锁相环性能分析

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1、锁相环性能分析林倩倩现代通信技术实验室锁和环是一个使输出信号（由振荡器产生的）与参考信号或者输入信号在频率和相位上同步的电路。是实现两个信号相位同步的口动控制系统。在同步（也成为锁定）状态，振荡器输出信号和参考信号之间的相位差为零，或者保持常数。60年代初随着数字通信系统的发展，锁相环应用愈广，例如为相干解调提取参考载波、建立位同步等。锁相环技术目前的应用集中在以下三个方而：第一，信号的调制和解调；第二，信号的调频和解调；第三，信号频率合成电路。锁相环（phase-lockedloop）为无线电发射中使频率较为稳定的一种方法，主要有VCO（压控振荡器）和PLL1C，压控振荡器给岀一个信号，一部

2、分作为输岀，另一部分通过分频与PI丄TC所产生的本振信号作相位比较，为了保持频率不变，就要求相位差不发生改变，如果有相位差的变化，则PLLIC的电压输出端的电压发生变化,去控制VC0,直到相位差恢复!达到锁频的目的！！能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电了电路锁相环的基本组件包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，三者共同形成了一个负反馈结构，如图1所示。鉴相器用于判断压控振荡器的输岀信号与输入信号Z间的相差幅度，输出至低通滤波器进行滤波和平滑，以消除高频干扰和其他不稳定因素的影响，并以此作为压控振荡器的控制信号；压控振荡器根据相位误差信号，自适应的调节内部时钟输出信号，使其

3、频率和相位与输入信号保持一致，完成锁相功能。数字锁相环的工作原理为:数字锁相环主要由相位参考提取电路、晶体振荡器、分频器、相位比较器、脉冲补抹门等组成。分频器输出的信号频率与所需频率十分接近，把它和从信号中提取的相位参考信号同时送入相位比较器，比较结果示出本地频率高了时就通过补抹门抹掉一个输入分频器的脉冲，相当于本地振荡频率降低；相反，若示出本地频率低了时就在分频器输入端的两个输入脉冲间插入一个脉冲，相当于本地振荡频率上升，从而达到同步。1鉴相器：用于判断锁相器所输出的时钟信号和接收信号屮的时钟的相差的幅度;2可调相/调频的时钟发生器器：用于根据鉴相器所输出的信号來适当的调节锁相器，内部的吋钟

4、输出信号的频率或者相位，使得锁相器完成上述的固定相差功能；3环路滤波器：用于对鉴相器的输岀信号进行滤波和平滑，大多数情形下是一个低通滤波器，用于滤除由于数据的变化和其他不稳定因索对整个模块的影响。鉴相器的工作原理是：设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为：引©=“4&碩砒十$©】(式中的(讥为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。则模拟乘法器的输出电压5为：%=她」4理)=m卫g四弋①回或屮+4(e)]皿呻M©】一问十粘©D用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩卜•的羌频分量作为压控振荡器的输入控制电压Uc(t)O即Uc(t)为：=

5、%血｛(吗-屿国©-4OD式屮的5为输入信号的瞬时■振荡角频率，oi(t)和0。(t)分别为输入信号和输出信号的瞬吋位相，根据相量的关系可得瞬吋频率和瞬吋位相的关系为：即呦二何射+务则，瞬时相位差J为站=£叫一叫)X+殆(0对两边求微分，可得频差的关系式为~dl

6、。该特性的表达式为上式说明当山(t)随时间而变时，压控振荡器的振荡频率(讥也随时间而变，锁相环进入“频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持3。二3匚的状态不变。锁相环性能分析设0为相位误差，岛为鉴相器增益，鉴相器的数学模型为:叫⑴=Kdee因此，鉴相器的数学模型是一个增益为的简单的零阶模块。鉴相器的传输函数可以写为：匕旦=心设环路滤波器的传输函数为F(s),分析VCO的传输函数，我们知道VCO的角频率口J以表不为：692(r)=0()+△马⑴=Q()+K(}Uf(t)其中K°称为VCO的增益。我们对频率的变化△©积分得到相位&20(f)=卜马⑴力=K()”f⑴d

7、f对上式进行拉普拉斯变换，得到VCO的传输函数:©2“)二K()Uf($)S所以对于信号来说，VCO可以简单的看成一个积分器。相位的传输函数旳=誥=金册7N为分频系数系统误差传输函数定义为He(s)=二S®($)—$+K()KdF($)/N把误差相位Q与输入相位q联系起来。乞($)和H(s)Z间冇一个简单的关系式：He(s)=l_H(s)锁相环在调制和解调中的应用(1)调制和解调的概念为了实现信息