平衡光学锁相环的性能分析
平衡光学锁相环的性能分析
平衡光学锁相环的性能分析作者：李晓光张剑家辛德胜吕曦光郝博涛来源：《科技资讯》2012年第30期摘要：光学锁相环是光通信系统的重要组成部分，决定着光通信的质量。
本文通过平衡锁相环的原理和结构模型，分析了平衡锁相环的噪声和线宽对相干通信影响。
分析结果为相干光通信系统的确立提供了理论依据关键词：光通信平衡锁相环线宽噪声中图分类号：O431 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）10（c）-0005-03在通信领域中激光通信系统越来越受到人们的关注，激光通信具有巨大的带宽、好的方向性和无线连接等优点[1]。
为提高激光通信的质量，人们越来越关注光学锁相环的设计，其中平衡锁相环是其中研究的重点。
平衡锁相环结构简单，实用性强，尤其随着窄谱线激光器的发展，为平衡锁相环在空间光通信系统的应用提供了巨大的空间。
1 平衡锁相环的原理及其结构模型平衡锁相环如图1所示，它主要包括三大部分：前置电路、1800相移的定向耦合器、平衡探测器。
信号光与本振经过1800相移的定向耦合器之后馈入平衡PLL，两个检测器的输出误差信号经由环路滤波器之后控制本振频率。
为了达到相位的同步跟踪，光信号的载波不能被完成遏制，需要保留一定强度载波作为导频，以使得本振光进行跟踪并与其相位锁定，否则若平均相位为零，则会出现无相可锁的情况。
例如，在PSK调制信号中，利用85%的不完全差相互耦合，就可以保留10%的信号功率，以此获取所需的导频载波分量。
从图中可看到对于每个线宽下都存在一个最佳的误差标准差，使得系统具有最高灵敏度。
最佳的误差标准差随着线宽的增加而减小。
图5显示了在合理误差方才下，平衡锁相环功率带宽与速率关系。
经计算对平衡环而言，最大线宽与系统码率关系为，此时标准方差，功率损失1 dB。
由此可看出平衡环对激光器线宽要求较为苛刻。
3 结语本文通过对平衡光学锁相环路系统模型的建立，分析了影响相干光通信系统的平衡锁相环的噪声和激光线宽以及通信速率等重要参数。
锁相环分析
几种常见锁相环分析并网变换器对锁相环的基本要求：（1）电网电压经常发生跌落、闪变等动态电能质量问题，并且这些异常的出现均是不可预计而且需要及时补偿的。
所以要求并网变换器能够对电网电压相位的变化在ms级的时间内能做出快速的响应，即要求并网变换器的锁相方法要有良好的动态性能，保证当电压跌落和骤升时不对锁相性能造成太大影响。
（2）三相电压不平衡时，要求电力电子装置的锁相方法能够捕获正序基波分量的相位，对三相不平衡情况有很强的抑制作用。
（3）锁相环应该能快速检测到电网电压发生相位、频率突变等问题。
（4）要求锁相方法对畸变电压要有很强的抑制作用。
（5）对于一些电力补偿装置如动态电压恢复器，锁相方法不仅要实时检测网侧电压的相位，而且要实时监测网侧电压的幅值变化状况用来判断并决定电力补偿装置的工作模式1、基于低通滤波器的锁相方法Karimi-Ghartemani.M和Reza Iravani.A提出了基于低通滤波器的锁相方法，其原理如图所示。
三相电网电压从三相静止坐标系转换为两相静止坐标系，利用常见的低通滤波器滤除电网中的谐波干扰，然后对信号进行标么化处理，从而得到电网电压的相位，旋转矩阵R用于补偿滤波器所造成的相位滞后。
原理及R优点：避免检测过零点带来的问题缺点：1、在设计低通滤波器时，需要在系统滤波器的鲁棒性和动态响应之间做出折中的选择，较低的截止频率可以抑制系统谐波对相位检测的干扰，但是也相应的降低了系统的响应速度。
2、这种方法需求得反三角函数值，计算速度较慢，尤其在系统频率变动和三相电压不平衡时，对畸变电压的抑制作用弱，因此无法正确锁相。
参考文献Method for Synchronization of Power Electronic Converters in Polluted and Variable-Frequency2、基于空间矢量滤波器(SVF)的锁相方法空间矢量滤波器是一种用于空间矢量滤波的新型滤波器，它是基于电网电压的αβ分量相互关系相互影响的基础上提出的。
【非常好】锁相环原理解析
随时间摆动。
6.4
当 o r 时， e t 随时间 i o 减小，pe小， 增长慢。
当o r 时，
pe大， i o 增大，
e t 随时间增长快。
如图6.4.2（a）所示。
显然， d (t ) 不再是正弦 波，而是正半周长、负半周
锁定。
（B）i 比（A）大
d 经LF后的衰减更大，加到VCO上的 c很小。 显然，
VCO的 o在 r 上、下摆动的幅度更小。使o 不能摆到 i
上，但由于i是恒定的，而 o 又在r 、下摆动，因而
6.4
他们之间的差拍 i o 将相应随时间摆动。使d 不再 是正弦波，而是正半周长负半周短的不对称波形。
i 30 103 o e arcsin arcsin 48.59 Ad A0 4 104
要维持此相差的误差电压为
c d Ad sin e (t ) 2sin 48.59o 1.5(V)
2、当 i Ad A0 时 设 i i r ，闭合前：VCO的角频率为 r 环路闭合的瞬间，由PD产生 d t Ad sin e t 此时
在二阶环路中，由于有低通滤波器作为环路滤波器，
它相当于一个积分器，将鉴相器输出的直流分量积分。 从而使环路滤波器输出的控制电压不断增加，使压控振
荡器的振荡频率不断向输入信号频率靠近，直至环路进
入相位锁定状态。如果有源积分滤波器为理想积分滤波 器，那么不管固有频差为多大，经过频率牵引总能使环 路达到锁定状态.
1 1 c RC
2
1 RC 的条件
∴ AF c
1 c RC
1 代入计算 c 的公式中： c Ad Ao c RC
锁相环原理及应用PLL
锁相环原理及应用PLL（Phaze Locked Loop）锁相环自1932年问世以来，其应用领域遍及频率相位跟踪控制的各个领域，如通信、雷达、航天、测量、电视、控制等。
随着集成技术的发展，其应用的重要性已成为从事检测、通信、控制工作人员非常重要的应用工具手段，成为电子设备中常用的一种基本部件。
鉴于上述情况，非常有必要学习和掌握这门技术。
它是什么器件有如此大的威力呢？锁相环：是一个闭环的相位控制系统，它跟踪输入信号的相位，并自动锁定。
实现对输入信号频率和相位的自动跟踪。
它跟踪固定频率的输入信号时无频差，跟踪信号的相位时（锁相控制）精度很高；跟踪信号的频率变化的输入信号时（收音机）精度也很高。
它对输入信号恰似一个窄带跟踪滤波器，能够跟踪淹没在噪声之中的微弱信号。
鉴于上述种种独特功能，它在电子设备中越来越广泛地被采用。
它的窄带跟踪滤波和低门限特性，使它成为从噪声中检测调频调相合调幅信号的最佳方法之一。
§1 锁相环工作原理一、组成：锁相环由三个基本部件组成：鉴相器（PD）、低通滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）构成。
与相敏检测器的不同之处在于参考信号由输出的信号闭环形成。
1.鉴相器：是一个相位比较环节，它把输入信号与压控振荡器输出信号的相位进行比较，产生对应两信号相位差的误差电压。
是两信号相位差鉴相器特性可以是多种多样的，有正弦形、方波、三角形、锯齿形特性。
它的电路有各种形式，主要有两类：1）相乘器电路2）序列电路：它的输出电压是输入信号过零点与反馈电压过零点之间时间差的函数。
这类鉴相器的输出只与波形的边沿有关，适用于方波，通常用电路构成。
2.低通滤波器（环路）：具有低通特性，滤除中的变频成分和噪声，以保证环路要求的性能，增加环路的稳定性，产生对应的一个直流控制电压。
常用的环路滤波器有：RC积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源比较积分滤波器3.VCO（Voltage Controlled Oscillator）：它是一个电压—频率转换器，由控制产生相应频率，使其频率朝着输入信号的频率靠拢，由于相位负反馈的作用直至消除频差实现环路锁定。
锁相环的关键指标
锁相环的关键指标一、引言锁相环（Phase-Locked Loop，简称PLL）是一种常用的电子控制系统，用于在输入信号和参考信号之间建立相位关系。
它在通信、数据转换和时钟同步等领域有着广泛的应用。
在设计和评估锁相环时，需要考虑一些关键指标，以确保其性能和稳定性。
本文将就锁相环的关键指标展开讨论。
二、锁相环的基本原理在了解锁相环的关键指标之前，我们先来简要了解一下锁相环的基本原理。
锁相环由相位比较器、低通滤波器、电压控制振荡器和分频器等组成。
其工作原理是通过不断调整电压控制振荡器的频率，使得相位比较器输出的误差信号趋近于零。
这样，输入信号和参考信号之间就能够建立起稳定的相位关系。
三、锁相环的关键指标锁相环的性能和稳定性受多个指标的影响。
下面将分别介绍这些指标。
3.1 带宽锁相环的带宽是指其输出相位响应的频率范围。
带宽越宽，锁相环对频率变化的响应越快。
通常情况下，带宽越宽，锁相环的性能越好。
但同时也需要考虑到带宽过宽可能导致噪声增加和稳定性下降的问题。
3.2 相位噪声相位噪声是指锁相环输出信号的相位随时间变化的不稳定性。
相位噪声越小，锁相环的性能越好。
相位噪声可以通过频域分析来评估，常用的评估指标包括相位噪声密度和积分相位噪声。
3.3 锁定时间锁定时间是指锁相环从初始状态到稳定状态所需的时间。
锁定时间越短，锁相环的性能越好。
锁定时间受到带宽和相位噪声等因素的影响。
3.4 抖动抖动是指锁相环输出信号的瞬时频率偏离其平均频率的程度。
抖动越小，锁相环的性能越好。
抖动可以通过时域分析来评估，常用的评估指标包括峰峰值抖动和均方根抖动。
3.5 稳定性锁相环的稳定性是指其输出信号在长时间内保持稳定的能力。
稳定性受到带宽、相位噪声和抖动等因素的影响。
稳定性可以通过频域和时域分析来评估。
四、评估锁相环的关键指标为了评估锁相环的关键指标，可以采取以下步骤：1.设计合适的测试电路，包括输入信号源和参考信号源。
2.使用合适的测量设备，如频谱分析仪、示波器和时钟分析仪等，对锁相环的输出信号进行测量。
锁相环的基本原理锁相环基本原理及其应用
锁相环的基本原理锁相环基本原理及其应用锁相环的基本原理锁相环基本原理及其应用锁相环及其应用所谓锁相环路，实际是指自动相位控制电路（APC），它是利用两个电信号的相位误差，通过环路自身调整作用，实现频率准确跟踪的系统，称该系统为锁相环路，简称环路，通常用PLL表示。
锁相环路是由鉴相器(简称PD)、环路滤波器（简称LPF或LF）和压控振荡器（简称VCO）三个部件组成闭合系统。
这是一个基本环路，其各种形式均由它变化而来PLL概念设环路输入信号v= Viomimsin(ωit+φi)环路输出信号v= Vosin(ωot+φo)——其中ωo=ωr+△ωo通过相位反馈控制，最终使相位保持同步，实现了受控频率准确跟踪基准信号频率的自动控制系统称为锁相环路。
PLL构成由鉴相器（PD）环路滤波器（LPF）压控振荡器（VCO）组成的环路。
PLL原理从捕捉过程→锁定A.捕捉过程（是失锁的）a. b.φi┈φi均是随时间变化的，经相位比较产生误差相位φe=φi-φo,也是变化的。
φe(t)由鉴相器产生误差电压v(t)=f(φde)完成相位误差—电压的变换作用。
v(t)为交流电压。
dc.v(t)经环路滤波，滤除高频分量和干扰噪声得到纯净控制电压，由VCO产生d控制角频差△ω0,使ω0随ωi变化。
B.锁定（即相位稳定）a. b.一旦锁定φe(t)=φe∞（很小常数）v(t)= V（直流电压）ddω0≡ωi输出频率恒等于输入频率（无角频差，同时控制角频差为最大△ω0max, 即ω0=ωr＋△ω0max。
ωr为VCO固有振荡角频率。
）锁相基本组成和基本方程(时域)各基本组成部件鉴相器(PD)数学模式v(t)=AsinφdDe(t)相位模式环路滤波器(LPF) 数学模式v(t)=A(P) v(t)cFd相位模式压控振荡器(VCO)数学模式相位模式环路模型相位模式：指锁相环(PLL)输入相位和输出相位的反馈调节关系。
相位模型：把鉴相器,环路滤波器和压控振荡器三个部件的相位模型依次级联起来就构成锁相相位模型。
锁相技术第3章 锁相环的跟踪性能(锁定性能)
12太K1小1 ，可导知致：系1 不统能稳过定大性，差
。
另外，从零极点的角度来说第 二个极点 1 ，（第一个极点在
0 处）1越小，图3.2中幅频
曲线的拐点也就越早，这样幅频
曲线与横坐标的交点也越早，这
样相位余量也就越大，所以将第
二个极点前移，将能改善环路的
稳定性。
13
，
T
1
1
Ho(
j)
K (1 j 2 ) ( j)21
1 R1C 2 R2C
-40dB/10倍频程
-20dB/10倍频程
T
K 2 1
20 lg Ho ( j)
20 lg K 20lg
1
1 ( 2 )2 40 lg
ArgHo ( j) arc tan( 2 ) 180
-40dB/10倍频程
0 0.1 1
10
ArgHo ( j)
T
K 1
102
10 3
104
0 0.1 1
- 90
1
1
10
102
10 3
104
-180
相频特性一直滞后，增益临界频
率 T 越大，相位余量 越小，
为了保证足够的相位余量，1 1
尽量小，即 1 尽量大，但由第二
章 否则
1
1
1 2
2
0 0.1 1
10
102
10 3
104
- 90
-180
16
T
，
1
2
(，T 2 )2 1
[（T 1 2 )]2 1
20 lg Ho ( jT ) 0
基于costas光学锁相环的性能
出信号相乘得到误差信号［2］， 通过环路滤波器得到 电平信号来控制本振激光器， 两支路信号仿真结果 如图 2 所示。 信号光表示为：
E S = P S exp( jϕ S)
（1） （2） （3）
k
本振光表示为：
E LO = P LO exp( jϕ LO)
1 COSTAS 环路原理
零差相干检测的 costas 环路如图 1， 信号光和本 振光经由 900 混频器进行混频移相后产生有 900 相位 差的四路输出， 其中 00 和 1800 度作为同相 （I 路） 输入 分量， 90 和 270 度作为正交 （Q 路） 输入分量， 经由
ù BER = Q é S 1 - K）/R b qû ë2 RP（ 1.26
［4］
3 costas 环路噪声分析
costas 环路噪声主要来自于散粒噪声和相位噪 声构成， 总的相位噪声方差为［4］： qB n 2 2 2 σE = σ sn + σ pn = + 2.36 Δυ （15） 2RkP S Bn 可以看出总的相位方差中， 散粒噪声与环路带 宽成正比， 而相位噪声与环路带宽成反比， 为了使环
图 6 不同接收功率下环路归一化线宽 Bn 同相位误差标准方差关系 Δν Fig6. Standard deviation of phase error Vs for various of KPs
Bn Δν
从图 5 中可看到当 ζ ≈ 0.66 时， 环路达到稳定 容许的延时时间最长约为 0.73。 只有满足 ω n τ < ω no sc τ 时， 环路才能保持稳定， 而阻尼系数与角频率关系为： ω ⋅τ ζ= n 2 ， 其中 ω n = K τ ， τ2 = r2C 1 2 为达到环路不同的延时时间需求， 需要合理设 计系统的阻尼系 ζ 。我们知道环路带宽和阻尼系数 有关， 根据环路带宽定义可得环路带宽表达式为：
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平衡光学锁相环的性能分析
摘要：光学锁相环是光通信系统的重要组成部分，决定着光通信的质量。
本文通过平衡锁相环的原理和结构模型，分析了平衡锁相环的噪声和线宽对相干通信影响。
分析结果为相干光通信系统的确立提供了理论依据
关键词：光通信平衡锁相环线宽噪声
中图分类号：o431 文献标识码：a 文章编号：1672-3791（2012）10（c）-0005-03
在通信领域中激光通信系统越来越受到人们的关注，激光通信具有巨大的带宽、好的方向性和无线连接等优点[1]。
为提高激光通信的质量，人们越来越关注光学锁相环的设计，其中平衡锁相环是其中研究的重点。
平衡锁相环结构简单，实用性强，尤其随着窄谱线激光器的发展，为平衡锁相环在空间光通信系统的应用提供了巨大的空间。
1 平衡锁相环的原理及其结构模型
平衡锁相环如图1所示，它主要包括三大部分：前置电路、1800相移的定向耦合器、平衡探测器。
信号光与本振经过1800相移的定向耦合器之后馈入平衡pll，两个检测器的输出误差信号经由环路滤波器之后控制本振频率。
为了达到相位的同步跟踪，光信号的载波不能被完成遏制，需要保留一定强度载波作为导频，以使得本振光进行跟踪并与其相位锁定，否则若平均相位为零，则会出现无相可锁的情况。
例如，在psk调制信号中，利用85%的不完全差相
互耦合，就可以保留10%的信号功率，以此获取所需的导频载波分量。
从图中可看到对于每个线宽下都存在一个最佳的误差标准差，使得系统具有最高灵敏度。
最佳的误差标准差随着线宽的增加而减小。
图5显示了在合理误差方才下，平衡锁相环功率带宽与速率关系。
经计算对平衡环而言，最大线宽与系统码率关系为，此时标准方差，功率损失1 db。
由此可看出平衡环对激光器线宽要求较为苛刻。
3 结语
本文通过对平衡光学锁相环路系统模型的建立，分析了影响相干光通信系统的平衡锁相环的噪声和激光线宽以及通信速率等重
要参数。
通过分析计算，给出了环路最优带宽和最小误差方差表达式，得到了不同线宽下接收灵敏度与误差标准差的关系，并最终确立了平衡锁相环线宽与通信速率关系，分析表明平衡锁相环对激光线宽要求严格。
参考文献
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