通信入门系列——锁相环、平方环、Costas环

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本节目录

一、锁相环
1、压控振荡器VCO
2、环路滤波器(loop filter)
3、锁相环工作原理
二、平方环
三、Costas环
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本节内容
一、锁相环
锁相环是相干解调中用到的关键部件，包括3个关键部分，鉴相器(phase detector)、环路滤波器(loop filter)和压控振荡器(voltage-controlled oscillator，VCO)。

1、压控振荡器VCO
振荡器是通过一个LC谐振电路起振，输出一个正弦波，正弦波的频率取决于电感和电容的参数。VCO中使用到变容二极管，看作电容器，根据电容值可以由外加电压来控制，因此VCO通过一个电压来控制振荡器的频率。
压控振荡器的特性可以用输出角频率ω0与输入控制电压uc之间的关系来描述。两个重要的指标，一是自由振荡角频率，表示当uc为零时的角频率ω0,0；二是控制灵敏度，曲线在ω0,0点处的斜率K。

2、环路滤波器(loop filter)
环路滤波器是一个低通滤波器，e(t)经过后，倍频成分被滤除，留下低频成分。通常为了获得负反馈回路，需要加一个负号作为VCO的控制电压。
3、锁相环工作原理
锁相环的输入信号s(t)和输出信号c(t)

两个信号经过一个乘法器，相乘得到e(t)

e(t)经过环路滤波器，滤除高频部分，在加一个负号，作为VCO的控制电压uct，实现负反馈回路条件。

如果上述中fc的差值不为零，那么VCO的控制电压uct随时间变换，输出频率也不断变化，直到fc的差值为零，那么VCO进入锁定状态，此时的uct为：

当VCO的控制灵敏度足够高的时候，只需要很小的相差就可以维持频率不变。

也就是说，锁相环锁定后，输出一个与参考信号同频且基本同相的正弦信号。由于存在扰动，如果是的相位差变小，那么控制uc电压变小，VCO输出的瞬时角频率变小，相当于在原输出信号的基础上减小一个相位，保持相位差稳定，由此形成一个负反馈回路，使得锁相环能够锁定参考信号的频率和相位。
二、平方环
平方环是一种常用的相干解调方法。调制信号经过一个平方装置，进行平方操作，再经过一个中心频率为2fc的带通滤波器，滤除直流成分和携带的部分信息成分，得到二倍频信号cos(4πfct+2φ)。使用倍频信号驱动锁相环，得到对应的正弦信号sin(4πfct+2φ)，经过二分频和90°相移，获得载波信号，从而用于相干解调获得基带信号s(t)。

三、Costas环
Coatas环也是一种相干解调方法。与平方环的区别，VCO的输出电压为sin(2πfct+φ),并没有倍频和分频操作。另一个特点是可以直接输出解调后的信号s(t)。