號(hào)相位上這種同步控制系統(tǒng)稱為PLL鎖相環(huán)1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成3/18/202438環(huán)路鎖定后，當(dāng)輸入信號(hào)頻率或相位發(fā)生變化時(shí)，環(huán)路便自動(dòng)調(diào)節(jié)，使輸出信號(hào)頻率或相位隨之而發(fā)生變化。也稱為相位同步

在整過(guò)變化過(guò)程中

1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成3/18/202439鎖定狀態(tài)是一個(gè)靜態(tài)的相位同步狀態(tài)跟蹤狀態(tài)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的相位同步狀態(tài)

輸入信號(hào)頻率緩慢變化時(shí)，環(huán)路維持相位同步稱為跟蹤狀態(tài)。

分析鎖相環(huán)是如何實(shí)現(xiàn)相位同步？要建立環(huán)路的功能（相位）模型1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成3/18/202440

環(huán)路基本部件功能模型函數(shù)關(guān)系有PD的結(jié)構(gòu)決定反映PD特性相位誤差1.2環(huán)路工作原理與相位模型由PD功能可得：誤差電壓鑒相器的功能模型3/18/202441正弦鑒相特性PD的功能模型設(shè)結(jié)構(gòu)和原理1.2環(huán)路工作原理與相位模型結(jié)構(gòu)圖3/18/202442稱為輸入信號(hào)以為基準(zhǔn)的瞬時(shí)相位其中令乘法系數(shù)1.2環(huán)路工作原理與相位模型3/18/202443

稱為環(huán)路的固有頻率差其中令1.2環(huán)路工作原理與相位模型3/18/202444為相位誤差令為乘法器輸出信號(hào)的幅度1.2環(huán)路工作原理與相位模型3/18/202445

數(shù)學(xué)模型

相位模型

鑒相特性曲線1.2環(huán)路工作原理與相位模型3/18/202446數(shù)學(xué)模型功能模型環(huán)路濾波器（LF）由LF的結(jié)構(gòu)決定1.2環(huán)路工作原理與相位模型3/18/202447

VCO的相位模型0控制靈敏度（選擇線性段工作）1.2環(huán)路工作原理與相位模型3/18/202448

相位模型

數(shù)學(xué)模型1.2環(huán)路工作原理與相位模型3/18/202449環(huán)路的相位模型（功能模型）

環(huán)路的相位模型反映了輸入瞬時(shí)相位

與輸出瞬時(shí)相位之間的關(guān)系是一個(gè)相位負(fù)反饋控制系統(tǒng)1.2環(huán)路工作原理與相位模型3/18/202450環(huán)路工作原理

PD鑒別出輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相位差，并將相位差轉(zhuǎn)換成誤差電壓；誤差電壓經(jīng)LF濾波后得到控制電壓；控制電壓控制VCO的振蕩頻率，使其向輸入信號(hào)的頻率靠攏，最終使得輸出信號(hào)頻率和輸入信號(hào)頻率相等，相位差為0或?yàn)橐粋€(gè)小常數(shù)，實(shí)現(xiàn)相位同步。1.2環(huán)路工作原理與相位模型3/18/202451

1.3環(huán)路動(dòng)態(tài)方程為環(huán)路增益因子單位

rad/s

或

Hz環(huán)路動(dòng)態(tài)方程

動(dòng)態(tài)方程（數(shù)學(xué)模型）3/18/202452當(dāng)時(shí)，動(dòng)態(tài)方程是一階稱此環(huán)路為一階環(huán)環(huán)路動(dòng)態(tài)方程是非線性微分方程

環(huán)路的階數(shù)等于LF的階數(shù)+1

1.3環(huán)路動(dòng)態(tài)方程非線性來(lái)源于PD方程的階數(shù)取決于LF的階數(shù)3/18/202453動(dòng)態(tài)方程的物理意義稱為固有頻差設(shè)稱在的控制下產(chǎn)生的控制頻差稱為瞬時(shí)頻差

1.3環(huán)路動(dòng)態(tài)方程3/18/202454瞬時(shí)頻差

=

固有頻差

-

控制頻差

1.3環(huán)路動(dòng)態(tài)方程3/18/202455環(huán)路剛開始工作時(shí)，瞬時(shí)頻差=固有頻差環(huán)路進(jìn)入鎖定時(shí)，瞬時(shí)頻差為0

控制頻差=固有頻差維持鎖定的相位差，稱為穩(wěn)態(tài)相差動(dòng)態(tài)方程適用于環(huán)路鎖定和失鎖的情況，它描述了環(huán)路的整個(gè)過(guò)程。

1.3環(huán)路動(dòng)態(tài)方程3/18/202456例題：已知正弦鑒相特性的一階環(huán)，鑒相器輸出最大電壓VCO的控制靈敏度固有振蕩角頻率問(wèn)：當(dāng)環(huán)路鎖定所需的控制電壓

穩(wěn)態(tài)相位誤差

1.3環(huán)路動(dòng)態(tài)方程3/18/202457一階環(huán)

控制電壓

環(huán)路鎖定時(shí)，瞬時(shí)頻差為0

解：環(huán)路增益

1.3環(huán)路動(dòng)態(tài)方程3/18/202458小結(jié)（重點(diǎn)掌握內(nèi)容）環(huán)路動(dòng)態(tài)方程環(huán)路相位模型環(huán)路基本工作原理3/18/202459VCO的振蕩頻率為什么向輸入信號(hào)頻率靠近？又如何靠近？不論輸入信號(hào)頻率為何值環(huán)路都能鎖定？深入理解3/18/202460設(shè)輸入為固定頻率正弦信號(hào)1.4環(huán)路的工作過(guò)程

當(dāng)開關(guān)打開時(shí)

3/18/202461環(huán)路參數(shù)確定后環(huán)路能否鎖定取決于固有頻差的大小由動(dòng)態(tài)方程可知1.4環(huán)路的工作過(guò)程3/18/202462很大開關(guān)合上后

加到VCO上的

VCO的振蕩頻率仍為固有振蕩頻率PD輸出仍然是一個(gè)對(duì)稱的差拍波環(huán)路不能鎖定

是一個(gè)對(duì)稱的差拍波且被LF完全抑制特點(diǎn)：誤差電壓1.4環(huán)路的工作過(guò)程3/18/202463較?。ǎ?/p>

在LF的通帶之內(nèi)開關(guān)合上后幅度較大在環(huán)路中所設(shè)置的開關(guān)打開時(shí)1.4環(huán)路的工作過(guò)程3/18/2024641.4環(huán)路的工作過(guò)程環(huán)路工作過(guò)程示意圖(

)3/18/202465環(huán)路此過(guò)程特點(diǎn)快捕時(shí)間快捕入鎖所需的時(shí)間

快捕入鎖的最大固有頻差

相位差的變化在鑒相特性一周內(nèi)就能使環(huán)路入鎖，此過(guò)程稱為快捕過(guò)程?？觳稁?.4環(huán)路的工作過(guò)程3/18/202466在誤差電壓變化一周內(nèi)環(huán)路不可能入鎖處于上述兩者之間()

沒(méi)有被LF完全抑制

開關(guān)合上后幅度較小1.4環(huán)路的工作過(guò)程3/18/202467環(huán)路工作過(guò)程示意圖(

)3/18/202468在頻率牽引過(guò)程中，一直是交流電壓；只有環(huán)路入鎖后，瞬時(shí)頻差為0，才為一個(gè)直流電壓，維持環(huán)路鎖定。環(huán)路此過(guò)程的特點(diǎn)

有頻率牽引過(guò)程，相位差變化一周又一周，使頻差減小到快步帶內(nèi)（頻率牽引過(guò)程），再快捕入鎖，整個(gè)過(guò)程為捕獲過(guò)程。1.4環(huán)路的工作過(guò)程3/18/202469捕獲時(shí)間能使環(huán)路進(jìn)入鎖定的最大的固有頻差捕獲帶

由失鎖到鎖定所需的時(shí)間頻率牽引過(guò)程時(shí)間1.4環(huán)路的工作過(guò)程3/18/202470環(huán)路在從失鎖到鎖定的過(guò)程中，VCO振蕩頻率是如何向輸入信號(hào)頻率靠近？仿真正弦鑒相特性二階環(huán)路的入鎖過(guò)程，觀測(cè)環(huán)路各點(diǎn)的輸出波形。1.4環(huán)路的工作過(guò)程3/18/202471鑒相器壓控振蕩器環(huán)路濾波器二階環(huán)路的仿真模型3/18/202472正弦鑒相器仿真模型3/18/202473壓控振蕩器仿真模型3/18/202474二階環(huán)捕獲過(guò)程中各點(diǎn)仿真波形3/18/202475思考與練習(xí)分析分析一階環(huán)路的工作過(guò)程二階環(huán)路的工作過(guò)程，畫出各點(diǎn)波形并用仿真驗(yàn)證。1.4環(huán)路的工作過(guò)程3/18/202476同步狀態(tài)

輸出、輸入信號(hào)相位同步鎖定狀態(tài)

輸入固定頻率信號(hào)跟蹤狀態(tài)

輸入頻率和相位變化的信號(hào)失鎖狀態(tài)輸出和輸入相位不同步捕獲狀態(tài)失鎖到同步的中間狀態(tài)環(huán)路的工作狀態(tài)1.4環(huán)路的工作過(guò)程3/18/202477在同步狀態(tài)下

穩(wěn)態(tài)相差

環(huán)路鎖定后存在的相位差同步帶

H

維持環(huán)路鎖定的最大固有頻差環(huán)路基本性能指標(biāo)捕獲時(shí)間捕獲帶快捕帶

在捕獲狀態(tài)下1.4環(huán)路的工作過(guò)程3/18/202478一階環(huán)的工作過(guò)程設(shè)輸入為固定頻率的正弦信號(hào)動(dòng)態(tài)方程1.4環(huán)路的工作過(guò)程3/18/202479

0>K環(huán)路工作過(guò)程示意圖可見環(huán)路一周內(nèi)不