第1章同步的基本原理

1.2 环路工作原理与相位模型
正弦鉴相特性PD的功能模型 结构和原理 结构图
LPF
ui (t )
u0 (t )
ud t
设 ui t Ui sinit i t Ui sin (t )
ˆ(t ) u0 t U0 cos0t 0 t U0 cos
－
U d sin( )
ud t
uc t K 0 F p p
2 t
环路的相位模型反映了输入瞬时相位1 t 与输出瞬时相位 2 t 之间的关系 是一个相位负反馈控制系统
1.2 环路工作原理与相位模型
环路工作原理
PD鉴别出输入信号和输出信号的相位差，并 将相位差转换成误差电压 ； 误差电压经LF滤波后得到控制电压； 控制电压控制VCO的振荡频率，使其向输入 信号的频率靠拢，最终使得输出信号频率和输 入信号频率相等，相位差为0或为一个小常数 ， 实现相位同步。
1.3 环路动态方程
动态方程（数学模型）
p e t p1 t K 0uc t
u c t e t 1 t 2 t 1 t K 0 p
p1 t K 0 F pU d sin e t
p e t p1 t p 2 t i v t
称为瞬时频差
1.3 环路动态方程
v t
K0
瞬时频差 p e t
i v
0
0
0 控制频差 p 2 t K 0uc t
uc
uc t
瞬时频差
= 固有频差
-
如何实现同步？
首先要掌握同步技术 用同步技术解决通信中的同步问题
概述
课程内容
锁相环------同步技术的核心部件
环路的组成、工作原理、 环路的性能分析
数字锁相环 奈奎斯特型数字锁相环(NR-DPLL) 插/扣脉冲型DPLL
概述
载波同步
平方环、同相—正交环、判决反馈环
自动频率控制、开环载波频偏估计法 符号同步方法 早—迟门锁相环法 、数字插值法 扩频码同步
环路维持相位同步称为跟踪状态。
锁定状态是一个静态的相位同步状态 跟踪状态是一个动态的相位同步状态
分析锁相环是如何实现相位同步？ 要建立环路的功能（相位）模型
1.2 环路工作原理与相位模型
环路基本部件功能模型 鉴相器的功能模型 由PD功能可得： 相位误差 误差电压 u d t f e t 函数关系有PD的结构 决定反映PD特性
环路动态方程
pe t p1 t KF p sine t
K K 0U d 为环路增益因子单位 rad/s 或 Hz
1.3 环路动态方程
环路动态方程是非线性微分方程 非线性来源于PD 方程的阶数取决于LF的阶数 环路的阶数等于LF的阶数+1 当 F p 1 时，动态方程是一阶
1.2 环路工作原理与相位模型
数学模型
K0 2 (t ) K 0 u c (t )dt u c (t ) 0 p 相位模型
t
uc t
K0 p
பைடு நூலகம்
2 t
1.2 环路工作原理与相位模型
环路的相位模型（功能模型）
+
θ1 t
e (t )
2 t
1 令 U d k mU iU 0 .为乘法器输出信号的幅度 2
e t 1 t 2 t 为相位误差
1.2 环路工作原理与相位模型
数学模型 相位模型
+
ud t U d sin e t
u d t U d sin e t
环路滤波器 (LF) Loop filter 压控制振荡器 (VCO) Voltage-controlled oscillator
1.1基本概念与锁相环的组成
锁相环的组成框图
ui (t )
PD LF VCO
u0 (t )
组成框图描述
输入信号电压与输出信 号电压之间的完整关系
1.1基本概念与锁相环的组成
全数字非相干延迟扩频码跟踪环
第1章 锁相环的基本工作原理
主要内容
1.1 基本概念与锁相环的组成
1.2 环路工作原理与相位模型
1.3 环路动态方程
1.4 环路的工作过程
1.5 环路的基本部件
1.1基本概念与锁相环的组成
锁相环（PLL）
Phase-Locked Loop 完成两个信号相位同步的自动控制系统
1.1基本概念与锁相环的组成
当环路工作时 能使输入信号与输出信号的频差为0 相位误差为0或为一个小的常数
ˆ t 0 t 0 ˆ t t
实现了相位同步 此时环路的状态 称为同步状态
1.1基本概念与锁相环的组成
当输入固定频率信号时， 环路的同步状态， 称为锁定状态或称为相位锁定。 锁相环 输出信号相位锁定在输入信号相位上 这种同步控制系统称为PLL
控制频差
1.3 环路动态方程
环路刚开始工作时，瞬时频差 = 固有频差
环路进入锁定时，瞬时频差为0
控制频差 = 固有频差 维持锁定的相位差，称为稳态相差 e 动态方程适用于环路锁定和失锁的情况，
它描述了环路的整个过程。
1.1基本概念与锁相环的组成
什么是相位同步？
设 输入信号 ui (t ) Ui sin it i Ui sin t 接收端本振信号 ˆ(t ) u0 (t ) U 0 sin[0t 0 ] U 0 sin
当 i 0
0 t ˆ t 时
概述
同步技术在通信中的重要性 载波同步
采用相干解调时 接收端需要提供一个相干载波
与所收到的已调制载波同频同相
相干载波的获取就称为载波同步
概述
如：接收信号 ui t mt sini t i 在接收端若有 u0 t sini t i
1 则 u i t u 0 t mt 1 cos( 2 i t 2 i ) 2
pe t p1 t K sine t 称此环路为一阶环
1.3 环路动态方程
动态方程的物理意义 设 1 t 0t i p1 t 0 称为固有频差
p 2 t K 0uc t v t 0
称在 uc t 的控制下产生的控制频差
其中 1 (t ) (i 0 )t i (t ) 0t i (t )
称为输入信号以 0t 为基准的瞬时相位
1.2 环路工作原理与相位模型
0 i 0 称为环路的固有频率差
令
ˆ(t ) t (t ) t (t ) 0 0 0 2
ˆ t t t 0 0
u 0 t 的瞬时相位
1.1基本概念与锁相环的组成
当环路没工作时 输入信号相位 t 与输出信号相位 ˆ t 不同步
i 0
瞬时相位差 t ˆ t i 0 t i 0 t 随着时间的增加而增大
θ1 t
e (t )
2 t
－
U d sin( )
u d t


2
鉴相特性曲线

2
e
1.2 环路工作原理与相位模型
环路滤波器（LF）
由LF的结 构决定
数学模型 uc t F p u d t
功能模型
ud t
F p
uc t
低通滤波后就可得到调制信号 mt
概述
位同步 数字通信中，信息是一串相继的码元 序列，接收端解调判决时，必须要有一个 抽样判决定时脉冲序列，它要和接收码元 的终止时刻对齐。 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过程称为码元 同步或位同步。
概述
群同步或帧同步 数字通信中，信息是以若干个码元组 成一个“字”，又用若干个“字”组成一 句。接收端为了正确恢复信息，需要产生 与“字”、“句”起止时刻相一致的定时 脉冲序列 。产生此定时脉冲序列的过程称 为群同步或帧同步。
其中 2 t 0 t
ui t U i sin0t 1 t
u0 t U 0 cos0t 2 t
1.2 环路工作原理与相位模型
1 k m u i t u 0 t k mU iU 0 sin 1 t 2 t 2 sin 2 0 t i t 0 t 1 u d (t ) k mU iU 0 sin 1 t 2 t 2
1.1基本概念与锁相环的组成
环路锁定后，当输入信号频率或相位发生变 化时，环路便自动调节，使输出信号频率或 相位随之而发生变化。 在整过变化过程中 也称为相位同步
ˆ t t
t ˆ t
1.1基本概念与锁相环的组成
输入信号频率缓慢变化时，
称输入信号与本振信号相位完全一致或基本一致
1.1基本概念与锁相环的组成
相位同步
两个信号的频率相等 相位差为0或为一小常数 称这两个信号相位同步
锁相环是实现相位同步的自动控制系统 锁相环如何实现相位同步？
1.1基本概念与锁相环的组成
锁相环的组成部件 鉴相器 (PD) Phase detector
1.2 环路工作原理与相位模型
VCO的相位模型
v max
v t
v t 0 K 0uc t
ˆ(t ) v (t )dt
0 t
0
0
u c t
0 t K 0 uc (t )dt