通信電路原理：第7章 鎖相環(huán)路4

1、笫7章 鎖相環(huán)路 7.1 概 述7.2 PLL基本原理7.3 PLL的線性分析7.4 PLL的非線性分析7.6 PLL電路實例與應(yīng)用舉例7.8 自動頻率控制電路(AFC)7.9小結(jié)窄帶跟蹤濾波器載波恢復(fù)電路鎖相鑒頻-調(diào)制跟蹤環(huán)17.6.1 PLL的基本特性與應(yīng)用領(lǐng)域（1）鎖定特性：環(huán)路鎖定狀態(tài)時，VCO跟蹤輸入信號頻率，只有很小的穩(wěn)態(tài)相差。叫“取樣鎖相環(huán)”。這種環(huán)路可用于載波恢復(fù)和頻率合成。（2）載波跟蹤特性：壓控振蕩器的輸出頻率只跟蹤輸入信號的載頻，稱之為載波跟蹤狀態(tài)，這種環(huán)路叫“載波跟蹤環(huán)”，或稱“窄帶跟蹤環(huán)”。這種環(huán)路可用于鎖相接收機(jī)。（3）調(diào)制跟蹤特性：壓控振蕩器的輸出頻率跟蹤輸入的調(diào)

2、制信號變化。這種狀態(tài)就是調(diào)制跟蹤狀態(tài)，這種環(huán)稱為“調(diào)制跟蹤環(huán)路 ”或“寬帶跟蹤環(huán)”。這種環(huán)路可實現(xiàn)高質(zhì)量的調(diào)角信號的解調(diào)。（4）易于集成化、小型化，可使成本降低且便于利用。（5）主要應(yīng)用領(lǐng)域：窄帶跟蹤接收；鎖相鑒頻；載波恢復(fù)；頻率合成。7.6 PLL電路實例與應(yīng)用舉例27.6.2 窄帶跟蹤濾波器（鎖相接收機(jī)） -載波跟蹤環(huán)（1）空間信號的基本特性衛(wèi)星或其它宇宙飛行器向地面發(fā)回的信號通常都較微弱。頻率漂移嚴(yán)重（因存在多普勒效應(yīng)與振蕩器中心頻率不穩(wěn)）。例如：頻率為100MHZ，多普勒頻移為3KHz。信號本身頻帶寬度較窄。例如：為6Hz左右。若使用普通接收機(jī)，帶寬為6KHz左右。接收機(jī)帶寬比信號帶寬

3、大1000倍，接收的噪聲大1000倍，很微弱的信號被淹沒。 鎖相接收機(jī)的中頻頻率可以跟蹤接收信號頻率的漂移，而且?guī)捰趾苷?，故又稱為“窄帶跟蹤濾波器”。37.6.2 窄帶跟蹤濾波器-載波跟蹤環(huán)（續(xù)1）（2）原理方框圖本地標(biāo)準(zhǔn)中頻參考信號 f4 ，是高度穩(wěn)定的?；祛l器輸出中頻信號的頻率與本地中頻參考信號的頻率相等。f1有漂移，f2 跟蹤 f1 的漂移。PLL電路設(shè)計為窄帶（6Hz），故又稱為“窄帶跟蹤濾波器” 。頻譜圖說明47.6.2 窄帶跟蹤濾波器-載波跟蹤環(huán)（續(xù)2）（3）跟蹤濾波器的頻率特性57.6.3 用作相干解調(diào)器中的載波恢復(fù)電路實現(xiàn)相干解調(diào)，需要一個與輸入信號頻率相等和有很小相差的本地

4、參考載波。如果輸入信號內(nèi)含有載波頻率分量，則可用一個帶寬很窄的濾波器將其提取出來。PLL的帶寬可以做得很窄，而且能夠跟蹤載波頻率的變化，所以用它來提取載波特別合適。對于PSK等不包含有載頻及其倍頻成分的信號，不能直接用載波跟蹤環(huán)提取載波，必須選用非線性變換（例如：利用平方律器件的平方作用），將PSK信號中的載波信息變換成載波分量，再提取出來作相干解調(diào)載波使用。這種抑制載波的已調(diào)信號的載波提取的鎖相環(huán)路形式很多，例如有：平方環(huán)、Costas環(huán)、反調(diào)制環(huán)等。 67.6.3 用作相干解調(diào)器中的載波恢復(fù)電路（續(xù)1）（1）平方環(huán)它利用平方律器件的平方作用，將無載頻分量的輸入信號變換為有載頻倍頻分量的信號

5、輸出，利用載波跟蹤環(huán)提取出此倍頻分量，再經(jīng)分頻可獲得相干載波。77.6.3 用作相干解調(diào)器中的載波恢復(fù)電路（續(xù)2）（2）Costas 環(huán)考斯特斯環(huán)（又稱同相-正交環(huán)）。它由兩個互為正交的環(huán)路通路組成，利用相乘器的非線性變換功能，環(huán)路設(shè)計成窄帶，可以提取相干載波同時解調(diào)信號。v2(t)v1(t)vo(t)v3(t)v4(t)vd(t)87.6.3 用作相干解調(diào)器中的載波恢復(fù)電路（續(xù)3）97.6.4 鎖相鑒頻-調(diào)制跟蹤環(huán)（1）原理方框圖環(huán)路對于輸入相位的變化相當(dāng)于一低通濾波器。若輸入信號為調(diào)頻信號，中心角頻率為i0 ，相位變化部分i (t)。當(dāng)環(huán)路已鎖定于i0 ，并且假定對輸入相位i (t) ，環(huán)

6、路的傳輸特性近似為1，則有o (t) =i (t) ，即壓控振蕩器的相位變化部分與輸入信號相同。產(chǎn)生o (t) 的變化所需的控制電壓vp (t) 與調(diào)制信號成正比。107.6.4 鎖相鑒頻-調(diào)制跟蹤環(huán)（續(xù)1）（2）求解調(diào)信號的輸出vp (t) 輸入調(diào)頻信號：鎖定時振蕩器輸出信號：由相位關(guān)系有：上圖117.6.4 鎖相鑒頻-調(diào)制跟蹤環(huán)（續(xù)2）（3）實驗電路127.6.5 其他應(yīng)用電路 鎖定時一、鎖相倍頻二、 鎖相分頻 鎖定時13三、 鎖相混頻鎖定時四、鎖相調(diào)頻：14五、鎖相調(diào)相:157.8 自動頻率控制1。AFC的電路方框圖：頻率比較器LPF可控頻率電路167.8 自動頻率控制（AFC）（續(xù)2）

7、2。AFC電路的圖解分析方法：下面討論無濾波器AFC電路的工作情況：頻率比較器可控頻率電路上面的兩個特性曲線圖將改畫成下面的兩個圖；用圖解法求聯(lián)立解時，將兩個特性曲線圖畫在同一坐標(biāo)圖上。17所以，當(dāng)初始頻差 時，AFC電路才能正常工作。穩(wěn)態(tài)頻差的減小平衡點分析187.8 自動頻率控制（AFC）（續(xù)3）3。AFC電路的應(yīng)用：混頻器中頻放大器解調(diào)器壓控 振蕩器鑒頻器混頻器中頻放大器鑒頻器壓控 振蕩器低通濾波器 輸出信號 接收信號 輸出信號 接收信號 調(diào)幅接收機(jī)AFC電路方框圖：本地振蕩頻率發(fā)生正偏離；中頻放大器頻率也發(fā)生正偏離；鑒頻器輸出電壓降低 LO頻率；中頻頻率偏離的數(shù)值減少。調(diào)頻接收機(jī)AFC

8、電路方框圖：調(diào)頻接收機(jī)的鑒頻器也是 AFC電路；鑒頻器輸出信號經(jīng)低通濾波器分離；低通濾波器輸出電壓降低 LO頻率；中頻頻率偏離的數(shù)值減少。19第七章小結(jié)（1）一個相位數(shù)學(xué)模型20小結(jié)（續(xù)1）（2）兩個數(shù)學(xué)方程線性化復(fù)頻域方程:時域方程:（3）三個傳遞函數(shù)誤差傳遞函數(shù)：閉環(huán)傳遞函數(shù)：開環(huán)傳遞函數(shù)：21小結(jié)（續(xù)2）（4）線性PLL的特性與分析的方法跟蹤特性：采用拉氏變換及其逆變換的方法求解瞬變過程；采用拉氏終值定理求穩(wěn)態(tài)相差。頻率特性：利用閉環(huán)傳遞函數(shù)求相位傳遞的幅頻特性和相頻特性，環(huán)路 3dB 帶寬。穩(wěn)定特性：利用開環(huán)傳遞函數(shù)。輸入信號和輸出信號的表達(dá)式及關(guān)系22小結(jié)（續(xù)3）（5）非線性分析的幾

9、個問題相平面圖的特點。 穩(wěn)定平衡點與不穩(wěn)定平衡點的含義。同步帶H的含義。捕捉帶P ，快捕帶L 與捕捉時間TP 的含義。捕捉過程：頻率牽引過程與相位鎖定過程。輸入信號和輸出信號的表達(dá)式及關(guān)系23小結(jié)（續(xù)4）（6） PLL的應(yīng)用載波跟蹤環(huán)-窄帶跟蹤環(huán)。 調(diào)制跟蹤環(huán)-寬帶跟蹤環(huán)。載波恢復(fù)-平方環(huán)和 Costas環(huán)。頻率合成-取樣鎖相環(huán)。（7） AFC電路AFC的電路方框圖AFC電路的圖解分析方法24舉例1：一階環(huán)路的正弦鑒相器靈敏度為 ，壓控振蕩器調(diào)制靈敏度為 ，電壓幅度為 ，中心角頻率為求：環(huán)路鎖定時的穩(wěn)態(tài)相差 ；壓控振蕩器的直流控制電壓。（2）設(shè)輸入信號為：求：環(huán)路鎖定時壓控振蕩器的輸出電壓 ；環(huán)路的3dB 帶寬為多少KHz。（1）設(shè)輸入信號為：25舉例2：一階環(huán)路接通瞬間輸入和輸出信號分別為：環(huán)路參數(shù)有兩種組合： （1）（2）求：（1）上述兩種環(huán)路參數(shù)下，哪一種能使環(huán)路鎖定？為什么？（2）計算環(huán)路鎖定后的穩(wěn)態(tài)相差。（3）寫出輸出信號 的表示式和環(huán)路的3dB 帶寬。26圣 誕 快 樂作業(yè)：舉例1、舉例227舉例1求解：返回求：環(huán)路鎖定時的穩(wěn)態(tài)相差