锁相环及载波同步,通信原理第十二讲,锁相环及载波同步,锁相环基本原理 锁相环 相位检测器（鉴相器） 环路滤波器 压控振荡器 锁相环的环路方程 简要分析 锁相环在通信系统中的应用,锁相环基本原理,锁相环PLL由鉴相器、环路（低通滤波器）和压控振荡器三个基本部件组成相位反馈控制系统 锁定、跟踪（同步带）、捕捉,锁相环基本原理,锁定、失锁、跟踪（同步带）、捕捉,捕捉带,同步带,鉴相器,环路低通滤波器,环路滤波器的主要功能： 滤除误差信号中的高频分量 为锁相环提供一个短时记忆，如果系统由于瞬时噪声而失锁，可确保锁相环路迅速重新捕获信号。 环路滤波器的设计对环路的各项性能都有重要影响 稳态相差、跟踪时间、捕捉带宽、稳定性等。,PLL的主要性能指标，主要取决于环路滤波器的设计,压控振荡器,压控振荡器,自由振荡频率或中心（角）频率,电压控制部分,锁相环的环路方程,锁相环的环路方程,线性化，假定相位误差较小,解微分方程得到结论,锁相环的环路方程,拉氏变换求解微分方程,不同的环路滤波器，可以求出相位不同的传输函数，进行分析，得到稳态相差、稳定度等指标,锁相环的复频域模型,两种锁相环分析示例,拉普拉斯变换,两种锁相环分析示例,只有相差,有频率差,两种锁相环分析示例,只有相差时稳态相差为0,有频率差时有稳态相差,两种锁相环分析示例,只有相差时稳态相差为0,有频率差时有稳态相差,锁相环应用分析例,分析锁相环成为FM鉴频器的条件,锁相环应用分析例,分析锁相环成为FM鉴频器的条件 条件1：低通滤波器LF的带宽大于信号带宽 条件2：,截止角频率为Kp的低通滤波器,锁相环在通信系统中的应用,锁相环在通信系统中有很多应用，包括：高稳定FM信号产生、FM鉴频、调幅信号的相干解调、倍频、频率合成以及数字系统中的比特同步等等 AM信号的相干解调,锁相环在通信系统中的应用,用于频率合成器的锁相环,LPF,VCO,振荡器 f=fx,分频输出fout,分频器 N,分频器 M,载波同步,载波同步 插入导频法 直接提载法 载波同步系统性能 载波相位误差对解调系统的影响,载波同步,载波同步是指在相干解调时，接收端需要提供一个与接收信号中的调制载波同频同相的相干载波。这个载波的获取称为载波提取或载波同步，载波同步是实现相干解调的先决条件。,已调信号,插入 载波/导频,+,载波恢复,相干解调,信道,载波同步,由发送端发送专门的同步信息（常被称为导频），接收端把这个导频提取出来作为同步信号的方法，称为外同步法。发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到的信号中提取同步信息的方法，称为自同步法。,AM,SSB,载波同步,同步本身虽然不包含所要传送的信息，但只有收发设备之间建立了同步后才能开始传送信息，所以同步是进行信息传输的必要和前提。同步性能的好坏又将直接影响着通信系统的性能。如果出现同步误差或失去同步就会导致通信系统性能下降或通信中断。因此，同步系统应具有比信息传输系统更高的可靠性和更好的质量指标，如同步误差小、相位抖动小以及同步建立时间短，保持时间长等。,载波同步-插入导频法,抑制载波的双边带信号（如DSB、等概的2PSK）本身不含有载波， 残留边带（VSB）信号虽含有载波分量，但很难从已调信号的频谱中把它分离出来。对这些信号的载波提取， 可以用插入导频法（外同步法）。尤其是单边带（SSB）信号， 它既没有载波分量又不能用直接法提取载波，只能用插入导频法 所谓插入导频，就是在已调信号频谱中额外插入一（多）个低功率的线谱，以便接收端作为载波同步信号加以恢复，此线谱对应的正弦波称为导频信号,插入的导频：位置、强度、与传输信号关系？,导频插入 在任意位置 （一般在 通带内）,载波同步-插入导频法,导频与信号 同时（频带）传输 互不干扰,导频线谱的强度 远大于信号谱， 以便于接收端滤波 或锁相跟踪,导频插在信号谱 的零点或与信号 正交传输，以保 证不干扰信号,在信号频带外，单独传输？,DSB 插入导频的方案之一,发送端：,已调信号,插入导频,DSB 插入导频的方案之一,接收端：,相干载波恢复,DSB 插入导频的方案讨论,讨论： 能否在插入同相导频 能否在带外插入导频 SSB怎么插入导频,相干解调后有直流分量,VSB 插入导频的方案之一,发送端：,VSB 插入导频的方案之一,接收端：,目标：利用f1、f2的和、差、倍关系得到fc,1,2,3,4,VSB 插入导频的方案之一,接收端： f1、f2相乘滤波取差频 q次分频,1,2,q,VSB 插入导频的方案之一,接收端： 与f2相乘滤波取差频 移相电路调整相位得到相干载波,3,4,VSB 插入导频的方案讨论,1,2,3,4,f2-f1,fr+Df2,fC,通过调整f2、f1可得到整数倍的q,增大f2或f1有利于减少信号频谱对导频的干扰，但所需频带加宽。,直接提取载波,信号中含有载波分量，利用PLL或滤波器可直接提取载波。 信号经过非线性变换后含有“载波分量” 平方环提取载波,利用平方变换提取DSB 载波,DSB信号： 经过平方律器件： 二分频后产生180相位模糊问题 对模拟解调，相位模糊造成解调信号反向，影响不大 对数字信号解调，相位模糊影响较大，需要采取一定的措施,二倍频分量,利用同相正交变换提取DSB 载波,利用锁相环提取载波分量的另一种方法称为同相正交变换法。即压控振荡器输出分两路：同相信号，正交信号。通常称为同相正交或科斯塔斯（Costas）环法,利用同相正交变换提取DSB 载波,输入信号： VCO输出：,q 很小时,反馈调整 最终q0,变换法提取载波,信号中不含有载波分量，可以将信号经过非线性变换后提取载波分量。 Costas环与平方环都是利用锁相环（PLL）提取载波的常用方法。Costas环与平方环相比，虽然在电路上要复杂一些， 但它的工作频率即为载波频率，而平方环的工作频率是载波频率的两倍，显然当载波频率很高时，工作频率较低的Costas环易于实现；其次，当环路正常锁定后，Costas环可直接获得解调输出，而平方环则没有这种功能。 数字通信中常使用多相移相信号，可以采用类似的办法，如采用4次方器件，或四相Costas环提取载波。,变换法提取载波,载波同步系统的性能,载波同步系统的性能指标主要有效率、精度、同步建立时间和同步保持时间。 效率：指为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率。在这方面，直接法由于不需要专门发送导频，因而效率高，而插入导频法由于插入导频要消耗一部分发送功率，因而效率要低一些。 精度：指接收端提取的载波与需要的载波比较，应该有尽量小的相位误差。误差包括稳态相位误差与随机相位误差（噪声引起） 时效：同步建立时间快、同步保持时间长,稳态相差与随机相差*,使用带通滤波器与锁相环都能求出稳态相差，可以通过改进电路、加相位补偿等方法消除稳态相差。 随机相差是噪声干扰引起的，可以采用正弦波加高斯噪声的分析方法进行分析，得出受噪声影响载波相位的变化。但噪声干扰引起的随机相差无法避免，对解调器造成影响，使系统的信噪比恶化或误码率升高。,r为信噪比,初始相位,载波相位误差对解调性能的影响,相干解调时，如果提取的载波存在稳态相差和随机相差，对解调性能有直接影响 对DSB信号解调的影响,信噪比下降： 倍,DSB信号 恢复载波 解调信号,载波相位误差对解调性能的影响,对SSB信号解调的影响,不仅信噪比下降，而且由于正交信号的存在使截调信号产生畸变,SSB信号 恢复载波 解调信号,锁相环与载波同步小结,锁相环包括哪些部件，锁相环的基本作用 锁相环的时域、复频域的基本分析方法 插入导频载波同步方法 利用平方变换、同相正交变换在信号中直接提取载波的方法 载波同步相位误差对解调器的影响 习题：国防：11-1，11-2，11-3，11-5,