第1章同步的基本原理

1、 p 同步技術(shù)在通信中的重要性同步技術(shù)在通信中的重要性 概概 述述 采用相干解調(diào)時(shí) 接收端需要提供一個(gè)相干載波 n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 iii ttmtusin如：接收信號(hào) 在接收端若有 iit tu sin 0 )22cos(1 2 1 0iii ttmtutu 低通濾波后就可得到調(diào)制信號(hào) tm 概概 述述 則 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)脈沖序列過程稱為碼元 同步或位同步。 n 位同步 概概 述

2、述 n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)脈沖序列的過程稱 為群同步或幀同步。 概概 述述 n 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 n 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。 概概 述述 p如何實(shí)現(xiàn)同步？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題 概概 述述 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

3、信息的可靠傳輸，要求同步系統(tǒng) 應(yīng)有更高的可靠性。 n 鎖相環(huán)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 n 數(shù)字鎖相環(huán)數(shù)字鎖相環(huán) 奈奎斯特型數(shù)字鎖相環(huán)(NR-DPLL) 插/扣脈沖型DPLL p 課課 程程 內(nèi)內(nèi) 容容 概概 述述 n 載波同步載波同步 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 n 符號(hào)同步方法 早遲門鎖相環(huán)法 、數(shù)字插值法 n 擴(kuò)頻碼同步 全數(shù)字非相干延遲擴(kuò)頻碼跟蹤環(huán) 概概 述述 第第1 1章章 鎖相環(huán)的基本工作原理鎖相環(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

4、程 1.4 環(huán)路的工作過程 1.5 環(huán)路的基本部件 鎖相環(huán)（鎖相環(huán)（PLLPLL） 完成兩個(gè)信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制系統(tǒng)完成兩個(gè)信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制系統(tǒng) Phase-Locked LoopPhase-Locked Loop 1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成 設(shè) 輸入信號(hào) 接收端本振信號(hào) ( )sinsin iiiii u tUtUt )( sinsin)( 00000 tUtUtu 1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成 當(dāng)當(dāng) 0 i 0 tt 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) p什么是相位同步？ 相位同步相位同步 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)

5、 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 p 鎖相環(huán)的組成部件 n 鑒相器 (PD) Phase detector n 環(huán)路濾波器 (LF) Loop filter n 壓控制振蕩器 (VCO) Voltage-controlled oscillator 1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成 組成框圖描述組成框圖描述 p 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 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 p 環(huán)路各部件的作用 n鑒相器鑒相器 (PD) 1.1基本概念與鎖相

6、環(huán)的組成 LF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 n環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器 (LF) 1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成 n壓控制振蕩器 ( VCO ) 振蕩頻率受電壓控制的振蕩器 t v maxv 0 c u 為控制電壓 為瞬時(shí)振蕩頻率 c u v t 如 壓控特性曲線 1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成 0v t 隨隨 的變化而變化的變化而變化 并將頻率的變化轉(zhuǎn)換成相位的變化并將頻率的變化轉(zhuǎn)換成相位的變化 稱為稱為VCO的固有振蕩頻率的固有振蕩頻率 0 c u 0 c u c u 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí) v t 0 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí) 1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成 ( )sinsin iiii

7、i u tUtUt tUttUtu coscos 00000 p基本概念 設(shè) 環(huán)路輸入信號(hào)、輸出信號(hào)為 tui ii tt tu0 00 ttt 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 0 i 00 ii tttt 不同步 瞬時(shí)相位差 t t輸入信號(hào)相位與輸出信號(hào)相位 n當(dāng)環(huán)路沒工作時(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 0 0 tt tt 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) n 當(dāng)環(huán)路工作時(shí) 1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成 當(dāng)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

8、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)鎖相環(huán) 1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成 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 tt tt 在整過變化過程中 1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成 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 p 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

9、原理與相位模型 由PD功能可得： 誤差電壓 tftu ed n鑒相器的功能模型 )( coscos 00000 tUttUtu )(sinsintUttUtu iiiii n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 ttt tttUUk tutuk ii iiim im 00 000 0 sin sin 2 1 )()()()( 1000 tttttt ii )()()()( 001 ttttt iii 稱為輸入信號(hào)以 為基準(zhǔn)的瞬時(shí)相位 t 0 其中 令 乘法系數(shù) 1.2 環(huán)路工作原理與相位模型 稱為環(huán)路的固有頻率差 其中 )()()( 2000 tt

10、ttt 00 i tt 02 ttUtu ii10 sin ttUtu 2000 cos 令 1.2 環(huán)路工作原理與相位模型 ttt e21 ttUUktu ttt ttUUktutuk imd i imim 210 00 2100 sin 2 1 )( 2sin sin 2 1 . 2 1 0 UUkU imd 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 數(shù)學(xué)模型 相位模型 鑒相特性曲線 e 2 2 tUtu edd sin tud 1.2 環(huán)路工作原理與相位模型 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型 功能模型功能模型 n環(huán)路濾波器（環(huán)路濾波器（LF） tupFtu dc 由LF的結(jié)

11、 構(gòu)決定 1.2 環(huán)路工作原理與相位模型 n VCO的相位模型的相位模型 tuKt cv00 0 00 0 02 ( ) ( ) ( ) ( ) t v t c tt dt tKu t dt tt maxv 0 tuc 0 t v 0 K 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 相位模型 數(shù)學(xué)模型 )()()( 0 0 02 tu p K tdtuKt c t c 1.2 環(huán)路工作原理與相位模型 p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)相位與輸出瞬時(shí)相位 之間的關(guān)系之間的關(guān)系 是一個(gè)相位負(fù)反饋控制系統(tǒng)是一

12、個(gè)相位負(fù)反饋控制系統(tǒng) t 1 t 2 1.2 環(huán)路工作原理與相位模型 p 環(huán)路工作原理 nPD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 ； n誤差電壓經(jīng)LF濾波后得到控制電壓； n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 1.3 環(huán)路動(dòng)態(tài)方程 p tu Ktttt c e0121 tuKtptp ce01 tUpFKtp ed sin 01 1 sin ee ptptKF pt d UKK 0 為環(huán)路增益因子單位 rad/s 或 Hz 環(huán)路

13、動(dòng)態(tài)方程 p 動(dòng)態(tài)方程（數(shù)學(xué)模型） 當(dāng) 時(shí)，動(dòng)態(tài)方程是一階 1F p 1 sin ee ptptKt稱此環(huán)路為一階環(huán) n環(huán)路動(dòng)態(tài)方程是非線性微分方程 n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 非線性來源于PD 方程的階數(shù)取決于LF的階數(shù) p動(dòng)態(tài)方程的物理意義 稱為固有頻差 i tt 01 01 tp 設(shè) 稱在 的控制下產(chǎn)生的控制頻差tuc ttptptp vie 21 稱為瞬時(shí)頻差 002 ttuKtp vc 1.3 環(huán)路動(dòng)態(tài)方程 瞬時(shí)頻差瞬時(shí)頻差 = = 固有頻差固有頻差 - - 控制頻差控制頻差 1.3 環(huán)路動(dòng)態(tài)方程 n環(huán)路剛開始工作時(shí)，瞬時(shí)頻差 = 固有頻差 n環(huán)路進(jìn)入鎖定時(shí)

14、，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 n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)過程。 e 1.3 環(huán)路動(dòng)態(tài)方程 VU d 2 VHzK/10 4 0 srad/102 6 0 srad i /1010102 3 ?)(tuc ?)( e 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：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 62 1 sin 104 102 sinsin)( 1 4 4 101 K e 0 sin e K tutu dc 一階環(huán) 1 102 102 )( 4

15、 4 0 0 K tu c控制電壓 )( 00 tuK c 環(huán)路鎖定時(shí)，瞬時(shí)頻差為0 srad i /1021021010102 463 00 解：環(huán)路增益 sradKUK d /104 4 0 1.3 環(huán)路動(dòng)態(tài)方程 小結(jié)（重點(diǎn)掌握內(nèi)容）小結(jié)（重點(diǎn)掌握內(nèi)容） tpKFtp ee sin 0 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 VCO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？ 深入理解深入理解 i tt 01 0 00 i sin dde u tUt 0 0 K 設(shè)輸入為固定頻率正弦信號(hào) 1.4 環(huán)路的工作過程 當(dāng)開關(guān)打開時(shí) 0 sins

16、in dded u tUtUt tpKFtp ee sin 0 環(huán)路參數(shù)確定后環(huán)路參數(shù)確定后 環(huán)路能否鎖定環(huán)路能否鎖定 取決于固有頻差的大小取決于固有頻差的大小 由動(dòng)態(tài)方程 可知 1.4 環(huán)路的工作過程 0 p 很大 0 C ut 0 tUtu dd0 sin 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 0 sin dd utUt 特點(diǎn)：誤差電壓 1.4 環(huán)路的工作過程 0 p 較小 （ ） 00 sin( C d utU F jt 0 )F j tuKt cv00 tUtu dd0 si

17、n在LF的通帶之內(nèi) 開關(guān)合上后 幅度較大 dc UjFKUK 0000 在環(huán)路中所設(shè)置的開關(guān)打開時(shí) 1.4 環(huán)路的工作過程 dc UjFKUK 0000 1.4 環(huán)路的工作過程 環(huán)路工作過程示意圖 ( ) e t n 環(huán)路此過程特點(diǎn) n 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 L L T 相位差 的變化在鑒相特性一周內(nèi)就 能使環(huán)路入鎖，此過程稱為快捕過程。 n 快捕帶 1.4 環(huán)路的工作過程 在誤差電壓變化一周內(nèi)環(huán)路不可能入鎖 0 p 處于上述兩者之間( ) L 0 沒有被LF完全抑制 0000cd K UK F jU 00 sin( C d utU F jt 0 )F j tu

18、Kt cv00 開關(guān)合上后 幅度較小 tUtu dd0 sin 1.4 環(huán)路的工作過程 環(huán)路工作過程示意圖 ( )L 0 tuc在頻率牽引過程中， 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。 n 環(huán)路此過程的特點(diǎn) 有頻率牽引過程，相位差變化一周又一周， 使頻差減小到快步帶內(nèi)（頻率牽引過程）， 再快捕入鎖，整個(gè)過程為捕獲過程。 tuc 1.4 環(huán)路的工作過程 p T Lfp TTT p n捕獲時(shí)間 能使環(huán)路進(jìn)入鎖定的最大的固有頻差 n捕獲帶 由失鎖到鎖定所需的時(shí)間 頻率牽引過程時(shí)間 pL 1.4 環(huán)路的工作過程 環(huán)路在從失鎖到鎖定的過程中，VCO振 蕩頻

19、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 過程，觀測(cè)環(huán)路各點(diǎn)的輸出波形。 1.4 環(huán)路的工作過程 鑒相器鑒相器 壓控振蕩器壓控振蕩器 環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器 二階環(huán)路的仿真模型 正弦鑒相器仿真模型 壓控振蕩器仿真模型 二階環(huán)捕獲過程中各點(diǎn)仿真波形 思考與練習(xí)思考與練習(xí) 00 0 i 0 0 Ku 分析 u分析一階環(huán)路的工作過程 二階環(huán)路的工作過程， 畫出各點(diǎn)波形并用仿真驗(yàn)證。 0 sin ee ptKt 1.4 環(huán)路的工作過程 n 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) n 失鎖狀態(tài) 輸出和輸入相位不同步 n 捕獲狀態(tài)

20、 失鎖到同步的中間狀態(tài) p環(huán)路的工作狀態(tài) 1.4 環(huán)路的工作過程 n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 e p環(huán)路基本性能指標(biāo) 捕獲時(shí)間 捕獲帶 快捕帶 n在捕獲狀態(tài)下在捕獲狀態(tài)下 1.4 環(huán)路的工作過程 p一階環(huán)的工作過程 0 sin ee ptKt 00 0 i 0 0 K i tt 01 sin dde u tUt 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)路的工作過程 0K 環(huán)路工 作過程 示意圖 可見環(huán)路 一周內(nèi)不 能入鎖 1.4 環(huán)路的工作過程 原因是誤差電壓中直流電壓不能積累 一階環(huán)的捕獲帶等于快捕帶 環(huán)路能夠入鎖的最大固有頻差等于K 一周內(nèi)入鎖 若一周內(nèi)不能入鎖時(shí)，就再也不能入鎖 一階環(huán)路捕獲的特點(diǎn) 1.4 環(huán)路的工作過程 1.5 環(huán)路的基本部件（三種LF） 1 1 )1 ( 1 )( ppRCtu tu pF d c j jF 1 1 )( 傳遞函數(shù) 頻率響應(yīng) 傳輸算子傳輸算子 s sF 1 1 RC p RC積分濾波器 電路結(jié)構(gòu) 對(duì)數(shù)振幅和相位頻率響應(yīng)曲線（ ）s2 . 0 22 1lg20)(lg20)(jFL 1 tg)( -30 -20 -10 0 10 L()/dB 1