《锁相技术课件精.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锁相技术课件精.ppt（65页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、锁相技术课件锁相技术课件第1页，本讲稿共65页2.调制跟踪特性调制跟踪特性 选择合适的环路参数，使选择合适的环路参数，使 有合适的带宽，满足有合适的带宽，满足 时，输出信号是输入信号的复制品。时，输出信号是输入信号的复制品。应用：角度调制信号的调制器和解调器。应用：角度调制信号的调制器和解调器。3.低门限特性低门限特性 锁相环路能在低输入信噪比条件下工作，即具有低门限的锁相环路能在低输入信噪比条件下工作，即具有低门限的特性。特性。应用：应用：提取淹没在噪声中的信号。提取淹没在噪声中的信号。对角度调制解调时，可以扩展门限。对角度调制解调时，可以扩展门限。对数字信号解调时，可以降低误码率。对数字信
2、号解调时，可以降低误码率。本章内容：典型的锁相环路的应用本章内容：典型的锁相环路的应用第2页，本讲稿共65页6.1 跟踪滤波器跟踪滤波器概念：跟踪滤波器的中心频率自动的跟踪输入信号载波频概念：跟踪滤波器的中心频率自动的跟踪输入信号载波频率的变化，但相对带宽不变。率的变化，但相对带宽不变。锁相环路可以实现跟踪滤波锁相环路可以实现跟踪滤波当当 时，时，是是 的复制品。的复制品。当当 时，时，是提纯的载波，但有是提纯的载波，但有 的相差。的相差。VCO输出的输出的信号就是经信号就是经过滤波后的过滤波后的输入信号输入信号第3页，本讲稿共65页一、跟踪特性的测量一、跟踪特性的测量跟踪特性：环路跟踪特性：
3、环路 和和 瞬时频率的变化关系。瞬时频率的变化关系。是线性是线性扫频信号，扫频信号，它正比于它正比于输入信号输入信号的频率的频率 。正正比于比于VCO的的频率频率 。第4页，本讲稿共65页锁相环路的跟踪特性：锁相环路的跟踪特性：失锁点失锁点锁定点锁定点锁定点锁定点失锁点失锁点捕获带：捕获带：同步带：同步带：第5页，本讲稿共65页二、频率特性二、频率特性环路闭环频率响应为：环路闭环频率响应为：闭环振幅频率响应具有闭环振幅频率响应具有低通特性，它对于低通特性，它对于 跟踪跟踪 时，时，的上限的上限频率做出了限制。即：频率做出了限制。即：环路闭环振幅频率响应环路闭环振幅频率响应第6页，本讲稿共65页
4、 锁相环路对输入高频信号的锁相环路对输入高频信号的带通特性带通特性是由环路频率是由环路频率响应的低通特性所决定的。设输入信号被正弦音频信号调响应的低通特性所决定的。设输入信号被正弦音频信号调频，则输入瞬时频率为：频，则输入瞬时频率为：载频载频为峰为峰值频偏值频偏当当 时，时，所以，所以 实际是叠加到实际是叠加到 上的。上的。做出做出 的关系图，就是环路对输入信号的关系图，就是环路对输入信号瞬时频率瞬时频率 的振幅频率响应：的振幅频率响应：第7页，本讲稿共65页 具有带通滤波特性。带宽为具有带通滤波特性。带宽为 。-3dB点 由于锁相环的跟踪性能，其中心频率可以跟踪输由于锁相环的跟踪性能，其中心
5、频率可以跟踪输入信号的载频，所以理论上的跟踪带宽为入信号的载频，所以理论上的跟踪带宽为 。实际可用的跟踪范围为：实际可用的跟踪范围为：第8页，本讲稿共65页6.2 调制器与解调器调制器与解调器锁相环路可以做任何调制方式的调制器和解调器锁相环路可以做任何调制方式的调制器和解调器 1.调幅信号调幅信号 一、调幅信号的调制与解调一、调幅信号的调制与解调未调载波：未调载波：调制信号：调制信号：幅度归一化幅度归一化调幅已调波调幅已调波：为调为调幅指数幅指数载波载波下边带下边带上边带上边带第9页，本讲稿共65页带载波的双边带调幅带载波的双边带调幅 DSB-AM单边带调幅单边带调幅 SSB-AM残留边带调幅
6、残留边带调幅 VSB-AM抑制载波的双边带调幅抑制载波的双边带调幅实现方案：实现方案：第10页，本讲稿共65页2.调制器调制器-用锁相环产生调幅信号用锁相环产生调幅信号VCO产生载波，不受产生载波，不受 的控制。的控制。PD仅作为乘法器，实现仅作为乘法器，实现 。若若 ，输出，输出DSB-AM A=0，输出抑制载波的，输出抑制载波的DSB（平衡调幅波）（平衡调幅波）LF不工作。不工作。用锁相环实现调幅时，选择用锁相环实现调幅时，选择VCO有正弦波输出的集成锁相有正弦波输出的集成锁相环以满足通信系统的要求。环以满足通信系统的要求。第11页，本讲稿共65页电路实现：电路实现：XR-2206构成的构
7、成的AM调制器调制器 调调整正弦波整正弦波的失真度的失真度调整调整 的的直流成分直流成分载波载波频率频率调整调整第12页，本讲稿共65页解调原理解调原理：利用同步检波器实现：利用同步检波器实现3.解调器解调器-用锁相环实现调幅信号解调用锁相环实现调幅信号解调LPF调制信号成分调制信号成分载波的二载波的二次谐波次谐波经经LPF后输出调制信号后输出调制信号第13页，本讲稿共65页AM信号的信号的PLL同步解调原理同步解调原理第14页，本讲稿共65页AM信号信号PLL同步解调电路实现（同步解调电路实现（NE561）90度移相第15页，本讲稿共65页90移相网络LFVCO频率调整第16页，本讲稿共65
8、页二、模拟调频和调相信号的调制与解调二、模拟调频和调相信号的调制与解调1.调频与调相信号调频与调相信号调制信号：调制信号：未调载波：未调载波：调频波：调频波：峰值峰值频偏频偏瞬时频瞬时频率正比率正比于调制于调制信号信号调相波：调相波：峰值峰值相偏相偏瞬时相瞬时相位正比位正比于调制于调制信号信号第17页，本讲稿共65页调频波和调相波之间的转换：调频波和调相波之间的转换：调频波的瞬时角频率：调频波的瞬时角频率：调频波的瞬时相位：调频波的瞬时相位：调频波：调频波：上式是上式是 对对 的调频波，的调频波，也可以看作是也可以看作是 对对 的调相波。的调相波。FM与与PM的转换的转换 调频器调频器输出信输
9、出信号是号是 对对 的的 调相波调相波第18页，本讲稿共65页调制信号调制信号 经微分后得：经微分后得：VCO的瞬时相位为：的瞬时相位为：调相波调相波 控制控制VCO得到输出瞬时角频率为：得到输出瞬时角频率为：常数常数令令 ，则，则VCO输出信号可表示为：输出信号可表示为：第19页，本讲稿共65页2.调制器调制器方法一：方法一：VCO直接用作直接用作FM调制器调制器VCO缺点：缺点：VCO振荡频率的温度漂移以及控制特性的非线性等振荡频率的温度漂移以及控制特性的非线性等因素，不能产生高质量的因素，不能产生高质量的FM信号。信号。方法二：采用锁相环路实现调频、调相方法二：采用锁相环路实现调频、调相
10、第20页，本讲稿共65页根据锁相环线性相位模型可得：根据锁相环线性相位模型可得：是是VCO的输出角频率相对于的输出角频率相对于 的频偏，由的频偏，由于于 具有高通特性，只要在具有高通特性，只要在 的通带之内，的通带之内，输出信号频偏正比于调制信号的幅度。输出信号频偏正比于调制信号的幅度。-调频波调频波调相波：调相波：对调制信号先对调制信号先微分再调频微分再调频输出信号相位正比于调制信号的幅度。输出信号相位正比于调制信号的幅度。-调相波调相波第21页，本讲稿共65页3.解调器解调器调制信号：调制信号：第22页，本讲稿共65页电路实现：电路实现：5G4046实现实现FM解调电路解调电路确定振荡频确
11、定振荡频率和率和FM载频载频一致一致第23页，本讲稿共65页NE562实现实现FM解调器电路解调器电路第24页，本讲稿共65页三、数字调频和调相信号的调制与解调三、数字调频和调相信号的调制与解调1.移频键控（移频键控（FSK）和移相键控（）和移相键控（PSK）第25页，本讲稿共65页2.FSK调制器的电路实现（调制器的电路实现（XR-215）PD、LF不不使用使用VCO频频率设定率设定FSK输出输出第26页，本讲稿共65页3.FSK解调器的电路实现解调器的电路实现方法一：方法一：PLL始终对输入信号的频率锁定或跟踪始终对输入信号的频率锁定或跟踪XR-215的的FSK解调电路解调电路 FSK输入
12、输入输出输出整形整形第27页，本讲稿共65页NE565的的FSK解调电路解调电路三级三级LPF电压比较电压比较器整形器整形第28页，本讲稿共65页方法二：方法二：PLL对对FSK信号中的一个频率锁定，而对另一个信号中的一个频率锁定，而对另一个频率则是失锁的。利用锁定指示端获得解调信号。频率则是失锁的。利用锁定指示端获得解调信号。NE567方框图方框图FSK输入输入锁定锁定指示指示第29页，本讲稿共65页NE567电话拨号音解电话拨号音解码电路实现码电路实现 第30页，本讲稿共65页6.3 频率合成频率合成一、概述一、概述1.概念概念 频率合成器频率合成器是将一个高精确度和高稳定度的标准参考是将
13、一个高精确度和高稳定度的标准参考频率，经过混频、倍频与分频等对它进行加、减、乘、频率，经过混频、倍频与分频等对它进行加、减、乘、除的四则运算，最终产生大量的具有同样精确度和稳定除的四则运算，最终产生大量的具有同样精确度和稳定度的度的频率源频率源。2.应用应用 频率合成器在雷达、通信、遥控遥测、电视广播和电频率合成器在雷达、通信、遥控遥测、电视广播和电子测量仪器等方面得到了广泛的应用。子测量仪器等方面得到了广泛的应用。第31页，本讲稿共65页3.频率合成器的主要技术指标频率合成器的主要技术指标频率范围：频率合成器的工作频率范围。不同的用途有不频率范围：频率合成器的工作频率范围。不同的用途有不同的
14、频率范围。同的频率范围。频率间隔频率间隔 ：频率合成器输出的相邻两个频率之：频率合成器输出的相邻两个频率之间的最小间隔。又称频率分辨率。间的最小间隔。又称频率分辨率。频率转换时间频率转换时间 ：频率合成器输出频率转换后，：频率合成器输出频率转换后，达到稳定工作所需的时间。它和采用的的方法有关。达到稳定工作所需的时间。它和采用的的方法有关。频率稳定度：在规定的时间间隔内，频率合成器输出频频率稳定度：在规定的时间间隔内，频率合成器输出频率偏离规定值的量。率偏离规定值的量。和和 之间的关系：之间的关系：工程上可用的工程上可用的经验公式经验公式第32页，本讲稿共65页4.频率合成的方法频率合成的方法直
15、接频率合成：利用混频器、倍频器、分频器和带通滤直接频率合成：利用混频器、倍频器、分频器和带通滤波器来完成对频率的四则运算。波器来完成对频率的四则运算。双混频双混频分频模块：分频模块：其中：其中：优缺点：频率转换速度快，但体积大，成本高，输出信号优缺点：频率转换速度快，但体积大，成本高，输出信号中有寄生频率。中有寄生频率。第33页，本讲稿共65页锁相频率合成的基本框图锁相频率合成的基本框图.间接频率合成间接频率合成-应用锁相环实现频率合成应用锁相环实现频率合成环路锁定后：环路锁定后：参考基准频率，参考基准频率，一般由晶体振一般由晶体振荡器构成。荡器构成。可编程分频器，可编程分频器，N为分频次数。
16、为分频次数。和和 有相同的频率稳定度。由于有相同的频率稳定度。由于N是可编程是可编程的，不同的分频次数就有不同的频率输出，而且相的，不同的分频次数就有不同的频率输出，而且相邻的两个频率之间的频率增量为邻的两个频率之间的频率增量为 。比较比较频率频率第34页，本讲稿共65页.直接数字频率合成直接数字频率合成 计算机或微处理器根据某种算法或通过查表获得所计算机或微处理器根据某种算法或通过查表获得所需波形各点的值，经过需波形各点的值，经过D/A转换器输出波形。转换器输出波形。计算机计算机/微处理器微处理器D/A第35页，本讲稿共65页二、变模分频合成器二、变模分频合成器1.前置分频前置分频PLL频率
17、合成器频率合成器环路锁定后：环路锁定后：问题：问题：增加前置分频器，解决了输出频率高于程序分频器增加前置分频器，解决了输出频率高于程序分频器的工作频率的问题，提高了输出频率范围。的工作频率的问题，提高了输出频率范围。第36页，本讲稿共65页解解决决的的办办法法：不不改改变变频频率率分分辨辨率率，同同时时提提高高输输出出频频率率范范围，采用围，采用“变模分频器变模分频器”。输出频率增量为输出频率增量为 ，频率分辨率降低了。，频率分辨率降低了。如果保持原有的频率分辨率如果保持原有的频率分辨率 ，需要使参考频率，需要使参考频率降低为降低为 ，同时又使得，同时又使得 增长了增长了V倍。倍。第37页，本
18、讲稿共65页2.双模分频双模分频PLL频率合成器频率合成器模式控制模式控制=H V+1模式控制模式控制=L V 是减法计数的可编是减法计数的可编程分频器，且程分频器，且第38页，本讲稿共65页工作原理：工作原理：当当 都未计数到零时，模式控制为都未计数到零时，模式控制为“H”，变，变模分频器的分频比为（模分频器的分频比为（V+1），其输出为），其输出为 。当当 计数到零时，通过与门使计数到零时，通过与门使 停止工作，同时停止工作，同时模式控制为模式控制为“L”，变模分频器的分频比为，变模分频器的分频比为V，其输，其输出为出为 。此时总共计数了此时总共计数了 个个 周期周期。经过经过 次计数后，
19、次计数后，计数器为零，计数器为零，此时又计此时又计数了数了 个个 周期周期。总分频比：总分频比：第39页，本讲稿共65页环路锁定时：环路锁定时：例：例：频率分频率分辨率为辨率为频率合成器的频率分辨率为频率合成器的频率分辨率为 ，转换时间不受影响。，转换时间不受影响。总结：总结：采用双模分频器，使可编程分频器的工作频率降采用双模分频器，使可编程分频器的工作频率降低为低为 或或 。为频率粗调，为频率细调。第40页，本讲稿共65页3.下变频下变频PLL频率合成器频率合成器标准参标准参考频率考频率环路锁定时：环路锁定时：采用混频器，使可编程分频器的工作频率降低为采用混频器，使可编程分频器的工作频率降低
20、为 。第41页，本讲稿共65页调调谐谐时时，只只需需改改变变N，就就可可以以搜搜索索到到频频段段内内所所有有的的电电台信号。台信号。实例：调频收音机中实例：调频收音机中本振信号本振信号的产生的产生 FM波段：波段：88-108MHZ；中频频率：；中频频率：10.7MHZ；频段；频段内各电台载频之间的间隔内各电台载频之间的间隔 。要求采用下变频。要求采用下变频PLL频率合成器产生本振信号，且混频频率为频率合成器产生本振信号，且混频频率为90MHZ。FM收音机本振频率范围：收音机本振频率范围：98.7-118.7MHZ合成器合成器需产生需产生的信号的信号 频率频率范围。范围。第42页，本讲稿共65
21、页三、多环频率合成器三、多环频率合成器1.后置分频器的后置分频器的PLL频率合成器频率合成器 合成器有较高的频率分辨率合成器有较高的频率分辨率 ，参考频率，参考频率 也也高，转换时间高，转换时间 小。小。问题：输出频率低于环路的工作频率，有时难以实现。问题：输出频率低于环路的工作频率，有时难以实现。第43页，本讲稿共65页2.三环锁相频率合成器三环锁相频率合成器A环低位环环低位环B环高位环环高位环C环相加环环相加环参考参考频率频率第44页，本讲稿共65页工作原理分析：工作原理分析：A环：环：B环：环：C环：环：讨论：讨论：频率分辨率：频率分辨率：A环环1K（细调）（细调）,B环环100K（粗调
22、）。（粗调）。频率转换时间：频率转换时间：实现了高分辨率，高参考频率，转换时间不变。实现了高分辨率，高参考频率，转换时间不变。第45页，本讲稿共65页四、小数分频频率合成器四、小数分频频率合成器分频原理：利用整数分频器实现小数分频分频原理：利用整数分频器实现小数分频若：若：N=10.5 对输入频率进行对输入频率进行10分频和分频和11分频交替进行，其结果分频交替进行，其结果相当于相当于10.5分频。分频。推广：推广：10次分频中进行次分频中进行7次次5分频，分频，3次次6分频。分频。100次分频中进行次分频中进行65次次27分频，分频，35次次28分频。分频。第46页，本讲稿共65页五、频率合
23、成器实例五、频率合成器实例例1.用MC145106构成的单环锁相频率合成器（民用电台民用电台）设计要求：设计要求：电台为同频单工工作方式电台为同频单工工作方式各信道之间的频率间隔为各信道之间的频率间隔为5KHZ电台发射状态产生电台发射状态产生主振载波主振载波，26.965-27.405MHZ。电台接收状态产生电台接收状态产生第一本机振荡信号第一本机振荡信号 和和第二本机振第二本机振荡信号荡信号 。混频混频1混频混频2第一中频第一中频10.695MHZ第二中频第二中频455KHZ26.96527.405MHZ混频混频1、2采用低本采用低本振方式振方式第47页，本讲稿共65页电路实现电路实现：（M
24、C145106）频率分辨率：频率分辨率：频率合成器的发射和接收状态由频率合成器的发射和接收状态由R/T端控制，对应端控制，对应不同的分频系数不同的分频系数 。第48页，本讲稿共65页发射状态：发射状态：锁定时：锁定时：接收状态：接收状态：（参考频率直接得到）（参考频率直接得到）由由 和合成器输出频率混频后获得，此时环和合成器输出频率混频后获得，此时环路的工作频率和发射状态不同。路的工作频率和发射状态不同。第49页，本讲稿共65页例例2.MC145106构成的构成的VHF调频电台（双环）调频电台（双环）第50页，本讲稿共65页6.4 载波同步载波同步概念：在相干解调中，接收端需提供一个与发射端调
25、制载波概念：在相干解调中，接收端需提供一个与发射端调制载波同频同相的同频同相的相干载波相干载波。这个相干载波的提取称为载波提取。这个相干载波的提取称为载波提取或载波同步。或载波同步。获得相干载波的方法：获得相干载波的方法：导频法：发送端在发送信号时，在适当位置插入一导频法：发送端在发送信号时，在适当位置插入一个载波信号。接收端可用普通滤波器或窄带锁相环提个载波信号。接收端可用普通滤波器或窄带锁相环提取载波。取载波。直接法：接收端直接从已调波中提取相干载波。直接法：接收端直接从已调波中提取相干载波。a.已调波中有载波频谱成分，用普通锁相环提取。已调波中有载波频谱成分，用普通锁相环提取。b.已调波
26、中没有载波频谱成分，用特殊锁相环提取。已调波中没有载波频谱成分，用特殊锁相环提取。第51页，本讲稿共65页一、平方环一、平方环设已调信号为：设已调信号为：若若 中没有直流分量，则中没有直流分量，则 就是抑制载波的就是抑制载波的DSB-AM或或PSK信号，其中没有载波频谱成分。信号，其中没有载波频谱成分。解决办法：解决办法：是2PSK信号若：若：成分可以用锁相环提取其中的可以用锁相环提取其中的 成分，分频后得到成分，分频后得到 第52页，本讲稿共65页 实现方案：实现方案：输入、输输入、输出信号的出信号的瞬时相位瞬时相位动态动态方程方程第53页，本讲稿共65页二、同相二、同相正交环（正交环（Co
27、stas环）环）第54页，本讲稿共65页输入信号：输入信号：VCO输出信号：输出信号：正交正交支路支路同相同相支路支路正交支路：正交支路：LPF同相支路：同相支路：LPF第55页，本讲稿共65页同相同相-正交环和平方环的比较：正交环和平方环的比较：误差电压误差电压 和平方环一样，只是和平方环一样，只是 有差别，因此，有差别，因此，平方环的动态方程及相位模型完全适应同相平方环的动态方程及相位模型完全适应同相-正交环。正交环。同相同相-正交环中的相乘器、正交环中的相乘器、LPF和平方环中的平方器、和平方环中的平方器、带通滤波器的作用可以等效。带通滤波器的作用可以等效。同相同相-正交环的工作频率是载
28、波频率正交环的工作频率是载波频率 ，平方环的，平方环的工作频率是工作频率是 。第56页，本讲稿共65页6.5 位同步位同步1.概念：在通信系统的接收端产生与接收到的码元重复概念：在通信系统的接收端产生与接收到的码元重复频率和相位一致的频率和相位一致的定时脉冲序列定时脉冲序列的过程称为码元同步或的过程称为码元同步或位位同步同步。位同步脉冲用来确定接收端每个码元的起止时刻。位同步脉冲用来确定接收端每个码元的起止时刻。例：例：接收码元接收码元位同步脉冲位同步脉冲序列序列1 0 1 02.产生位同步脉冲的方法产生位同步脉冲的方法外同步法（插入导频法）：外同步法（插入导频法）：数字信号数字信号+位同步信
29、号位同步信号自同步法：自同步法：从传送的数字信号中提取位同步信号从传送的数字信号中提取位同步信号第57页，本讲稿共65页一、非线性变换一、非线性变换滤波法（开环滤波法）滤波法（开环滤波法）通过对接收信号的通过对接收信号的非线性变换，获得非线性变换，获得位同步信号的频谱位同步信号的频谱成分，然后用成分，然后用PLL提取。提取。第58页，本讲稿共65页2.利用数字锁相环实现利用数字锁相环实现 数字锁相环电路结构简单，成本低性能好，因此它是实数字锁相环电路结构简单，成本低性能好，因此它是实现位同步提取的常用方法。现位同步提取的常用方法。二、利用特殊设计的锁相环实现位同步提取二、利用特殊设计的锁相环实
30、现位同步提取 （闭环锁定法闭环锁定法）1.利用模拟锁相环实现利用模拟锁相环实现 同相同相-中相位同步环中相位同步环 早早-迟积分清除位同步环迟积分清除位同步环 第59页，本讲稿共65页6.5 FM立体声解码立体声解码立体声复合信号：立体声复合信号：一、一、FM立体声编码原理立体声编码原理LR线性线性变换变换DSB-AM+FM主载波主载波频谱：频谱：(L+R)(L-R)调频波调频波抑制载波的抑制载波的平衡调幅波平衡调幅波导频导频信号信号第60页，本讲稿共65页二、二、FM立体声解码原理立体声解码原理调频波调频波变频变频中频中频鉴频鉴频解码解码RL解码过程：解码过程：采用同步检波的方法对抑制载波的
31、采用同步检波的方法对抑制载波的DSB-AM信号实现信号实现解调，需用锁相环通过导频信号恢复载波，然后解调获得解调，需用锁相环通过导频信号恢复载波，然后解调获得（L-R）信号。）信号。第61页，本讲稿共65页三、锁相环实现三、锁相环实现FM立体声解码立体声解码38KHZ的载的载波恢复波恢复锁定指示锁定指示立体声立体声解码解码第62页，本讲稿共65页电路实现：电路实现：5G3361（MC3361）第63页，本讲稿共65页5G3361的框图与应用电路第64页，本讲稿共65页本章小结本章小结锁相环跟踪滤波特性锁相环跟踪滤波特性锁相环在调制、解调中的应用锁相环在调制、解调中的应用锁相环频率合成器锁相环频率合成器锁相环在载波同步及位同步中的应用锁相环在载波同步及位同步中的应用锁相环在锁相环在FM立体声解码中的应用立体声解码中的应用第65页，本讲稿共65页