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1、第3章 环路的噪声性能,主要内容 3.1 输入加性噪声的环路相位模型 3.2 环路对输入加性噪声的线性过滤 3.3 环路对VCO相位噪声的线性过滤3.4 环路对各类噪声的线性过滤 3.5 环路跳周和失锁门限,输出相位出现随机抖动,噪声对环路的影响,增加环路捕捉困难,降低跟踪性能,概述,噪声来源不同，对环路作用的方式也不同 粗略地可将噪声分为两类,噪声种类,输入噪声和干扰,环路内部噪声,主要分析环路对输入加性噪声的线性过滤性能,输入加性噪声、调制噪声,PD输出噪声 VCO输入端噪声干扰VCO的内部噪声,为前置带通滤波器带宽,环路前端电路的等效特性,前置带通滤波器相当于窄带带通滤波器,3.1 输入
2、加性噪声的环路相位模型,输入加性噪声的特性,噪声 为一个窄带高斯白噪声,单边功率谱,也是均值为零的平稳高斯过程,则,当 是均值为0的平稳高斯过程,的统计特性,均值,方差,自相关函数为,单边功率谱,相关函数为0,当环路输入信号为 时,如何设计环路参数使其影响减小到最小？,对环路输出信号有什么影响？,VCO输出信号,正弦鉴相特性环路,与,经PD相乘后取差频，得到,环路误差电压,环路输入信号为,为等效输入噪声电压,式中,对环路的作用可等效为 噪声电压 对环路的作用,有输入加性噪声的环路相位模型,等效输入噪声电压,输入加性噪声的动态方程,对环路输出信号的影响,分析,（弱噪声条件下）对环路线性化,等效输
3、入噪声电压的统计特性,You,的统计特性由,的统计特性来决定,近似认为,由,与,不相关,由 可知,均值为零,方差,自相关函数,You,的统计特性,功率谱密度,在,的概率近似为1的条件下,环路可以近似线性化处理,环路线性分析的条件,相位差,的均方根值,的概率近似为1,有,3.2 环路对输入加性噪声的线性过滤,线性化,环路线性化的相位模型和动态方程,环路等效输入相位噪声,分析噪声作用时可令输入信号相位,定义：由噪声引起的输出相位为相位噪声,线性系统的叠加性,环路等效输入相位噪声模型,等效输入相位噪声,P63图3-3（b）环路等效输入相位噪声模型,均值,方差,功率谱密度,等效输入相位噪声特性P63,
4、一、环路输出相位噪声特性 P63,均值,功率谱密度,线性系统,方差,由,式中： 为环路等效单边噪声带宽,环路对噪声的抑制作用,(单位Hz),物理含义,将环路输出相位 噪声功率等效为,响应为,带宽为 的,矩形特性过滤后的输出相位噪声功率,通过功率,二、 环路噪声带宽,的计算,当,时，得到积分结果为,积分公式,RC 积分滤波器二阶环,三种二阶环路 的计算,单位：,和,对照积分公式 有,无源比例积分滤波器二阶环,理想二阶环,单位：,和,以相同方法得：,理想二阶环,当 时,噪声带宽最小,当 时,图3-6 理想二阶环的BLn关系曲线,理想二阶环的BLn关系 P66,输入加性高斯白噪声通过环路时，环路对此
5、噪声的作用相当于一个单边等效噪声带宽为 的滤波器，引起输出相位抖动仅是处于噪声带宽之内的部分噪声。 人为地定义一个环路信噪比来表示环路对噪声的过滤程度。,由上述分析可知：,环路输入信噪比 P66,即,输入信噪比可以在输入端测量,三、 环路信噪比,环路信噪比 P66,环路信噪比不存在于环路的任何一点无法在环路上测量得出,等效噪声带宽,环路信噪比与输出相位噪声方差关系,当环路能线性分析,时，,反应输出相位抖动大小,据环路信噪比定义得：P67,环路信噪比与输入信噪比关系,由,表明了环路对输入加性噪声的抑制作用 越小抑制输入相加噪声性能越好,【计算举例】P67（2）或P68,在一部接收机的中频部分,使
6、用了锁相环作载波提取设备。已知接收机输入端等效噪声温度Teq=600K,输入信号功率Ps=10-13mW。单边噪声功率谱密度 No=kTeq=13810-23600=8.310-21 WHz 式中k是波尔兹曼常数,也即No=8.310-18 mWHz 锁相环为一高增益二阶环,环路增益K=2105rads,自然谐振角频率n=200rads,阻尼系数=0.707。求环路信噪比？（用dB表示）,解：由于nK=10-3比2小得多,因此按照P66(3-26)式,近似地有,高增益二阶环，输入信号功率和噪声功率谱密度分别为：,环路的前置滤波器的带宽,当要求,环路参数,应为多少？,时，,例题二：,解：,即为,
7、选,得到,前置带宽 时,就能得到 环路信噪比,若噪声带宽,由例题可见：在输入信噪比为,压控振荡器等效为一个无噪声部件 和在其输出端叠加一个相位噪声,由,引起相位差,的均方根值,环路可以线性分析,分析条件,VCO自身的 相位噪声,3.3 环路对VCO相位噪声的线性过滤,环路在 作用下的线性化相位模型,的功率谱密度为,设,可见：抑制由 引起的输出相位噪声,等效噪声带宽 尽可能的大,的方差,的功率谱密度,抑制输入相加噪声 越小越好,结论,抑制VCO内部相位噪声 越大越好,同时存在输入加性噪声和VCO内部相位噪声时，应适当地设计环路带宽使输出相位噪声方差尽可能的小。,、,思考：,当环路存在着各种来源的噪声和干扰且可用近似线性分析，其相位模型如下：,分析环路对各类噪声和干扰的总过滤特性。,3.4 环路对各类噪声的线性过滤,环路工作门限,强噪声作用下，环路信噪比下降到某一值时，环路将不能正常工作或主要性能指标达不到要求，定义此时环路信噪比为环路的工作门限。工程上门限标准通常取为,3.5 环路跳周和失锁门限,环路跳周,同步状态下，输入有强相加噪声时， 的变化可能超出 范围，环路跟踪状态受到破坏， 的变化有可能跳越一个 周期或几个 周期才能稳定，此现象就称为跳周。,作业,P76（二）3-1、 P77（二）3-2 P76 3-1、 3-2,
