《频率合成技术-锁相环路的应用.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《频率合成技术-锁相环路的应用.ppt（206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、频率合成技术第5章 锁相环路的应用 频率合成技术频率合成技术频率合成技术频率合成技术主讲人：赵宏飞Email:电子科技大学 电子工程学院频率合成技术第5章 锁相环路的应用 第第5章章锁相环路的应用锁相环路的应用第第1节节跟踪滤波器跟踪滤波器第第2节节调制器与解调器调制器与解调器第第3节节频率合成频率合成第第4节节载波同步载波同步第第5节节位同步位同步第第6节节FM立体声解码立体声解码第第7节节彩色副载波同步彩色副载波同步第第8节节电动机转速控制电动机转速控制第第9节节锁相接收机锁相接收机第第10节节其它应用其它应用频率合成技术第5章 锁相环路的应用 锁相环路的基本特性锁相环路的基本特性w锁定后
2、无频差锁定后无频差w自动跟踪特性自动跟踪特性w具有良好的窄带特性（数百具有良好的窄带特性（数百MHz的中心的中心频率上，带宽可以做到几频率上，带宽可以做到几Hz）频率合成技术第5章 锁相环路的应用 第第1节节跟踪滤波器跟踪滤波器跟踪滤波器是一个带通滤波器，其中心频率能自动地跟踪输入信号载波频率的变化。由锁相环路工作原理知道，锁相环路本身就具有这样的性能，只是其输出信号的相位可能(取决于所用鉴相器的类型)与输入信号相位差90而已。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-1(b)为输入衰落信号情况下，锁相环路的输入与输出信号的波形。锁相环路作为跟踪滤波器时应从压控振荡器输出uo(t)，在窄带设计
3、条件下它是经过提纯的输入信号载波，可用于信号的相干解调等。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-1锁相环路跟踪衰落信号频率合成技术第5章 锁相环路的应用 根据压控振荡器的特性，它的瞬时振荡频率当环路锁定时，v(t)=i(t)，因而频率合成技术第5章 锁相环路的应用 一、跟踪特性锁相环路的跟踪特性是可以测量的。以CMOS集成锁相环路5G4046构成的跟踪滤波器如图5-2(a)。在电源电压为10V，中心频率fo=100kHz的情况下，用XY记录仪直接测得的结果如图5-2(b)。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-2锁相环路跟踪特性的测量频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-2锁相环路
4、跟踪特性的测量频率合成技术第5章 锁相环路的应用 当输入频率下降时得到图中实线，在fi=f3=1208kHz处环路捕获，在fi=f1=41kHz处失锁。由此可算得环路的同步带捕获带频率合成技术第5章 锁相环路的应用 二、频率特性锁相环路对输入高频信号的带通特性是由环路传递函数的低通特性所决定的。设输入信号被正弦音频信号调频，则输入瞬时频率为式中c是载频；为调制音频；为峰值频偏。根据第一章的定义，输入相位为(6-1)(6-2)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 只要环路工作在线性范围，环路滤波器的输出uc(t)也是频率为的正弦波，它的幅度为式中H(j)是环路的闭环频率响应；1(j)是正弦相位信号
5、1(t)的幅度*。根据(6-2)式(6-3)将(6-4)式代入(6-3)式得到(6-4)(6-5)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-3跟踪滤波器的频率特性频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-3跟踪滤波器的频率特性频率合成技术第5章 锁相环路的应用 第第2节节调制器与解调器调制器与解调器一、调幅信号的调制与解调1.调幅信号设未调载波为式中Uc为载波幅度；c为载频。调制信号为(6-6)(6-7)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 为分析简化，式中信号幅度已经归一。经调幅后产生的调幅信号为(6-8)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 2调制器用集成锁相环路很容易构成一个性能良好的AM调
6、制器。这时，环中的相乘器不再作鉴相器应用，而是直接用它的相乘功能；压控振荡器也不再作被控振荡器，而是直接产生载波信号。由此构成如图5-4框图。图5-4AM调制器原理图频率合成技术第5章 锁相环路的应用 频率合成技术第5章 锁相环路的应用 3解调器常用的AM信号解调器是峰值检波器。这种电路无法抑制信号所伴随的噪声，解调输出信噪比较差。若用同步解调则可抑制噪声，使解调输出信噪比得到改善。设带有载波的DSBAM信号为(6-9)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-6AM信号同步解调的原理图频率合成技术第5章 锁相环路的应用 同步的恢复载波为这两个信号相乘即可实现同步解调(6-10)(6-11)频
7、率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-7AM信号的PLL同步解调频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-7AM信号的PLL同步解调频率合成技术第5章 锁相环路的应用 二、模拟调频和调相信号的调制与解调1.调频与调相信号仍设幅度为1的单一频率的调制信号uF(t)=sin(t+)(6-12)则调频信号为uFM(t)=Ucsinc+uF(t)t(6-13)式中c为载频；Uc为载波幅度；为峰值频偏。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 将(6-12)式代入(6-13)式得uFM(t)=Ucsinc*+sin(t+)t(6-14)已调信号的幅度为常数，其瞬时频率正比于调制信号。调频信号也可以用频谱来表
8、示。单一频率正弦信号调制的调频信号，其频谱不再像调幅信号那样是三条谱线，而是有无限多的谱线。谱线的频率为c，c2,，cn，其中n为正整数。第n对谱线的幅度为(设Uc=1)(6-15)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 调频信号可分为窄带和宽带两类。所谓窄带调频信号是指峰值频偏远小于调制频率，即mf1，有很多谱线。作为一个粗略的近似，可忽略nmf的那些频谱，其带宽可近似为(6-16)(6-17)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 调相信号的特征是其瞬时相位与调制信号成正比，可表示为uPM(t)=Ucsinct+uF(t)(6-18)式中为峰值相偏。若调制信号仍同(6-12)式，则代入(6-18)
9、式得uPM(t)=Ucsinct+sin(t+)(6-19)它的频谱也包含有一组间隔为的谱线。频率为cn的频谱幅度为(设Uc=1)A(cn)=Jn()(6-20)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-8FM与PM的转换频率合成技术第5章 锁相环路的应用 每个压控振荡器自身就是一个调频调制器，因为它的瞬时频率正比于输入控制信号。图5-8说明如何将一个调频调制器变换成一个调相调制器。调制信号uF(t)经微分后得式中Td是一个常数。uf(t)控制VCO得到输出瞬时频率为VCO的瞬时相位为(6-21)(6-22)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 令KoTd=，则VCO输出信号可表示为uo(t)=
10、Ucsinot+uF(t)这就是一个载波频率等于VCO自由振荡频率o的调相信号，与(6-18)式相同，说明图5-8完成了调频信号与调相信号之间的变换。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 2调制器压控振荡器可以直接用作FM调制器。但是由于它的振荡频率的温度漂移以及控制特性的非线性等，不能产生高质量的FM信号。应用如图5-9所示的PLL调制器，可以获得FM或PM信号。其载频稳定度很高，可以达到晶体振荡器的频率稳定度。根据环路的线性相位模型，可以导出在调制信号uF(t)作用下，环路的输出相位(以下均用它们的拉普拉斯变换表示)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-9PLL调制器频率合成技术第5章
11、锁相环路的应用(6-23)VCO输出频率相对于自由振荡频率o的频偏即为s2(s)。由上式可得(6-24)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 若要产生PM信号，需使输出相位2(s)与调制信号成正比。从(6-23)式可见，若先将调制信号经过微分得到sUF(s)，再代入(6-23)式，即可得到(6-25)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 为保证调制器具有同样良好的低频调制特性，可用锁相环路构成一种所谓两点调制的宽带FM调制器，其组成框图如图5-10。图5-10两点调制的宽带FM调制器频率合成技术第5章 锁相环路的应用 在环路的线性相位模型上，可以分别计算uF1(t)和uF2(t)的调制作用。uF1
12、(t)产生的输出相位为(6-26)uF2(t)产生的输出相位为(6-27)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 式中Kp是前端调相器的调制增益。总的输出相位为将此代入上式得(6-28)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 3.解调器调制跟踪的锁相环路本身就是一个FM解调器，从压控振荡器输入端得到解调输出。系统的框图如图5-11。发射机部分用一PLL集成电路构成，VCO作为FM调制器;PD用一个相乘器，这里用作缓冲放大，只要在另一端加一固定偏置电压即可。接收机是一通用的线性PLL电路。利用PLL良好的调制跟踪特性，使PLL跟踪输入FM信号瞬时相位的变化，从而从VCO控制端获得解调输出。频率合成技术第
13、5章 锁相环路的应用 图5-11FM通信系统频率合成技术第5章 锁相环路的应用 假设输入FM信号，环路处于线性跟踪状态，且信号载频c等于VCO自由振荡频率，则由(6-14)式可得到输入相位(6-29)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 设PLL的闭环频率响应为H(j)，则输出相位为(6-30)因而解调输出电压为频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-12几种FM解调器电路频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-12几种FM解调器电路频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-12几种FM解调器电路频率合成技术第5章 锁相环路的应用 三、数字调频和调相信号的调制与解调1.数字信号调频与调相最常
14、见的数字调频与调相信号是，二元数据信号的移频键控信号FSK，以及移相键控信号PSK。2.数字调频信号的产生从原理上讲，方波调频与前面讲过的模拟信号调频没有什么本质的不同。这里着重介绍一些适用的实际电路。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-13FSK信号和PSK信号频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-14FSK调制器频率合成技术第5章 锁相环路的应用 3.解调器用PLL解调FSK信号有两种不同的方法。第一种是用一个PLL使其始终对输入信号的频率锁定或跟踪。第二种方法是用一个PLL对FSK信号中的一个频率锁定，而对另一个频率则是失锁的。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-15XR
15、-215的FSK解调电路频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-16NE560和NE565的FSK解调电路频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-16NE560和NE565的FSK解调电路频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-17NE564的FSK解调电路频率合成技术第5章 锁相环路的应用 频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-18电话拨号音解码电路频率合成技术第5章 锁相环路的应用 第第3节节频率合成频率合成一、概述频率合成器又称频率综合器，简称频合或者频综，是将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、除的四则运算，最终产生大量的具有同样精
16、确度和稳定度的频率源。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 频率合成器主要性能指标：频率合成器主要性能指标：1、频率范围频率范围是指频率合成器输出的最低频率fomin和最高频率fomax之间的变化范围,也可用覆盖系数k=fomax/fomin表示（k又称之为波段系数）。如果覆盖系数k23时,整个频段可以划分为几个分波段。在频率合成器中,分波段的覆盖系数一般取决于压控振荡器的特性。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 2、频率间隔（频率分辨率）频率合成器的输出是不连续的。两个相邻频率之间的最小间隔,就是频率间隔。频率间隔又称为频率分辨率。不同用途的频率合成器,对频率间隔的要求是不相同的。对短波单边带
17、通信来说,现在多取频率间隔为100Hz,有的甚至取10Hz、1Hz乃至0.1Hz。对超短波通信来说,频率间隔多取50kHz、25kHz等。在一些测量仪器中,其频率间隔可达兆赫兹量级。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 3、频率转换时间频率转换时间是指频率合成器从某一个频率转换到另一个频率,并达到稳定所需要的时间。它与采用的频率合成方法有密切的关系。4、准确度与频率稳定度频率准确度是指频率合成器工作频率偏离规定频率的数值,即频率误差。而频率稳定度是指在规定的时间间隔内,频率合成器频率偏离规定频率相对变化的大小。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 5、频谱纯度影响频率合成器频谱纯度的因素主要有两个
18、,一是相位噪声,二是寄生干扰。相位噪声是瞬间频率稳定度的频域表示,在频谱上呈现为主谱两边的连续噪声,如图5-31所示。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图531频率合成器的频谱频率合成技术第5章 锁相环路的应用 频率合成器分类：频率合成器分类：频率合成器可分为直接式频率合成器,间接式（或锁相）频率合成器和直接式数字频率合成器。1直接式频率合成器（DS）直接式频率合成器是最先出现的一种合成器类型的频率信号源。这种频率合成器原理简单,易于实现。其合成方法大致可分为两种基本类型:一种是所谓非相关合成方法;另一种称为相关合成方法。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 2间接式频率合成器（IS）间接式频
19、率合成器又称为锁相频率合成器。锁相频率合成器是目前应用最广的频率合成器,也是本节主要介绍的内容。直接式频率合成器中所固有的那些缺点,如体积大、成本高、输出端出现寄生频率等,在锁相频率合成器中就大大减少了。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 锁相锁相频率合成器的基本概念：频率合成器的基本概念：锁相式单环频率合成器基本组成如下图所示：即：即：当环路锁定后，鉴相器两路输入频率相等 PD PD LF LFVCOvi(t)vo(t)fi(t)fo(t)fo(t)/N晶振晶振fi(t)/M当N改变时，输出信号频率相应为fi的整数倍变化。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 1.基本单环频率合成器基本单环频率
20、合成器2.带有前置分频的数字频率合成器带有前置分频的数字频率合成器频率合成技术第5章 锁相环路的应用 3.下变频型的单环频率合成器下变频型的单环频率合成器4.双模前置分频器型单环频率合成器双模前置分频器型单环频率合成器频率合成技术第5章 锁相环路的应用 5.多环频率合成器多环频率合成器频率合成技术第5章 锁相环路的应用 6.小数分频频率合成器小数分频频率合成器频率合成技术第5章 锁相环路的应用 频率合成的方法主要有三种。最早的合成方法被称为直接频率合成，它利用混频器、倍频器、分频器和带通滤波器来完成对频率的四则运算。典型的一种直接合成模块为双混频分频模块，如图5-19。频率合成技术第5章 锁相
21、环路的应用 图5-19双混频分频模块频率合成技术第5章 锁相环路的应用 应用锁相环路的频率合成方法称为间接合成。它是目前应用最为广泛的一种频率合成方法。锁相频率合成的基本框图如图5-20。在环路锁定时，鉴相器两输入的频率相同，即fd是VCO输出频率fo经N次分频后得到的，即(6-31)所以输出频率(6-32)(6-33)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-20锁相频率合成的基本框图频率合成技术第5章 锁相环路的应用 二、变模分频合成器如图5-20的基本锁相频率合成器中，VCO输出频率直接加到可编程分频器上。各种工艺的可编程分频器都有一定的上限频率,这就限制了这种合成器的最高工作频率。解决
22、这个问题的办法之一是在可编程分频器的前端加一个固定模数V的前置分频器，如图5-21所示。ECL或CaAs的固定模数分频器可工作到1GHz以上，这就大大提高了合成器的工作频率。采用前置分频之后，合成器的输出频率为频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-21用前置分频的PLL合成器频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-22双模分频PLL合成器频率合成技术第5章 锁相环路的应用 在这一个完整的周期中，输入的周期数为D=(V+1)N2+(N1-N2)V=VN1+N2(6-36)若V=10，则D=10N1+N2(6-37)其它的双模分频比，例如56、67、89、以及100101也是常用的。若用10
23、0101的双模分频器，那么V=100D=100N1+N2(6-38)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-23四模分频PLL合成器频率合成技术第5章 锁相环路的应用 频率合成技术第5章 锁相环路的应用 采用变模分频器的目的在于使合成器能工作在高于可编程分频器上限的频率上。解决这个问题的另外一个途径即是用一个本机振荡器，通过混频将输出频率下移，如图5-24所示。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-24下变频PLL合成器频率合成技术第5章 锁相环路的应用 fo=Nfr+Fm=(8702870)001+90=9871187MHz频率合成技术第5章 锁相环路的应用 单环式频率合成器存在的问题
24、：单环式频率合成器存在的问题：1、减小输出频率间隔和减小频率转换时间是矛盾的。要减小输出频率间隔，就必须减小输入参考频率fr。因环路滤波器的带宽必须小于参考频率，因而环路滤波器的带宽也要压缩。环路的捕捉时间或跟踪时间就要加长，即频率合成器的频率转换时间加大。2、锁相环路内接入分频器后，其环路增益将下降为原来的1/N。当要求频率间隔很小时，其分频比N的变化范围将很大，导致环路增益也大幅度的变化，从而影响到环路的动态工作性能。3、可编程分频器的分频比的数目决定了合成器输出信道的数目，而程序分频的输入频率就是合成器的输出频率。由于可编程分频器的工作频率比较低，无法满足大多数通信系统中工作频率高的要求
25、。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 三、多环频率合成器用高参考频率而且仍能得到高频率分辨力的一种可能的方法是，在锁相环路的输出端再进行分频，如图5-25。VCO输出频率经M次分频之后为频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-25后置分频器的PLL合成器频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-26三环锁相频率合成器频率合成技术第5章 锁相环路的应用 合成器的频率转换时间是由A、B、C三个环共同决定的。因为A、B两个环的参考频率fr=100kHz，C环的参考频率更高，*所以即使频率分辨力达到1kHz，而总的频率转换时间仍为频率合成技术第5章 锁相环路的应用 例：下图为三环式频率合成器方框图已
26、知：已知：求输出信号频率范围及频率间隔求输出信号频率范围及频率间隔环环C环环A环环BPDPDLFLFVCOfi(t)fA(t)fA(t)/NAPDPDLFLFVCOfi(t)fB(t)fA(t)/NBPDPDLFLFVCO混频混频带通带通fo(t)fc(t)fo-fB频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-27CMOS集成双环合成器频率合成技术第5章 锁相环路的应用 环路的输出频率频率合成技术第5章 锁相环路的应用 四、小数分频合成器锁相频率合成器的基本特性是，每当可编程分频器的分频比改变1时，得到输出频率增量为参考频率fr。为提高频率的分辨力就需减小参考频率fr，这对转换时间等性能是十分不
27、利的。我们设想，假若可编程分频器能提供小数的分频比，每次改变某位小数，那就能在不降低参考频率的情况下提高频率分辨力了。这是一个理想的办法，可惜数字分频器本身无法实现小数分频。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-28小数分频PLL合成器频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-29图5-28电路的波形图频率合成技术第5章 锁相环路的应用 集成锁相环频率合成器集成锁相环频率合成器集成锁相频率合成器是一种专用锁相电路。它是发展很快、采用新工艺多的专用集成电路。它将参考分频器、参考振荡器、数字鉴相器、各种逻辑控制电路等部件集成在一个或几个单元中,以构成集成频率合成器的电路系统。频率合成技术第5章
28、 锁相环路的应用 1MC1451461MC1451461是一块20脚陶瓷或塑料封装的,由四位总线输入、锁存器选通和地址线编程的大规模单片集成锁相双模频率合成器,图641给出了它的方框图。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图641MC1451461方框频率合成技术第5章 锁相环路的应用 表54MC145146-1地址码与锁存器的选通关系频率合成技术第5章 锁相环路的应用 ST（12端）:数据选通控制端,当ST是高电平时,可以输入D0D3输入端的信息,ST是低电平时,则锁存这些信息。PDout（5端）:鉴相器的三态单端输出。当频率fvfr或fv相位超前时,PDout输出负脉冲;当相位滞后时,输出
29、正脉冲;当fvfr且同相位时,输出端为高阻抗状态。LD（13端）:锁定检测器信号输出端。当环路锁定时（fv与fr同频同相）,输出高电平,失锁时输出低电平。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 V、R(16、17端):鉴相器的双端输出。可以在外部组合成环路误差信号,与单端输出PDout作用相同,可按需要选用。图642是一个微机控制的UHF移动电话信道的频率合成器,工作频率为450MHz。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图642采用MC1451461的UHF移动无线电话频率合成器频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图543给出了一个800MHz蜂窝状无线电系统用的666个信道、微机控制的移动无线
30、电话频率合成器。接收机第一中频是45MHz,第二中频是11.7MHz,具有双工功能,收发频差45MHz。参考频率fr7.5kHz,参考分频 比 R 1480。环 路 总 分 频 比 NT 32*N A2750128188,N=859880,A=031,锁相环VCO输出频率fvNTfr206.2575211.410MHz。MC145145-1与MC145146-1结构类似,不同点在于MC145145-1是单模锁相频率合成器,其可编程N计数器为14位,则N=316388。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图543采用MC1451461的800MHz移动无线电话频率合成器频率合成技术第5章 锁相环
31、路的应用 2、MC1451511MC1451511是一块由14位并行码输入编程的的单模CMOS、LSI单片集成锁相频率合成器,其组成方框图如图844所示。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图644MCA1451511方框图频率合成技术第5章 锁相环路的应用 MC1451511是28脚陶瓷或塑料封装型电路,现将各引出端的作用说明如下:OSCin、OSCout（26、27端）:参考振荡器的输入和输出端。RA0、RA1、RA2（5、6、7端）:参考地址输入端。fin（1端）:N计数器的输入端。fv（10端）:N计数器的输出端。N0N13（1120及2225端）:N计数器的预置端。TR（21端）:收
32、发控制端。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 PDout（4端）:PDA三态输出端。R、V（8、9端）:PDB两个输出端。LD（28端）:锁定检测输出端。图645是一个采用MC1451511的单环本振电路。图646为一个采用MC1451511组成的UHF陆地移动电台频率合成器。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 表65MC145151-1参考地址码与参考分频比的关系频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图645采用MC1451511的55.5MHz本振电路频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图646采用MC1451511组成的UHF陆地移动电台频率合成器频率合成技术第5章 锁相环路的应用 与MC
33、145151-1对应的是MC145152-1,它是一块由16位并行码编程的双模CMOS、LSI单片锁相频率合成器,除程序分频器外与MC145151-1基本相同。MC145151-1是单模工作的,而MC145152-1是双模工作的。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 五、频率合成器实例(1)图5-30是一个用MC145106构成的单环锁相频率合成器,作为民用电台的发射机主振和接收机第一、第二本振。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-30单工民用电台用单环锁相频率合成器频率合成技术第5章 锁相环路的应用(2)图5-31是用MC145106构成的双环锁相频率合成器,应用于航空电台。图崐中上部是
34、一个VHF环,参考振荡频率为1024MHz,鉴相频率为fr1=5kHz。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-31双环锁相频率合成器频率合成技术第5章 锁相环路的应用(3)图5-32是用MC145152构成的前置双模分频的锁相频率合成器,用于航空导航接收机。图中MC3393P是双模前置分频器,按V/(V+1)(V=15)模式工作,其最高工作频率是140MHz。参考振荡频率为32MHz。现置定RA2RA1RA0=001,可查得参考分频比为64,则鉴相器工作频率为50kHz。控制N=114127,A=014,即可合成需要的频段8600095950MHz。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5
35、-32导航接收机用前置双模分频锁相频率合成器频率合成技术第5章 锁相环路的应用 六、直接数字式频率合成器六、直接数字式频率合成器直接数字式频率合成器（DDS）直接数字式频率合成器是近年来发展非常迅速的一种器件,它采用全数字技术,具有分辨率高、频率转换时间短、相位噪声低等特点,并具有很强的调制功能和其它功能。当最低有效位为1加到相位累加器时,产生最低的频率,在时钟fc的作用下,经过了N位累加器的2N个状态,输出频率为fc/2N。加任意的M值到累加器,则DDS的输出频率为频率合成技术第5章 锁相环路的应用 直接数字频率合成器原理框图直接数字频率合成器原理框图1.框图框图DDS原原理理频率合成技术第
36、5章 锁相环路的应用 DDS合成器结构框图合成器结构框图频率合成技术第5章 锁相环路的应用 DDS和锁相环混合合成器框图和锁相环混合合成器框图图5DDS驱动PLL频率合成器频率合成技术第5章 锁相环路的应用 2.DDS和混频器组合的合成器和混频器组合的合成器频率合成技术第5章 锁相环路的应用 DDS有如下特点:（1）频率转换时间短,可达毫微秒级,这主要取决于累加器中数字电路的门延迟时间;（2）分辨率高,可达到毫赫兹级,这取决于累加器的字长N和参考时钟fc。（3）频率变换时相位连续;（4）有非常小的相位噪声。（5）输出频带宽,一般其输出频率约为fc的40以内;（6）具有很强的调制功能。缺点：输出
37、固有杂散，输出频率不能够很高。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 在PLL频率合成器中,设计时要考虑的因素有:（1）频率分辨率及频率步长;（2）建立时间;（3）调谐范围（带宽）;（4）相位噪声和杂散（谱纯度）;（5）成本、复杂度和功能。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 在DDS频率合成器中,设计时要考虑的因素有:（1）时钟频率（带宽）;（2）杂散（谱纯度）;（3）成本、复杂度和功能。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 DDS的杂散主要是由DAC的误差和离散抽样值的量化近视引起的,改善DDS杂散的方法有:（1）增加DAC的位数,DAC的位数增加一位,杂散电平降低6dB;（2）增加有效相位数,每
38、增加一位,杂散电平降低8dB;（3）设计性能良好的滤波器。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 DDS和PLL这两种频率合成方式不同,各有其独有的特点,不能相互代替,但可以相互补充。将这两种技术相结合,可以达到单一技术难以达到的结果。图536是DDS驱动PLL频率合成器,这种频率合成器由DDS产生分辨率高的低频信号,将DDS的输出送入一倍频混频PLL,其输出频率为（575）频率合成技术第5章 锁相环路的应用 其输出频率范围是DDS输出频率的N倍,因而输出带宽,分辨率高,可达1Hz以下。这种频率合成器取决于DDS的分辨率和PLL的倍频次数。其转换时间快,是由于PLL是固定的倍频环,环路带宽可以较大
39、,因而建立时间就快,可达微秒级;N不大时,相位噪声和杂散都可以较低。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 AD9852直接数字式频率合成器直接数字式频率合成器频率合成技术第5章 锁相环路的应用 频率合成技术第5章 锁相环路的应用 第第4节节载波同步载波同步一、平方环接收信号本身虽然没有载波的频谱分量,但显然内中含有载频的信息,只要经过非线性变换即可产生载波的倍频分量,例如BPSK信号ui(t)=Uim(t)sinot+1(t)(6-40)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 当ui(t)与噪声n(t)同时进入接收机之后,只要经过平方律的非线性变换,即可产生2o的频谱分量,即ui(t)+n(t)2=
40、Ui2m2(t)sin2o(t)+1(t)+2Uim(t)sinot+1(t)n(t)+n2(t)(6-41)设输入带通滤波器的带宽Bi足够宽,可以不失真地传输原始数据信号m(t),而Bi与中心频率o相比又小得多,故输出n(t)为带限自高斯噪声,可表示为n(t)=nc(t)cosot-ns(t)sinot=Nc(t)cosot+1(t)-Ns(t)sinot+1(t)(6-42)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 式中Nc(t)=nc(t)cos1(t)+ns(t)+sin1(t)Ns(t)=-nc(t)sin1(t)+ns(t)cos1(t)(6-43)图5-33平方环频率合成技术第5章 锁
41、相环路的应用 将此代入(6-41)式,经2o带通滤波器提取出2o附近的成分,得输出信号为它与压控振荡器输出电压(6-44)相乘,经环路滤波器滤除4o的分量,得到误差电压(6-46)(6-45)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 其中Km为相乘器的系数;(6-47)为等效噪声电压。据此可建立环路方程(6-48)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 式中Ko是VCO的灵敏度,F(p)是LF的传输算子,相应的等效模型如图5-34。图中等效鉴相器特性D(e)=Kdsin2e(t)(6-49)它仍是一个正弦鉴相器,只是周期不是2,而是。经过线性近似,即当e(t)比较小时Kdsin2e(t)2Kde(t)则
42、方程(6-48)式简化为(6-50)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-34平方环的等效模型频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-35平方环线性化噪声相位模型频率合成技术第5章 锁相环路的应用 利用这个模型,可在已知输入信号功率Ps、输入噪声单边功率谱密度No等条件下,求得环路的输出相位噪声方差(6-51)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 二、同相正交环同相正交环又称考斯塔斯(Costas)环,其组成如图5-36。接收信号被分别送到上下两个支路的两个鉴相器上,上支路与VCO输出正交鉴相,下支路与经90相移的VCO输出同相鉴相。上下鉴相器输出经低通过滤之后相乘,获得误差电压通过环路滤
43、波器之后去控制VCO的相位与频率。图5-36同相正交环中,除VCO和LF之外的所有部分的作用是,在接收信号(6-52)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-36同相正交环频率合成技术第5章 锁相环路的应用 和VCO输出信号共同作用之下,产生一个误差电压Ud(t),所以它完全等效为一个鉴相器。不难证明,误差电压(6-53)(6-54)(6-55)是这个等效鉴相器的灵敏度;(6-56)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 第第5节节位同步位同步一、非线性变换滤波法归零码中含有码元速率的频谱谱线,可以用锁相环路直接提取位同步信号。归零码所需的带宽约为非归零码的一倍,因此更为常用的数据信号是非归零码
44、。因为非归零码中没有码元速率的谱线,码元同步的提取需先对码序列进行非线性变换,以恢复其位信号之后才能用锁相环路来提取,方法如图5-37。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-37非归零码的位同步频率合成技术第5章 锁相环路的应用 二、同相中相位同步环与同作载波同步的同相正交环相类比,可以构成用于位同步的同相中相环,如图5-38。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-38同相中相位同步环频率合成技术第5章 锁相环路的应用 设输入信号为x(t)=m(t-)(6-57)同相积分区间为(6-58)中相积分区间为(6-59)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-39三种情况下的同相和中相积分
45、频率合成技术第5章 锁相环路的应用 判决器的输出为转换判别器的输出为(6-60)(6-61)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 相乘器输出ud(t)=IkJk(6-62)由于输入码元序列出现数据转换的概率为1/2,故平均误差电压(6-63)(6-64)(6-65)(6-66)(6-67)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-40 同相中相位同步环的归一化等效鉴相特性(=1)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-41同相中相位同步环归一化等效鉴相特性(=1/2)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 三、早迟积分清除位同步环图5-42为绝对值型早迟积分清除位同步环,信号与噪声一起同时进入早、
46、迟积分器。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-42绝对值型早迟积分清除位同步环频率合成技术第5章 锁相环路的应用 由图5-43可见,早积分器的清除时刻超前于迟积分器的清除时刻,超前量为T-2。为使两者在时间上对齐,图中的延迟是必要的。两路积分输出在比较器中相减,则可获得所需要的误差电压,误差电压经滤波后控制VCO就可实现同步。同样,早迟积分清除位同步环中,除了VCO和LF之外的全部电路可等效为一个鉴相器,其等效鉴相特性为D(e/T)=2KATsDn(e/T)(6-68)式中Dn(e/T)为归一化等效鉴相特性(6-69)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-43早、迟积分器的积分区域频
47、率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-44绝对值型早迟积分清除同步环的归一化等效鉴相特性频率合成技术第5章 锁相环路的应用 第第6节节FM立体声解码立体声解码主信号L+R、附加信号L-R调制形成的抑制载波的DSBAM信号，再加上19kHz的导频信号，组成了立体声复合信号，即(6-70)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-45立体声复合信号的频谱频率合成技术第5章 锁相环路的应用 锁相环FM立体声解码器的框图如图5-46。它主要有三部分组成：产生19kHz方波信号的锁相环路、锁定指示器和解码器。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-46锁相环FM立体声解码器框图频率合成技术第5章 锁
48、相环路的应用 同步解调，在V1的输出端得到UL=05(L+R)+032(L-R)=082L+018R在V2的输出端得到UR=05(L+R)-032(L-R)=018L+082R经后续网络的合成，L输出端得到UL-022UR=078LR输出端得到UR-022UL=078R频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-475G3361的框图与应用电路频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-475G3361的框图与应用电路频率合成技术第5章 锁相环路的应用 第第7节节彩色副载波同步彩色副载波同步在彩色电视中，彩色全电视信号包括亮度信号、色差信号、色同步信号和行同步信号。其中亮度信号由三基色组成EY=0
49、3ER+059EG+011EB(6-71)式中EY、ER、EG和EB分别表示亮度、红色、绿色和蓝色信号电压。频率合成技术第5章 锁相环路的应用 在我国通用的PAL制中，色度信号是一种特殊的调幅信号。它利用两个色差信号：一个是红基色信号ER和亮度信号EY之差ER-Y=ER-EY=07ER-059EG-011EB(6-72)另一个是蓝基色信号EB与亮度信号EY之差EB-Y=EB-EY=-03ER-059EG+089EB(6-73)频率合成技术第5章 锁相环路的应用 用这两个色差信号分别对互为正交的两个同频色副载波sc进行平衡调制，得到F=ER-Ycossct+EB-Ysinsct(6-74)频率合
50、成技术第5章 锁相环路的应用 在PAL制中，为了克服相位失真而引起的色调变化，色度信号是经过逐行倒相的，如奇数行Fo=EB-Ycossct+ER-Ysinsct偶数行e=EB-Ycossct-ER-Ysinsct频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-48PAL制彩色电视的色差信号解调频率合成技术第5章 锁相环路的应用 图5-49D7193AP/P色处理电路框图频率合成技术第5章 锁相环路的应用 第第8节节电动机转速控制电动机转速控制利用锁相环路可以很低的成本对直流电动机转速实施非常精确的转速控制，这在工业生产技术上是十分有用的。与常规的电机转速控制技术相比，锁相技术具有明显的优点。典型的电