1、12022-5-1朱曉霞朱曉霞32學時學時通信中的同步技術及其應用通信中的同步技術及其應用22022-5-1第一講第一講概述以及環路的基本原理概述以及環路的基本原理32022-5-1n新的學期開始了！新的學期開始了！n希望同學們靜下心來！希望同學們靜下心來！n課程有難度！不只為分數！課程有難度！不只為分數！n鍛煉自己鍛煉自己 成長自己最重要！成長自己最重要！42022-5-1課程概述52022-5-1高等數學高等數學 概率論概率論 工科基礎課工科基礎課專業基礎課專業基礎課專業課專業課62022-5-1電子科學與技術電子科學與技術（電路與系統（電路與系統 通信工程通信工程 信息工程信息工程 電磁

2、場科學與技術）電磁場科學與技術）電路（低頻、高頻、脈沖與數字、微波）：元器件電路（低頻、高頻、脈沖與數字、微波）：元器件/連接連接電磁場（電磁場、微波、天線）：天線與傳播電磁場（電磁場、微波、天線）：天線與傳播信號處理信號處理（信號與系統、隨機信號分析通信技術同步技術）（信號與系統、隨機信號分析通信技術同步技術）信息的載體信息的載體信息（編碼、加密解密、協議信息（編碼、加密解密、協議 計算機計算機 語言）語言） ： 信息處理信息處理72022-5-1工程應用工程應用（通信、雷達、制導、水聲、計（通信、雷達、制導、水聲、計算機、語音、生物醫學、圖象處算機、語音、生物醫學、圖象處理、廣播電視理、廣

3、播電視）82022-5-1期末成績評價期末成績評價平時成績平時成績: :作業作業 抽查點名抽查點名 課堂回答問題課堂回答問題 40%40%期末考試期末考試:60%:60%教材：通信中的同步技術及應用通信中的同步技術及應用 清華大學出版社 季仲梅 92022-5-1n通信的基本概念通信的基本概念通信的目的通信的目的：傳遞：傳遞消息消息中所包含的中所包含的信息信息。消息消息：是物質或精神狀態的一種反映，例如：是物質或精神狀態的一種反映，例如語音、文字、音樂、數據、圖片或活動圖像語音、文字、音樂、數據、圖片或活動圖像等。等。信息信息：是消息中包含的有效內容。：是消息中包含的有效內容。實現通信的方式和

4、手段：實現通信的方式和手段：n非電的：如旌旗、消息樹、烽火臺非電的：如旌旗、消息樹、烽火臺 n電的：如電報、電話、廣播、電視、遙控、遙測、電的：如電報、電話、廣播、電視、遙控、遙測、因特網和計算機通信等。因特網和計算機通信等。 102022-5-1通信系統通信系統：傳遞信息所需的一切技術設備的總和。傳遞信息所需的一切技術設備的總和。通信系統的基本模型通信系統的基本模型信源和輸信源和輸入變換器入變換器發送設備發送設備信道信道接收設備接收設備輸出變換輸出變換器和信宿器和信宿噪聲及噪聲及干擾源干擾源112022-5-1信息源調制器信道解調器受信者噪聲源調制的概念：控制 變換 頻譜搬移模擬通信系統模型

5、模擬通信系統模型122022-5-1n數字通信系統模型數字通信系統模型數字通信系統是利用數字信號來傳遞信息的通信系統數字通信系統是利用數字信號來傳遞信息的通信系統 位同步位同步 幀同步幀同步 時鐘同步時鐘同步132022-5-1通信信號的解調方式：相干解調非相干解調 ( )mst BPF )(tn ( )mst )(tni )(tno o( )m t 包絡檢波 ( )mst LPF BPF )(tn ( )mst )(tni )(tno o( )m t cosct 相干相干解調解調非相干非相干解調解調142022-5-1p 同步技術在通信中的重要性同步技術在通信中的重要性 概概 述述 數字調制

6、系統的性能是由解調方式決定,采用相干解調時接收端需要提供一個相干載波n載波同步與所收到的已調制載波同頻同相相干載波的獲取就稱為載波同步152022-5-1 iiittmtusin如：接收信號在接收端若有 iittu sin0 )22cos(1210iiittmtutu低通濾波后就可得到調制信號 tm概概 述述 則162022-5-1 數字通信中，信息是一串相繼的碼元序列，接收端解調判決時，必須要有一個抽樣判決定時脈沖序列，它要和接收碼元的終止時刻對齊。 接收端產生與接收到的碼元重復頻率和相位一致的定時脈沖序列過程稱為碼元同步或位同步。n 位同步概概 述述 172022-5-1二進制數字信息：

7、1 0 0 1 0 1 1 02DPSK信號相位： 00 000 0 或 00 0 0 0 182022-5-1192022-5-1n群同步或幀同步 數字通信中，信息是以若干個碼元組成一個“字”，又用若干個“字”組成一句。接收端為了正確恢復信息，需要產生 與“字”、“句”起止時刻相一致的定時脈沖序列 。產生此定時脈沖序列的過程稱為群同步或幀同步。 概概 述述 202022-5-1n 網同步 整個通信網內要有統一的時間節拍 n 擴頻碼同步 在擴展頻譜通信系統中，接收端為了能正確恢復信息碼元，產生用于解擴的偽隨機碼必須與發送端的偽隨機碼同步。 概概 述述 212022-5-1p如何實現同步？如何實

8、現同步？ 首先要掌握同步技術用同步技術解決通信中的同步問題概概 述述 同步系統性能的降低，會直接導致系統性能的降低，甚至使通信系統不能工作。為了保證信息的可靠傳輸，要求同步系統應有更高的可靠性。222022-5-1同步信號的獲取方式同步信號的獲取方式n同步也是一種信息，按照傳輸同步信息方式的不同，同步也是一種信息，按照傳輸同步信息方式的不同，可分為外同步法和自同步法。可分為外同步法和自同步法。n外同步法外同步法由發送端發送專門的同步信息，接收端把這個專門的同由發送端發送專門的同步信息，接收端把這個專門的同步信息檢測出來作為同步信號的方法，稱為外同步法。步信息檢測出來作為同步信號的方法，稱為外同

9、步法。n自同步法自同步法發送端不發送專門的同步信息，接收端設法從收到的信發送端不發送專門的同步信息，接收端設法從收到的信號中提取同步信息的方法，稱為自同步法。號中提取同步信息的方法，稱為自同步法。232022-5-1n 鎖相環鎖相環-同步技術的核心部件 環路的組成、工作原理、 環路的性能分析n 數字鎖相環數字鎖相環 奈奎斯特型數字鎖相環p 課課 程程 內內 容容概概 述述 242022-5-1n 載波同步載波同步 平方環、同相正交環、判決反饋環自動頻率控制、開環載波頻偏估計法 n 符號同步方法 早遲門鎖相環法 、數字插值法n 擴頻碼同步 全數字非相干延遲擴頻碼跟蹤環概概 述述 252022-5

10、-1第第1 1章章 鎖相環的基本工作原理鎖相環的基本工作原理主要內容1.1 基本概念與鎖相環的組成1.2 環路工作原理與相位模型1.3 環路動態方程1.4 環路的工作過程1.5 環路的基本部件262022-5-1鎖相環（鎖相環（PLLPLL） 完成兩個信號相位同步的自動控制系統完成兩個信號相位同步的自動控制系統Phase-Locked LoopPhase-Locked Loop1.1基本概念與鎖相環的組成272022-5-1相位同步相位同步鎖相環是實現相位同步的自動控制系統兩個信號的頻率相等相位差為0或為一小常數稱這兩個信號相位同步鎖相環如何實現相位同步？1.1基本概念與鎖相環的組成28202

11、2-5-1設 輸入信號接收端本振信號 ( )sinsiniiiiiu tUtUt)(sinsin)(00000tUtUtu1.1基本概念與鎖相環的組成基本概念與鎖相環的組成當當 0i 0tt稱輸入信號與本振信號相位完全一致或基本一致時p什么是相位同步？292022-5-1p 鎖相環的組成部件 n 鑒相器 (PD) Phase detectorn 環路濾波器 (LF) Loop filtern 壓控制振蕩器 (VCO) Voltage-controlled oscillator1.1基本概念與鎖相環的組成302022-5-1組成框圖描述組成框圖描述p 鎖相環的組成框圖輸入信號電壓與輸出信號電壓之

12、間的完整關系1.1基本概念與鎖相環的組成312022-5-1 比較輸入信號和輸出信號的相位 并將相位誤差轉換成誤差信號 反映相位誤差的大小和極性 p 環路各部件的作用n鑒相器鑒相器 (PD) 1.1基本概念與鎖相環的組成322022-5-1LF是一個低通濾波器濾除高次諧波和噪聲 穩定校正 改善動態品質因素n環路濾波器環路濾波器 (LF) 1.1基本概念與鎖相環的組成332022-5-1n壓控制振蕩器 ( VCO ) 振蕩頻率受電壓控制的振蕩器 tvmaxv0cu為控制電壓 為瞬時振蕩頻率 cu vt如 壓控特性曲線1.1基本概念與鎖相環的組成342022-5-1 0vt隨隨 的變化而變化的變化

13、而變化并將頻率的變化轉換成相位的變化并將頻率的變化轉換成相位的變化稱為稱為VCO的固有振蕩頻率的固有振蕩頻率0cu0cucu當當 時時 vt0當當 時時1.1基本概念與鎖相環的組成352022-5-1 ( )sinsiniiiiiu tUtUt tUttUtucoscos00000p基本概念設 環路輸入信號、輸出信號為 tui iitt tu0 00ttt的瞬時相位的瞬時相位1.1基本概念與鎖相環的組成362022-5-10i 00iitttt 不同步瞬時相位差 t t輸入信號相位與輸出信號相位n當環路沒工作時隨著時間的增加而增大1.1基本概念與鎖相環的組成372022-5-1 00tttt能

14、使輸入信號與輸出信號的頻差為0相位誤差為0或為一個小的常數實現了相位同步此時環路的狀態稱為同步狀態n 當環路工作時1.1基本概念與鎖相環的組成382022-5-1 當當輸入固定頻率信號時， 環路的同步狀態，稱為鎖定狀態或稱為相位鎖定。輸出信號相位鎖定在輸入信號相位上這種同步控制系統稱為PLL鎖相環鎖相環1.1基本概念與鎖相環的組成392022-5-1環路鎖定后，當輸入信號頻率或相位發生變化時，環路便自動調節，使輸出信號頻率或相位隨之而發生變化。也稱為相位同步 tt tt在整過變化過程中 1.1基本概念與鎖相環的組成402022-5-1鎖定狀態是一個靜態的相位同步狀態跟蹤狀態是一個動態的相位同步

15、狀態 輸入信號頻率緩慢變化時， 環路維持相位同步稱為跟蹤狀態。 分析鎖相環是如何實現相位同步？要建立環路的功能（相位）模型1.1基本概念與鎖相環的組成412022-5-1p 環路基本部件功能模型函數關系有PD的結構決定反映PD特性相位誤差1.2 環路工作原理與相位模型由PD功能可得：誤差電壓 tftuedn鑒相器的功能模型422022-5-1 )(coscos00000tUttUtu )(sinsintUttUtuiiiiin正弦鑒相特性PD的功能模型設結構和原理1.2 環路工作原理與相位模型結構圖432022-5-1 ttttttUUktutukiiiiimim000000sin sin21

16、)()()()(1000ttttttii)()()()(001tttttiii稱為輸入信號以 為基準的瞬時相位t0其中令乘法系數1.2 環路工作原理與相位模型442022-5-1 稱為環路的固有頻率差其中)()()(2000ttttt00i tt02 ttUtuii10sin ttUtu2000cos令1.2 環路工作原理與相位模型452022-5-1 ttte21 ttUUktutttttUUktutukimdiimim210002100sin21)( 2sin sin21.210UUkUimd為相位誤差令 為乘法器輸出信號的幅度1.2 環路工作原理與相位模型462022-5-1 數學模型

17、相位模型 鑒相特性曲線e22 tUtueddsin tud1.2 環路工作原理與相位模型472022-5-1數學模型數學模型功能模型功能模型n環路濾波器（環路濾波器（LF） tu*pFtudc由LF的結構決定1.2 環路工作原理與相位模型482022-5-1n VCO的相位模型的相位模型 tuKtcv00000002( )( )( ) ( )tvtctt dttKu t dtttmaxv 0 tuc0 tv0K控制靈敏度（選擇線性段工作）1.2 環路工作原理與相位模型492022-5-1 相位模型 數學模型)()()(0002tupKtdtuKtctc1.2 環路工作原理與相位模型502022

18、-5-1p環路的相位模型（功能模型） 環路的相位模型反映了輸入瞬時相位環路的相位模型反映了輸入瞬時相位 與輸出瞬時相位與輸出瞬時相位 之間的關系之間的關系是一個相位負反饋控制系統是一個相位負反饋控制系統 t1 t21.2 環路工作原理與相位模型512022-5-1p 環路工作原理nPD鑒別出輸入信號和輸出信號的相位差，并將相位差轉換成誤差電壓 ；n誤差電壓經LF濾波后得到控制電壓；n控制電壓控制VCO的振蕩頻率，使其向輸入信號的頻率靠攏，最終使得輸出信號頻率和輸入信號頻率相等，相位差為0或為一個小常數 ，實現相位同步。1.2 環路工作原理與相位模型522022-5-1 1.3 環路動態方程 p

19、tuKttttce0121 tuKtptpce01 tUpFKtpedsin01 1sineeptptKF ptdUKK0為環路增益因子單位 rad/s 或 Hz環路動態方程p 動態方程（數學模型）532022-5-1當 時，動態方程是一階 1F p 1sineeptptKt稱此環路為一階環n環路動態方程是非線性微分方程 n環路的階數等于LF的階數+1 1.3 環路動態方程非線性來源于PD方程的階數取決于LF的階數542022-5-1p動態方程的物理意義稱為固有頻差 itt01 01tp設稱在 的控制下產生的控制頻差tuc ttptptpvie21稱為瞬時頻差002ttuKtpvc 1.3 環

20、路動態方程552022-5-1瞬時頻差瞬時頻差 = = 固有頻差固有頻差 - - 控制頻差控制頻差 1.3 環路動態方程562022-5-1n環路剛開始工作時，瞬時頻差 = 固有頻差n環路進入鎖定時，瞬時頻差為0 控制頻差 = 固有頻差 維持鎖定的相位差，稱為穩態相差n動態方程適用于環路鎖定和失鎖的情況， 它描述了環路的整個過程。 e 1.3 環路動態方程572022-5-1VUd2VHzK/1040srad/10260sradi/10101023?)(tuc?)(e例題：已知正弦鑒相特性的一階環，鑒相器輸出最大電壓VCO的控制靈敏度固有振蕩角頻率問：當環路鎖定所需的控制電壓 穩態相位誤差 1

21、.3 環路動態方程582022-5-1621sin104102sinsin)(144101Ke 0sineK tutudc一階環 1102102)(4400Ktuc控制電壓 )(00tuKc環路鎖定時，瞬時頻差為0 sradi/102102101010246300解：環路增益 sradKUKd/10440 1.3 環路動態方程592022-5-1小結（重點掌握內容）小結（重點掌握內容） tpKFtpeesin0環路動態方程環路相位模型環路基本工作原理602022-5-1VCO的振蕩頻率為什么向輸入信號頻率靠近？又如何靠近？不論輸入信號頻率為何值環路都能鎖定？深入理解深入理解612022-5-1

22、 itt01000i sinddeu tUt00K設輸入為固定頻率正弦信號 1.4 環路的工作過程 當開關打開時 0sinsinddedu tUtUt622022-5-1 tpKFtpeesin0環路參數確定后環路參數確定后環路能否鎖定環路能否鎖定取決于固有頻差的大小取決于固有頻差的大小由動態方程可知1.4 環路的工作過程632022-5-10p 很大 0Cut 0 tUtudd0sin開關合上后 加到VCO 上的 VCO 的振蕩頻率仍為固有振蕩頻率PD輸出仍然是一個對稱的差拍波環路不能鎖定 是一個對稱的差拍波且被LF完全抑制 0sinddutUt特點：誤差電壓1.4 環路的工作過程64202

23、2-5-10p 較小 （ ） 00sin(CdutU F jt0)F j tuKtcv00 tUtudd0sin在LF的通帶之內開關合上后幅度較大dcUjFKUK0000在環路中所設置的開關打開時1.4 環路的工作過程652022-5-1dcUjFKUK00001.4 環路的工作過程環路工作過程示意圖( )662022-5-1 etn 環路此過程特點 n 快捕時間 快捕入鎖所需的時間 快捕入鎖的最大固有頻差L LT相位差 的變化在鑒相特性一周內就能使環路入鎖，此過程稱為快捕過程。 n 快捕帶1.4 環路的工作過程672022-5-1在誤差電壓變化一周內環路不可能入鎖 0p 處于上述兩者之間(

24、) L0沒有被LF完全抑制0000cdK UK F jU 00sin(CdutU F jt0)F j tuKtcv00開關合上后幅度較小 tUtudd0sin1.4 環路的工作過程環路工作過程示意圖( )L0692022-5-1 tuc在頻率牽引過程中， 一直是交流電壓；只有環路入鎖后，瞬時頻差為 0，才為一個直流電壓，維持環路鎖定。n 環路此過程的特點 有頻率牽引過程，相位差變化一周又一周，使頻差減小到快步帶內（頻率牽引過程），再快捕入鎖，整個過程為捕獲過程。 tuc1.4 環路的工作過程702022-5-1pTLfpTTTpn捕獲時間 能使環路進入鎖定的最大的固有頻差n捕獲帶 由失鎖到鎖定

25、所需的時間頻率牽引過程時間pL 1.4 環路的工作過程712022-5-1環路在從失鎖到鎖定的過程中，VCO振蕩頻率是如何向輸入信號頻率靠近？仿真正弦鑒相特性二階環路的入鎖過程，觀測環路各點的輸出波形。1.4 環路的工作過程722022-5-1鑒相器鑒相器壓控振蕩器壓控振蕩器環路濾波器環路濾波器二階環路的仿真模型732022-5-1正弦鑒相器仿真模型742022-5-1壓控振蕩器仿真模型752022-5-1二階環捕獲過程中各點仿真波形762022-5-1思考與練習思考與練習000i00Ku 分析u分析一階環路的工作過程二階環路的工作過程，畫出各點波形并用仿真驗證。 0sineeptKt 1.4

26、 環路的工作過程772022-5-1n 同步狀態 輸出、輸入信號相位同步鎖定狀態 輸入固定頻率信號跟蹤狀態 輸入頻率和相位變化的信號n 失鎖狀態 輸出和輸入相位不同步n 捕獲狀態 失鎖到同步的中間狀態p環路的工作狀態1.4 環路的工作過程782022-5-1n在同步狀態下 穩態相差 環路鎖定后存在的相位差同步帶H 維持環路鎖定的最大固有頻差ep環路基本性能指標 捕獲時間 捕獲帶 快捕帶 n在捕獲狀態下在捕獲狀態下1.4 環路的工作過程792022-5-1p一階環的工作過程 0sineeptKt000i00K itt01 sinddeu tUt設輸入為固定頻率的正弦信號 動態方程1.4 環路的工作過程802022-5-10K環路工作過程示意圖可見環路一周內不能入鎖1.4 環路的工作過程812022-5-1 原因是誤差電壓中