第1章同步的基本原理課件

1、p 同步技術在通信中的重要性同步技術在通信中的重要性 概概 述述 采用相干解調(diào)時接收端需要提供一個相干載波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 iiittmtusin如：接收信號在接收端若有 iittu sin0 )22cos(1210iiittmtutu低通濾波后就可得到調(diào)制信號 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，必須要有一個抽樣判決定時脈沖序列，它要和接收碼元的終止時刻對齊。 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過程稱為碼元同步或位同步。n 位同步概概 述述 n群同步或幀同步 數(shù)字通信中，信息是以若

2、干個碼元組成一個“字”，又用若干個“字”組成一句。接收端為了正確恢復信息，需要產(chǎn)生 與“字”、“句”起止時刻相一致的定時脈沖序列 。產(chǎn)生此定時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 整個通信網(wǎng)內(nèi)要有統(tǒng)一的時間節(jié)拍 n 擴頻碼同步 在擴展頻譜通信系統(tǒng)中，接收端為了能正確恢復信息碼元，產(chǎn)生用于解擴的偽隨機碼必須與發(fā)送端的偽隨機碼同步。 概概 述述 p如何實現(xiàn)同步？如何實現(xiàn)同步？ 首先要掌握同步技術用同步技術解決通信中的同步問題概概 述述 同步系統(tǒng)性能的降低，會直接導致系統(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)應有更高的可靠性。n 鎖相環(huán)鎖相環(huán)-

3、同步技術的核心部件 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)自動頻率控制、開環(huán)載波頻偏估計法 n 符號同步方法 早遲門鎖相環(huán)法 、數(shù)字插值法n 擴頻碼同步 全數(shù)字非相干延遲擴頻碼跟蹤環(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)路動態(tài)方程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

4、信號相位同步的自動控制系統(tǒng)完成兩個信號相位同步的自動控制系統(tǒng)Phase-Locked LoopPhase-Locked Loop1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成設 輸入信號接收端本振信號 ( )sinsiniiiiiu tUtUt)(sinsin)(00000tUtUtu1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成當當 0i 0tt稱輸入信號與本振信號相位完全一致或基本一致時p什么是相位同步？相位同步相位同步鎖相環(huán)是實現(xiàn)相位同步的自動控制系統(tǒng)兩個信號的頻率相等相位差為0或為一小常數(shù)稱這兩個信號相位同步鎖相環(huán)如何實現(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 det

5、ectorn 環(huán)路濾波器 (LF) Loop filtern 壓控制振蕩器 (VCO) Voltage-controlled oscillator1.1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電壓與輸出信號電壓之間的完整關系1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成 比較輸入信號和輸出信號的相位 并將相位誤差轉(zhuǎn)換成誤差信號 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基本概念與鎖相環(huán)的組成LF是一個低通濾波器濾除高次諧波和噪聲 穩(wěn)定校正 改善動態(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

6、 ) 振蕩頻率受電壓控制的振蕩器 tvmaxv0cu為控制電壓 為瞬時振蕩頻率 cu vt如 壓控特性曲線1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成 0vt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0cu0cucu當當 時時 vt0當當 時時1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成 ( )sinsiniiiiiu tUtUt tUttUtucoscos00000p基本概念設 環(huán)路輸入信號、輸出信號為 tui iitt tu0 00ttt的瞬時相位的瞬時相位1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成0i 00iitttt 不同步瞬時相位差 t t

7、輸入信號相位與輸出信號相位n當環(huán)路沒工作時隨著時間的增加而增大1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成 00tttt能使輸入信號與輸出信號的頻差為0相位誤差為0或為一個小的常數(shù)實現(xiàn)了相位同步此時環(huán)路的狀態(tài)稱為同步狀態(tài)n 當環(huán)路工作時1.1基本概念與鎖相環(huán)的組成 當當輸入固定頻率信號時， 環(huán)路的同步狀態(tài)，稱為鎖定狀態(tài)或稱為相位鎖定。輸出信號相位鎖定在輸入信號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，當輸入信號頻率或相位發(fā)生變化時，環(huán)路便自動調(diào)節(jié)，使輸出信號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

8、靜態(tài)的相位同步狀態(tài)跟蹤狀態(tài)是一個動態(tài)的相位同步狀態(tài) 輸入信號頻率緩慢變化時， 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)關系有PD的結(jié)構決定反映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 tftuedn鑒相器的功能模型 )(coscos00000tUttUtu )(sinsintUttUtuiiiiin正弦鑒相特性PD的功能模型設結(jié)構和原理1.2 環(huán)路工作原理與相位模型結(jié)構圖 ttttttUUktutukiiiiimim000000sin sin21)()()()

9、(1000ttttttii)()()()(001tttttiii稱為輸入信號以 為基準的瞬時相位t0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)()()(2000ttttt00i tt02 ttUtuii10sin ttUtu2000cos令1.2 環(huán)路工作原理與相位模型 ttte21 ttUUktutttttUUktutukimdiimim210002100sin21)( 2sin sin21.210UUkUimd為相位誤差令 為乘法器輸出信號的幅度1.2 環(huán)路工作原理與相位模型 數(shù)學模型 相位模型 鑒相特性曲線e22 tUtueddsin tud1.2 環(huán)路工作

10、原理與相位模型數(shù)學模型數(shù)學模型功能模型功能模型n環(huán)路濾波器（環(huán)路濾波器（LF） tupFtudc由LF的結(jié)構決定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 tuKtcv00000002( )( )( ) ( )tvtctt dttKu t dtttmaxv 0 tuc0 tv0K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)學模型)()()(0002tupKtdtuKtctc1.2 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相位環(huán)路的相位模型反映了輸入瞬時相位 與輸出瞬時相位與輸出瞬時相位 之間的關系之間的關系是

11、一個相位負反饋控制系統(tǒng)是一個相位負反饋控制系統(tǒng) t1 t21.2 環(huán)路工作原理與相位模型p 環(huán)路工作原理nPD鑒別出輸入信號和輸出信號的相位差，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，使其向輸入信號的頻率靠攏，最終使得輸出信號頻率和輸入信號頻率相等，相位差為0或為一個小常數(shù) ，實現(xiàn)相位同步。1.2 環(huán)路工作原理與相位模型 1.3 環(huán)路動態(tài)方程 ptuKttttce0121 tuKtptpce01 tUpFKtpedsin01 1sineeptptKF ptdUKK0為環(huán)路增益因子單位 rad/s 或 Hz環(huán)路動態(tài)方程p 動態(tài)方程（數(shù)學模型

12、）當 時，動態(tài)方程是一階 1F p 1sineeptptKt稱此環(huán)路為一階環(huán)n環(huán)路動態(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動態(tài)方程的物理意義稱為固有頻差 itt01 01tp設稱在 的控制下產(chǎn)生的控制頻差tuc ttptptpvie21稱為瞬時頻差002ttuKtpvc 1.3 環(huán)路動態(tài)方程瞬時頻差瞬時頻差 = = 固有頻差固有頻差 - - 控制頻差控制頻差 1.3 環(huán)路動態(tài)方程n環(huán)路剛開始工作時，瞬時頻差 = 固有頻差n環(huán)路進入鎖定時，瞬時頻差為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動態(tài)方

13、程適用于環(huán)路鎖定和失鎖的情況， 它描述了環(huán)路的整個過程。 e 1.3 環(huán)路動態(tài)方程VUd2VHzK/1040srad/10260sradi/10101023?)(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)路動態(tài)方程621sin104102sinsin)(144101Ke 0sineK tutudc一階環(huán) 1102102)(4400Ktuc控制電壓 )(00tuKc環(huán)路鎖定時，瞬時頻差為0 sradi/102102101010246300解：環(huán)路增益 sradKUKd/10440 1.3

14、環(huán)路動態(tài)方程小結(jié)（重點掌握內(nèi)容）小結(jié)（重點掌握內(nèi)容） tpKFtpeesin0環(huán)路動態(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頻率靠近？又如何靠近？不論輸入信號頻率為何值環(huán)路都能鎖定？深入理解深入理解 itt01000i sinddeu tUt00K設輸入為固定頻率正弦信號 1.4 環(huán)路的工作過程 當開關打開時 0sinsinddedu tUtUt tpKFtpeesin0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態(tài)方程可知1.4 環(huán)路的工作過程0p 很大 0Cut 0 tUtudd0sin開關合上后 加到VCO 上

15、的 VCO 的振蕩頻率仍為固有振蕩頻率PD輸出仍然是一個對稱的差拍波環(huán)路不能鎖定 是一個對稱的差拍波且被LF完全抑制 0sinddutUt特點：誤差電壓1.4 環(huán)路的工作過程0p 較小 （ ） 00sin(CdutU F jt0)F j tuKtcv00 tUtudd0sin在LF的通帶之內(nèi)開關合上后幅度較大dcUjFKUK0000在環(huán)路中所設置的開關打開時1.4 環(huán)路的工作過程dcUjFKUK00001.4 環(huán)路的工作過程環(huán)路工作過程示意圖( ) etn 環(huán)路此過程特點 n 快捕時間 快捕入鎖所需的時間 快捕入鎖的最大固有頻差L LT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

16、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 0p 處于上述兩者之間( ) L0沒有被LF完全抑制0000cdK UK F jU 00sin(CdutU F jt0)F j tuKtcv00開關合上后幅度較小 tUtudd0sin1.4 環(huán)路的工作過程環(huán)路工作過程示意圖( )L0 tuc在頻率牽引過程中， 一直是交流電壓；只有環(huán)路入鎖后，瞬時頻差為 0，才為一個直流電壓，維持環(huán)路鎖定。n 環(huán)路此過程的特點 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，整個過程為捕獲過程。 tuc1.4 環(huán)路的工作過程pTLfpTTTpn

17、捕獲時間 能使環(huán)路進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間頻率牽引過程時間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振蕩頻率是如何向輸入信號頻率靠近？仿真正弦鑒相特性二階環(huán)路的入鎖過程，觀測環(huán)路各點的輸出波形。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)捕獲過程中各點仿真波形思考與練習思考與練習000i00Ku 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，畫出各點波形并用仿真驗證。 0sineeptKt 1.4 環(huán)路的工作過程n 同步狀態(tài) 輸出、輸入信號相位同步鎖定

18、狀態(tài) 輸入固定頻率信號跟蹤狀態(tài) 輸入頻率和相位變化的信號n 失鎖狀態(tài) 輸出和輸入相位不同步n 捕獲狀態(tài) 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 ep環(huán)路基本性能指標 捕獲時間 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 0sineeptKt000i00K itt01 sinddeu tUt設輸入為固定頻率的正弦信號 動態(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，就再也不能入鎖一階環(huán)路捕獲的特點1.4 環(huán)路的工作過程1.5 環(huán)路的基本部件（三種LF） 11)1 (1)(ppRCtutupFdcjjF11)(傳遞函數(shù) 頻率響應 傳輸算子傳輸算子 ssF11RCp RC積分濾波器電路結(jié)構