第7章---数字锁相环ppt课件

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1、第第7章章数字锁相环数字锁相环第第1节节全数字环概述全数字环概述第第2节节位同步数字环实例位同步数字环实例第第3节节ZC1DPLL的原理与性能的原理与性能第第4节节单片集成全数字锁相环单片集成全数字锁相环1第7章数字锁相环第1节全数字环概述1第第1节节全数字环概述全数字环概述一、一般构成与分类一、一般构成与分类全全数数字字环环一一般般组组成成如如图图7-1所所示示。它它由由数数字字鉴鉴相相器器、数数字字滤滤波波器器与与数数字字压压控控振振荡荡器器(DCO)三三个个数数字字电电路路部部件件组组成成。其其中中数数字字鉴鉴相相器器有有多多种种样样式式，样样式式不不同同对对环环路路性能有很大影响。性能

2、有很大影响。2第1节全数字环概述一、图图7-1数字锁相环一般组成数字锁相环一般组成3图7-1数字锁相环一般组成31.触发器型数字锁相环触发器型数字锁相环(FFDPLL)该该环环路路利利用用一一双双稳稳态态触触发发器器作作数数字字鉴鉴相相器器，其其状状态态分分别别受受输输入入信信号号与与本本地地受受控控时时钟钟信信号号的的正正向向过过零零点点触触发发,产产生生的的置置位位与与复复位位脉脉冲冲状状态态变变化化之间间隔就反映着两信号之间相位误差。之间间隔就反映着两信号之间相位误差。2.奈奎斯特型数字锁相环奈奎斯特型数字锁相环(NRDPLL)在在输输入入信信号号进进入入数数字字鉴鉴相相器器之之前前，先

3、先以以奈奈奎奎斯斯特特速速率率(固固定定速速率率的的时时钟钟脉脉冲冲)进进行行抽抽样样，然然后后再再与与本本地地受受控控时时钟钟信信号号进进行行数数字字相相乘乘，产产生生数数字式相位误差。字式相位误差。41.触发器型数字锁相环(FFDP3.过零检测式数字锁相环过零检测式数字锁相环(ZC-DPLL)环环路路用用本本地地受受控控时时钟钟脉脉冲冲对对输输入入信信号号的的过过零零点点抽抽样样，非非零零的的实实际际抽抽样样值值大大小小就就反反映映着着相相位位误误差差，用用该该相相位位误误差差来来调调节节本本地地时时钟钟信信号号的的相位。相位。4.超前滞后型数字锁相环超前滞后型数字锁相环(LL-DPLL)

4、这这种种锁锁相相环环的的鉴鉴相相器器将将逐逐周周地地比比较较输输入入信信号号与与本本地地时时钟钟信信号号的的相相位位，根根据据相相位位的的超超前前或或滞滞后后输输出出相相应应的的超超前前或或滞滞后后脉脉冲冲，用用变变换换成成加脉冲或减脉冲加脉冲或减脉冲,对应地调节本地时钟相位。对应地调节本地时钟相位。53.过零检测式数字锁相环(ZC-D二、数字环部件电路与原理二、数字环部件电路与原理下下面面介介绍绍上上述述4类类数数字字环环中中比比较较典典型型的的部部件电路及其工作原理。件电路及其工作原理。1.数字鉴相器数字鉴相器(1)触触发发器器型型鉴鉴相相器器。图图7-2是是该该型型鉴鉴相相器器的的组组成

5、成示示意意图图。当当检检测测到到输输入入信信号号正正向向过过零零点点时时，触触发发器器置置“1”，而而本本地地参参考考信信号号的的正正向向过零点使触发器置过零点使触发器置“0”复位。复位。6二、数字环部件电路与原理6图图7-2触发器型鉴相器触发器型鉴相器7图7-2触发器型鉴相器7(2)奈奈奎奎斯斯特特速速率率抽抽样样鉴鉴相相器器。该该型型鉴鉴相相器器组组成成如如图图7-3所所示示。模模数数变变换换器器(A/D)的的抽抽样样率率按按带带通通信信号号的的取取样样定定理理选选择择，以以使使取取样样后后信信号号含含有有充充分分的的输入信号相位信息。输入信号相位信息。图图7-3奈奎斯特速率抽样鉴相器奈奎

6、斯特速率抽样鉴相器8(2)奈奎斯特速率抽样鉴相器。该(3)过过零零取取样样鉴鉴相相器器。这这种种鉴鉴相相器器有有两两种种形形式式，一一种种是是正正过过零零点点取取样样，如如图图7-5所所示示。这这种种正正过过零零点点取取样样鉴鉴相相器器是是所所有有数数字字鉴鉴相相器器中中最最简简单单的的,而而且且易易于于实实现现。另另一一种则在正负过零点都取样，如图种则在正负过零点都取样，如图7-6所示。所示。图图7-4用于用于FM解调的解调的NR-DPLL组成方案组成方案9(3)过零取样鉴相器。这种鉴相器有图图7-5正过零取样鉴相器正过零取样鉴相器10图7-5正过零取样鉴相器10图图7-6双向过零取样鉴相器

7、双向过零取样鉴相器11图7-6双向过零取样鉴相器11(4)超超前前滞滞后后取取样样鉴鉴相相器器。图图7-7是是用用一一个个简简单单二二元元鉴鉴相相器器表表示示的的这这种种鉴鉴相相器器。通通过过输输入入信信号号与与本本地地参参考考信信号号(或或受受控控钟钟脉脉冲冲信信号号)之之间间比比相相,形形成成超超前前或或滞滞后后脉脉冲冲输输出出。超超前前脉脉冲冲意意味味着着本本地地参参考考信信号号相相位位落落后后,e0,故故超超前前脉脉冲冲作作用用将将使使本本地地参参考考信信号号相相位位提提前前;滞滞后后脉脉冲冲表表示示e0,其其作作用用是是使使本本地地参参考考信信号号相相位位推后。推后。图图7-7简简单

8、单二元鉴相器二元鉴相器12(4)超前滞后取样鉴相器。图7-7图图7-8上上的的中中相相积积分分抽抽样样清清除除电电路路是是用用来来判判断断DCO输输出出与与码码元元转转换换边边沿沿之之间间相相位位关关系系的的。例例如如,中中相相积积分分区区间间跨跨在在从从正正到到负负的的两两个个码码元元之之间间,而而积积分分结结果果为为正正,说说明明DCO时时钟钟超超前前;积积分分结结果果为为负负,说说明明DCO时时钟钟滞滞后后;积积分分结结果果为零为零,相位准确对准。相位准确对准。13图7-8上的中相积分抽样清除电路是1414由由于于鉴鉴相相器器输输出出是是二二值值脉脉冲冲,常常后后接接一一种种序序列列滤滤

9、波波器器来来平平滑滑其其中中的的起起伏伏,消消除除噪噪声声起起伏伏造造成成的的环环路路误误动动作作比比较较方方便便。有有两两种种形形式式序序列列滤滤波波器器,一一种种叫叫“N先先于于M”滤滤波波器器。如如图图7-9所所示示;另另一一种种叫叫“随随机机徘徘徊徊”滤滤波波器器,如如图图7-10所所示。示。15由于鉴相器输出是二值脉冲,常后接一种图图7-9“N先于先于M”序列滤波器序列滤波器16图7-9“N先于M”序列滤波器16图图7-10随机徘徊序列滤波器随机徘徊序列滤波器17图7-10随机徘徊序列滤波器172.数数字字环环路路滤滤波波器器数数字字环环中中使使用用的的数数字字环环路路滤滤波波器器与

10、与模模拟拟环环中中使使用用的的环环路路滤滤波波器器作作用用一一样样，都都对对噪噪声声及及高高频频分分量量起起抑抑制制作作用用，并并且且控控制制着着环环路路相相位位校校正正的的速速度度与与精精度度。适适当当选选择择滤滤波波器器参参数数，可可以以改改善善环环路路的的性性能能。一一般般构构成成形形式式如如图图7-11所所示示，它它由由A/D、数数字字计计算算器器和和D/A三部分组成。三部分组成。182.数字环路滤波器数字环中使用的数图图7-11数字环路滤波器一般形式数字环路滤波器一般形式19图7-11数字环路滤波器一般形式193.数字压控振荡器数字压控振荡器(DCO)数数字字压压控控振振荡荡器器的的

11、基基本本组组成成如如图图7-13所所示示。它它由由频频率率稳稳定定的的信信号号钟钟、计计数数器器与与比比较较器器组组成成,其其输输出出是是一一取取样样脉脉冲冲序序列列,脉脉冲冲周周期期受受数数字字环环路路滤滤波波器器送送来来的的校校正正电电压压控控制制。前前一一个个取取样样时时刻刻的的校校正正电电压压将将改改变变下下一一个个取取样样时时刻刻的的脉脉冲冲时时间间的的位位置置。DCO在在环环路路中中又又被被称称为为本本地地受受控控时时钟或本地参考时钟信号。钟或本地参考时钟信号。203.数字压控振荡器(DCO)20图图7-12数字环路滤波器的模拟实现形式数字环路滤波器的模拟实现形式21图7-12数字

12、环路滤波器的模拟实现形式21图图7-13数字压控振荡器的基本组成方案数字压控振荡器的基本组成方案22图7-13数字压控振荡器的基本组成方案22数数字字压压控控振振荡荡器器的的含含义义可可用用数数学学式式子子表表示示。对于第对于第k个取样周期个取样周期Tk,有有式式中中T/N为为DCO周周期期相相对对于于中中心心周周期期To变变化化的的最最小小单单位位。当当无无控控制制时时,yk-1=0,Tk=To;有有控控制制时时周周期期以以To/N或或其其倍倍数数的的量量相相对对于于T。作作阶阶跃跃式的改变。与式的改变。与To/N相对应的相位改变量为相对应的相位改变量为(7-1)(7-2)23数字压控振荡器

13、的含义可用数学式子表示所所以以N是是表表示示2弧弧度度内内相相位位受受控控变变化化大大小小的的一一个个量量,也也叫叫做做模模2内内状状态态数数。这这就就是是说说,数数字字压压控控振振荡荡器器输输出出脉脉冲冲的的瞬瞬时时相相位位o(k),在在2弧弧度度内内只只能能以以或或其其倍倍数数离离散散地地变变化化。显显然然,在在这里这里To/N=Tc,Tc为信号钟的周期。因此有为信号钟的周期。因此有(7-3)24所以N是表示2弧度内相位受控变化大另另一一种种比比较较曲曲型型的的数数字字压压控控振振荡荡器器如如图图7-14(a)所所示示。其其中中信信号号钟钟产产生生频频率率fc=mfo的的窄窄脉脉冲冲序序列

14、列。经经控控制制器器加加至至分分频频比比为为m的的分分频频器器上上,分分频频后后输输出出频频率率为为fo,即即是是DCO的的输输出出频频率率。输输入输出的脉冲波形如图入输出的脉冲波形如图7-14(b)所示。所示。25另一种比较曲型的数字压控振荡器如图7图图7-14另一种常用的另一种常用的DCO方案方案26图7-14另一种常用的DCO方案26三、数字环的工作速率三、数字环的工作速率若若要要设设计计一一个个受受350MHz时时钟钟控控制制的的DCO,而而为为得得到到小小于于7.5的的环环路路量量化化相相差差,输输入入信信号号最最高工作频率高工作频率fo应按下式计算应按下式计算:27三、数字环的工作

15、速率27作业作业作业第第2节节位同步数字环实例位同步数字环实例上上述述四四种种类类型型数数字字锁锁相相环环都都可可实实现现FM解解调调、位位同同步步提提取取等等功功能能。对对于于位位同同步步提提取取,我我们们以以超超前前滞滞后后数数字字锁锁相相环环为为例例,结结合合一一个个简简单单实实例例加加以以说说明明。超超前前滞滞后后数数字字锁锁相相环环组组成成如图如图7-15所示。所示。29第2节位同步数字环实例上述四图图7-15超前超前滞后数字锁相环基本组成滞后数字锁相环基本组成30图7-15超前滞后数字锁相环基本组成30一、电路组成与说明一、电路组成与说明电电路路实实例例是是数数字字通通信信中中常常

16、用用的的一一种种简简单单的的超超前前滞滞后后位位同同步环路步环路,未用序列滤波器未用序列滤波器,电路组成如图电路组成如图7-16所示。所示。图图7-16位同步数字环组成电路位同步数字环组成电路31一、电路组成与说明图7-16位同二、环路位同步原理二、环路位同步原理图图7-18为为图图7-16方方案案内内各各点点的的波波形形图图,这这里里为为分分析析简简便便,以以均均匀匀变变换换的的数数字字脉脉冲冲序序列列作作为为输输入入信信号号,它它与与随随机机的的数数字字脉脉冲冲序序列列作作用用下下环路取得位同步的原理是一样的。环路取得位同步的原理是一样的。32二、环路位同步原理32图图7-17非线性作用过

17、程的波形非线性作用过程的波形33图7-17非线性作用过程的波形33图图7-18图图 7-16方方案案内内各各点点电压波形电压波形34图7-18图7-16方案内各点电压波形34在在锁锁定定状状态态下下,环环路路仍仍有有一一定定的的稳稳态态同同步步误误差差,误误差量小于摆动的最大可能值差量小于摆动的最大可能值T。由分析可有。由分析可有T=To因因(T为输入信号码元宽度为输入信号码元宽度)相对误差相对误差(7-5)(7-6)35在锁定状态下,环路仍有一定的稳态同步三、性能分析三、性能分析为为推推导导环环路路的的基基本本方方程程,我我们们画画出出环环路路相相位校正过程的简图位校正过程的简图,如图如图7

18、-19所示。所示。若若设设位位同同步步信信号号是是从从t=0起起始始,输输入入数数字字信信号落后于它一个相位。号落后于它一个相位。对对于于输输入入数数字字信信号号,其其第第k个个输输入入脉脉冲冲相相位位为为i(k)=2k+i(k)(7-7)36三、性能分析363737式式中中i(k)为为以以信信号号位位速速率率的的周周期期相相位位为为参参考的瞬时相位。考的瞬时相位。对对于于位位同同步步信信号号,其其第第k个个位位同同步步信信号号脉脉冲冲的前沿相位为的前沿相位为o(k)=2k+o(k)(7-8)式式中中o(k)为为以以位位速速率率信信号号的的周周期期相相位位为为参参考的瞬时相位。考的瞬时相位。根

19、据以上假定根据以上假定,可得环路的相位差可得环路的相位差e(k)=i(k)-o(k)(7-9)38式中i(k)为以信号位速率的周期相从从鉴鉴相相器器至至控控制制位位同同步步信信号号的的相相位位改改变变之之间间的的过过程程,可作是对相位差的一个简单量化过种可作是对相位差的一个简单量化过种,量化关系为量化关系为:当当i(k)-o(k)0时时,Qe(k)=+1当当i(k)-o(k)0时时,Qe(k)=-1据此据此,可有环路的基本相位方程可有环路的基本相位方程o(k+1)=o(k)+Qi(k)-o(k)(7-10)及初始条件及初始条件:o(0)=0。39从鉴相器至控制位同步信号的相位改变之若用相位差形

20、式写出若用相位差形式写出,有有e(k+1)-e(k)+Qe(k)=i(k+1)-i(k)(7-11)及初始条件及初始条件:e(0)=i(0)-o(0)=i(0)。(1)相相位位阶阶跃跃。这这种种情情况况是是属属于于自自位位同同步步器器的的常常见见情情况况,即即输输出出位位同同步步信信号号的的速速率率与与输输入入数数字字信信号号的的位位速速率相同率相同,只是起始相位错开一个数值。只是起始相位错开一个数值。e(k)=i(k)-o(k)=-o(k)(7-12)环路输出相位环路输出相位,根据根据(7-10)式式,可表示为可表示为o(k+1)=o(k)+Q-o(k)(7-13)40若用相位差形式写出,有

21、40有初始条件有初始条件:o(0)=0。根据根据(7-11)式式,环路相位差为环路相位差为e(k+1)=e(k)-Q-o(k)(7-14)及初始条件及初始条件:e(0)=0。由由(7-13)式式与与(7-14)式式可可以以看看出出,当当k取取值值很很大大时时,即即环环路路处处于于锁锁定定状状态态时时,输输出出相相位位或或者者相相位位差差仍仍存存在在着着稳稳态态摆摆动动。摆摆动动的的幅幅度度为为,对对应应的的同同步步时时间间误误差差则则小小于于T/m(s)。41有初始条件:o(0)=0。41此外此外,还可看到还可看到,同步的建立过程除与初始位阶跃同步的建立过程除与初始位阶跃值值有关外有关外,还与

22、相位阶跃变化量还与相位阶跃变化量的大小有关。显然的大小有关。显然,越小越小,值越大值越大,建立时间愈短建立时间愈短;反之反之,越大越大,越越小小,则建立时间愈长。考虑最坏的情况则建立时间愈长。考虑最坏的情况,令令,即起始即起始相差为半个周期相差为半个周期,那么位同步信号相位必须挪动那么位同步信号相位必须挪动/=/(2/m)=m/2次次,才能到达稳定状态。所以同步建才能到达稳定状态。所以同步建立时间为立时间为(7-15)42此外,还可看到,同步的建立过程除与若若考考虑虑到到随随机机输输入入数数字字信信号号,平平均均地地约约每每二二码码元元才才出出现现一一次次数数字字符符号号的的转转换换,也也即即

23、通通过过微微分分、整整流流后后的的脉脉冲冲是是平平均均2T时时间间出出现现一一次次。所所以以平平均均地地看看,环环路路也也是是每每2T时时间间才才对对位位同同步步的的相相位位实实施施一一次次校校正正。因因此此,平平均均同同步建立时间要比步建立时间要比(7-15)式加长一倍式加长一倍,即即(7-16)43若考虑到随机输入数字信号,平均地约每(2)频频率率阶阶跃跃。当当环环路路未未受受控控时时,输输入入数数字字信信号号与与环环路路DCO信信号号之之间间存存在在有有频频率率差差(即即位位速速率率差差)。这这样样在在设设备备开开始始接接通通或或信信号号传传送送过过程程中中发发生生暂暂时时中中断断再再接

24、接通通时时,这这种种频频率率差差就就会会反反映映出出来来,也也就就是是发发生生了了环环路路的的输输入入频频率率阶阶跃跃。研研究究环环路路的的频频率率阶阶跃跃性性能能,可可以以分分析析环环路的捕捉性能及一旦信号发生中断时的同步保持时间。路的捕捉性能及一旦信号发生中断时的同步保持时间。44(2)频率阶跃。当环路未受控时,输设设以以B-BC表表示示输输入入的的频频率率阶阶跃跃,即即输输入入信信号号与与位位同同步步信信号号的的速速率率之之差差,其其中中BC=1/T,则则(7-7)式式中中i(k)应为应为将(7-17)式代入(7-11)式,有(7-17)(7-18)45设以B-BC表示输入的频率阶跃,即

25、输因此因此(7-18)式可表示为式可表示为(7-19)(7-20)(7-21)(7-23)(7-24)(7-25)46因此(7-18)式可表示为(7-19)(7-20)第第3节节ZC1DPLL的原理与性能的原理与性能正正向向过过零零检检测测数数字字锁锁相相环环的的基基本本组组成成如如图图7-20所所示示。它它要要求求取取样样器器在在输输入入模模拟拟信信号号的的每每一一周周,即即在在每每两两个个正正斜斜率率的的过过零零交交叉叉点点之之间间取取出出一一个个样样品品,这这就就要要求求数数字字压压控控振振荡荡器器(DCO)在在输输入入信信号号的的每每一一周周送送出出一一个个窄窄取取样样脉脉冲冲到到取取

26、样样器器。为为此此,必必须须使使所所选选择择的的DCO中中心心频频率率接接近近输输入入信信号号的的载载波波频频率率,使使环环路路尽尽可可能能地地做做到到逐逐周取样周取样,以加速环路的捕获。以加速环路的捕获。47第3节ZC1DPLL的原理与性能图图7-20ZC1-DPLL的基本组成的基本组成48图7-20ZC1-DPLL的基本组成48一、环路方程与模型一、环路方程与模型设输入信号设输入信号ui(t)=Asinit+i(t)(7-26)数数字字压压控控振振荡荡器器(DCO)输输出出钟钟脉脉冲冲信信号号的的相相位位可可表示为表示为o(k)=ot(k)+2t(k)(7-27)式中式中t(k)为钟脉冲存

27、在时刻为钟脉冲存在时刻,也即取样时刻。也即取样时刻。因因为为钟钟脉脉冲冲是是一一个个周周期期性性出出现现的的信信号号,在在时时间间轴轴上上每每出出现现一一次次,钟钟脉脉冲冲信信号号的的相相位位就就前前进进2(rad)。故故在第在第k个取样时刻个取样时刻,钟脉冲的相位为钟脉冲的相位为o(k)=2k(7-28)49一、环路方程与模型49为为分分析析方方便便,输输入入信信号号ui(t)也也常常表表示示成成以以ot为为参考的方式参考的方式,即将即将(7-26)式表示成式表示成ui(t)=Asinot+1(t)(7-29)式中式中1(t)=(i-o)t+i(t)(7-30)这样这样,取样器在取样器在t(

28、k)时刻取得的取样值可为时刻取得的取样值可为x(k)=Asinot(k)+1t(k)(7-31)为简单起见为简单起见,可令可令1t(k)=1(k),2t(k)=2(k)50为分析方便,输入信号ui(t)也常表由由(7-27)与与(7-28)式有式有ot(k)=2k-2(k)(7-32)代入代入(7-31)式式,可得可得x(k)=Asin1(k)-2(k)=Asine(k)(7-33)式中式中e(k)=1(k)-2(k)(7-34)Qx(k)=QAsine(k)(7-35)由(7-27)与(7-28)式有图图7-21有、无死区的均匀量化的量化特性有、无死区的均匀量化的量化特性52图7-21有、无

29、死区的均匀量化的量化特性52若若设设D代代表表数数字字环环路路滤滤波波器器对对其其现现时时输输入入某某些些先先前前输输入入的的运运算算,则则在在第第k个个取取样样时时刻刻,数数字字环环路路滤滤波波器输出可表示为器输出可表示为y(k)=DQAsine(k)(7-36)对于对于DCO来说来说,第第k个取样的周期为个取样的周期为(7-37)53若设D代表数字环路滤波器对其现因因此此,y(k)将将控控制制第第(k+1)个个取取样样脉脉冲冲的的周周期期,其其控控制制量量大大小小应为应为y(k)To/N。换算为相位变更量则等于。换算为相位变更量则等于y(k)。这这样样,第第(k+1)个个取取样样脉脉冲冲的的相相对对相相位位,亦亦即即环环路路的的输输出出相相位位2(k+1)为为2(k+1)=2(k)+y(k)=2(k)+DQAsin1(k)-2(k)(7-38)用相位差表示用相位差表示,则为则为e(k+1)-e(k)+DQAsine(k)=1(k+1)-1(k)(7-39)54因此,y(k)将控制第(k+1)个取