锁相技术课件.ppt

第二级,第三级,第四级,第五级,锁相,技术,第,6,章 锁相环路的应用,第六章 锁相环路的应用,锁相环的优良特性：,应用：滤除输入信号中的噪声和干扰。,跟踪输入信号的载波漂移。,恢复衰落的载波信号。,1.,载波跟踪特性,选择合适的环路参数，使 频带很窄，满足 时，输出信号跟踪输入信号,载波,的频率和相位变化。,2.,调制跟踪特性,选择合适的环路参数，使 有合适的带宽，满足 时，输出信号是输入信号的复制品。,应用：角度调制信号的调制器和解调器。,3.,低门限特性,锁相环路能在低输入信噪比条件下工作，即具有低门限的特性。,应用：提取淹没在噪声中的信号。,对角度调制解调时，可以扩展门限。,对数字信号解调时，可以降低误码率。,本章内容：典型的锁相环路的应用,6.1,跟踪滤波器,概念：跟踪滤波器的中心频率自动的跟踪输入信号载波频率的变化，但相对带宽不变。,锁相环路可以实现跟踪滤波,当 时，是 的复制品。,当 时，是提纯的载波，但有 的相差。,VCO,输出的信号就是经过滤波后的输入信号,一、跟踪特性的测量,跟踪特性：环路 和 瞬时频率的变化关系。,是线性扫频信号，它正比于输入信号的频率 。,正比于,VCO,的频率 。,锁相环路的跟踪特性：,失锁点,锁定点,锁定点,失锁点,捕获带：,同步带：,二、频率特性,环路闭环频率响应为：,闭环振幅频率响应具有低通特性，它对于 跟踪 时，的上限频率做出了限制。即：,环路闭环振幅频率响应,锁相环路对输入高频信号的,带通特性,是由环路频率响应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：,载频,为峰值频偏,当 时，所以 实际是叠加到 上的。,做出 的关系图，就是环路对输入信号瞬时频率 的振幅频率响应：,具有带通滤波特性。带宽为 。,-3dB,点,由于锁相环的跟踪性能，其中心频率可以跟踪输入信号的载频，所以理论上的跟踪带宽为 。,实际可用的跟踪范围为：,6.2,调制器与解调器,锁相环路可以做任何调制方式的调制器和解调器,1.,调幅信号,一、调幅信号的调制与解调,未调载波：,调制信号：,幅度归一化,调幅已调波,：,为调幅指数,载波下边带,上边带,带载波的双边带调幅,DSB-AM,单边带调幅,SSB-AM,残留边带调幅,VSB-AM,抑制载波的双边带调幅,实现方案：,2.,调制器,-,用锁相环产生调幅信号,VCO,产生载波，不受 的控制。,PD,仅作为乘法器，实现 。,若,，,输出,DSB-AM,A=0,，,输出抑制载波的,DSB,（,平衡调幅波）,LF,不工作。,用锁相环实现调幅时，选择,VCO,有正弦波输出的集成锁相环以满足通信系统的要求。,电路实现：,XR-2206,构成的,AM,调制器,调整正弦波的失真度,调整 的直流成分,载波频率调整,解调原理：利用同步检波器实现,3.,解调器,-,用锁相环实现调幅信号解调,LPF,调制信号成分,载波的二次谐波,经,LPF,后输出调制信号,AM,信号的,PLL,同步解调原理,AM,信号,PLL,同步解调电路实现（,NE561,）,90,度移相,90,移相网络,LF,VCO,频率调整,二、模拟调频和调相信号的调制与解调,1.,调频与调相信号,调制信号：,未调载波：,调频波：,峰值频偏,瞬时频率正比于调制信号,调相波：,峰值相偏,瞬时相位正比于调制信号,调频波和调相波之间的转换：,调频波的瞬时角频率：,调频波的瞬时相位：,调频波：,上式是 对 的调频波，,也可以看作是 对 的调相波。,FM,与,PM,的转换,调频器,输出信号是 对 的 调相波,调制信号 经微分后得：,VCO,的瞬时相位为：,调相波,控制,VCO,得到输出瞬时角频率为：,常数,令,，则,VCO,输出信号可表示为：,2.,调制器,方法一：,VCO,直接用作,FM,调制器,VCO,缺点：,VCO,振荡频率的温度漂移以及控制特性的非线性等因素，不能产生高质量的,FM,信号。,方法二：采用锁相环路实现调频、调相,根据锁相环线性相位模型可得：,是,VCO,的输出角频率相对于 的频偏，由于 具有高通特性，只要在 的通带之内，输出信号频偏正比于调制信号的幅度。,-,调频波,调相波：,对调制信号先微分再调频,输出信号相位正比于调制信号的幅度。,-,调相波,3.,解调器,调制信号：,电路实现：,5G4046,实现,FM,解调电路,确定振荡频率和,FM,载频一致,NE562,实现,FM,解调器电路,三、数字调频和调相信号的调制与解调,1.,移频键控（,FSK,）,和移相键控（,PSK,）,2.FSK,调制器的电路实现（,XR-215,）,PD,、,LF,不使用,VCO,频率设定,FSK,输出,3.FSK,解调器的电路实现,方法一：,PLL,始终对输入信号的频率锁定或跟踪,XR-215,的,FSK,解调电路,FSK,输入,输出整形,NE565,的,FSK,解调电路,三级LPF,电压比较器整形,方法二：,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。利用锁定指示端获得解调信号。,NE567,方框图,FSK,输入,锁定指示,NE567,电话拨号音解码电路实现,6.3,频率合成,一、概述,1.,概念,频率合成器,是将一个高精确度和高稳定度的标准参考频率，经过混频、倍频与分频等对它进行加、减、乘、除的四则运算，最终产生大量的具有同样精确度和稳定度,的,频率源,。,2.,应用,频率合成器在雷达、通信、遥控遥测、电视广播和电子测量仪器等方面得到了广泛的应用。,3.,频率合成器的主要技术指标,频率范围：频率合成器的工作频率范围。不同的用途有不同的频率范围。,频率间隔 ：频率合成器输出的相邻两个频率之间的最小间隔。又称频率分辨率。,频率转换时间 ：频率合成器输出频率转换后，达到稳定工作所需的时间。它和采用的的方法有关。,频率稳定度：在规定的时间间隔内，频率合成器输出频率偏离规定值的量。,和 之间的关系：,工程上可用的经验公式,4.,频率合成的方法,直接频率合成：,利用混频器、倍频器、分频器和带通滤波器来完成对频率的四则运算。,双混频,分频模块：,其中：,优缺点：频率转换速度快，但体积大，成本高，输出信号中有寄生频率。,锁相频率合成的基本框图,.,间接频率合成,-,应用锁相环实现频率合成,环路锁定后：,参考基准频率，一般由晶体振荡器构成。,可,编程分频器，,N,为分频次数。,和 有相同的频率稳定度。由于,N,是可编程的，不同的分频次数就有不同的频率输出，而且相邻的两个频率之间的频率增量为 。,比较频率,.,直接数字频率合成,计算机或微处理器根据某种算法或通过查表获得所需波形各点的值，经过,D/A,转换器输出波形。,计算机,/,微处理器,D/A,二、变模分频合成器,1.,前置分频,PLL,频率合成器,环路锁定后：,问题：,增加前置分频器，解决了输出频率高于程序分频器的工作频率的问题，提高了输出频率范围。,解决的办法：不改变频率分辨率，同时提高输出频率范围，采用“,变模分频器,”。,输出频率增量为 ，频率分辨率降低了。,如果保持原有的频率分辨率 ，需要使参考频率降低为 ，同时又使得 增长了,V,倍。,2.,双模分频,PLL,频率合成器,模式控制,=H V+1,模式控制,=L V,是减法计数的可编程分频器，且,工作原理：,当 都未计数到零时，模式控制为“,H”,，,变模分频器的分频比为（,V+1,），,其输出为 。,当 计数到零时，通过与门使 停止工作，同时模式控制为“,L”,，,变模分频器的分频比为,V,，,其输出为 。,此时总共计数了 个 周期,。,经过 次计数后，计数器为零，,此时又计数了 个 周期,。,总,分频比：,环路锁定时：,例：,频率分辨率为,频率合成器的频率分辨率为 ，转换时间不受影响。,总结：,采用双模分频器，使可编程分频器的工作频率降低为 或 。,为频率粗调，,为频率细调。,3.,下变频,PLL,频率合成器,标准参考频率,环路锁定时：采用混频器，使可编程分频器的工作频率降低为,。,调谐时，只需改变,N,，,就可以搜索到频段内所有的电台信号。,实例：调频收音机中,本振信号,的产生,FM,波段：,88-108MHZ,；,中频频率：,10.7MHZ,；,频段内各电台载频之间的间隔 。要求采用下变频,PLL,频率合成器产生本振信号，且混频频率为,90MHZ,。,FM,收音机本振频率范围：,98.7-118.7MHZ,合成器需产生的信号,频率范围。,三、多环频率合成器,1.,后置分频器的,PLL,频率合成器,合成器有较高的频率分辨率 ，参考频率 也高，转换时间 小。,问题：输出频率低于环路的工作频率，有时难以实现。,2.,三环锁相频率合成器,A,环低位环,B,环高位环,C,环相加环,参考频率,工作原理分析：,A,环：,B,环：,C,环：,讨论：,频率分辨率：,A,环,1K,（,细调）,B,环,100K,（,粗调）。,频率转换时间：,实现了高分辨率，高参考频率，转换时间不变。,四、小数分频频率合成器,分频原理：利用整数分频器实现小数分频,若：,N=10.5,对输入频率进行,10,分频和,11,分频交替进行，其结果相当于,10.5,分频。,推广：,10,次分频中进行,7,次,5,分频，,3,次,6,分频。,100,次分频中进行,65,次,27,分频，,35,次,28,分频。,五、频率合成器实例,例,1.,用,MC145106,构成的单环锁相频率合成器,（,民用电台,）,设计要求：,电台为同频单工工作方式,各信道之间的频率间隔为,5KHZ,电台发射状态产生,主振载波,，,26.965-27.405MHZ,。,电台接收状态产生,第一本机振荡信号,和,第二本机振荡信号,。,混频,1,混频,2,第一中频,10.695MHZ,第二中频,455KHZ,26.965,27.405MHZ,混频,1,、,2,采用低本振方式,电路实现,：（,MC145106,）,频率分辨率：,频率合成器的发射和接收状态由,R/T,端控制，对应不同的分频系数 。,发射状态：,锁定时：,接收状态：,（,参考频率直接得到）,由 和合成器输出频率混频后获得，此时环路的工作频率和发射状态不同。,例,2.MC145106,构成的,VHF,调频电台（双环）,6.4,载波同步,概念：在相干解调中，接收端需提供一个与发射端调制载波同频同相的,相干载波,。这个相干载波的提取称为载波提取或载波同步。,获得相干载波的方法：,导频法：发送端在发送信号时，在适当位置插入一个载波信号。接收端可用普通滤波器或窄带锁相环提取载波。,直接法：接收端直接从已调波中提取相干载波。,已调波中有载波频谱成分，用普通锁相环提取。,已调波中没有载波频谱成分，用特殊锁相环提取。,一、平方环,设已调信号为：,若 中没有直流分量，则 就是抑制载波的,DSB-AM,或,PSK,信号，其中没有载波频谱成分。,解决办法：,是,2PSK,信号,若：,成分,可以用锁相环提取其中的 成分，分频后得到,实现方案：,输入、输出信号的瞬时相位,动态方程,二、同相,正交环,（,Costas,环）,输入信号：,VCO,输出信号：,正交支路,同相支路,正交支路：,LPF,同相支路：,LPF,同相,-,正交环和平方环的比较：,误差电压 和平方环一样，只是 有差别，因此，平方环的动态方程及相位模型完全适应同相,-,正交环。,同相,-,正交环中的相乘器、,LPF,和平方环中的平方器、带通滤波器的作用可以等效。,同,相,-,正交环的工作频率是载波频率 ，平方环的工作频率是 。,6.5,位同步,1.,概念：在通信系统的接收端产生与接收到的码元重复频率和相位一致的,定时脉冲序列,的过程称为码元同步或,位同步,。位同步脉冲用来确定接收端每个码元的起止时刻。,例：,接收码元,位,同步脉冲序列,1 0 1 0,2.,产生位同步脉冲的方法,外,同步法（插入导频法）：,数字信号,+,位同步信号,自同步法：,从传送的数字信号中提取位同步信号,一、,非线性变换,滤波法（,开环滤波法）,通过对接收信号的非线性变换，获得位同步信号的频谱成分，然后用,PLL,提取。,利用数字锁相环实现,数字锁相环电路结构简单，成本低性能好，因此它是实现位同步提取的常用方法。,二、利用特殊设计的锁相环实现位同步提取,（,闭环锁定法,）,利用模拟锁相环实现,同相,-,中相位同步环,早,-,迟积分清除位同步环,6.5,FM,立体声解码,立体声复合信号：,一、,FM,立体声编码原理,L,R,线性,变换,DSB-AM,+,FM,主载波,频谱：,(L+R),(L-R),调频波,抑制载波的平衡调幅波,导频信号,二、,FM,立体声解码原理,调频波,变频,中频,鉴频,解码,R,L,解码过程：,采用同步检波的方法对抑制载波的,DSB-AM,信号实现解调，需用锁相环通过导频信号恢复载波，然后解调获得（,L-R,）,信号。,三、锁相环实现,FM,立体声解码,38KHZ,的载波恢复,锁定指示,立体声解码,电路实现：,5G3361,（,MC3361,）,5G3361,的框图与应用电路,本章小结,锁相环跟踪滤波特性,锁相环在调制、解调中的应用,锁相环频率合成器,锁相环在载波同步及位同步中的应用,锁相环在,FM,立体声解码中的应用,