PLL相位和频率特性

信息处理 格努拉迪奥 pll
2022-02-14 18:10:17

我目前正在 GNU Radio 中使用 BPSK 载波相位和频率恢复。我已经能够使用基于 control_loop 类(该类实现 PLL)的科斯塔斯环和频率锁定环(四载波采集)。到目前为止,我从不需要配置 control_loop 类,因为包装类(Costas 和 FLL)默认情况下会这样做。如下所示,控制回路 (PLL) 基于比例加积分器。控制循环构造函数采用三个变量 control_loop(loop_bw, max_freq, min_freq)。max_ 和 min_freq 变量用于将频率(在循环的积分器部分)保持在 max_freq 和 min_freq 之间。我查看了 Costas 和 FLL 源代码并了解了它们的配置方式。

让我们从科斯塔斯循环开始。

  1. 循环配置为 max_freq/min_freq 分别为 +1 和 -1
  2. 输入到控制回路的相位误差,即 (Φ_i[n] - Φ_o[n]) 被限制在 -1 和 1 之间。
  3. 在滤除相位误差后,输出相位即 Φ_o[n] 被包裹(在 2pi 和 -2pi 之间)。频率被强制进入 max_freq 和 min_freq [1,-1] 区域。

使用 FLL,

  1. 该循环被配置为分别具有 (2*PI/samples_per_symbol) 和 -(2*PI/samples_per_symbol) 的 max_freq/min_freq。
  2. 与Costas 环不同,输入到控制环的相位误差,即Φ_i[n] 是无界的。
  3. 与Costas 一样,输出相位即Φ_o[n] 被包裹(在2pi 和-2pi 之间)。频率被强制进入 (2*PI/samples_per_symbol) 和 -(2*PI/samples_per_symbol) 区域的 max_freq/min_freq。

我基本上有三个问题

  1. 为什么Costas环路的输入相位误差限制在[1,-1]区域?
  2. 如何选择环路积分器部分的频率区域 [max_freq 和 min_freq]?为什么我们需要限制频率范围?
  3. 为什么输出相位 Φ_o[n](在 Costas 和 FLL 中)包裹在 -2PI 和 2PI 之间?

我添加了指向 Costas 和 FLL 块的源代码的链接

  1. 科斯塔斯循环:https ://github.com/gnuradio/gnuradio/blob/master/gr-digital/lib/costas_loop_cc_impl.cc
  2. FLL 带边:https ://github.com/gnuradio/gnuradio/blob/master/gr-digital/lib/fll_band_edge_cc_impl.cc

问候,M。

控制回路

1个回答

在我回答您的问题之前,您应该了解:

一种。环路滤波器的积分分支保持以弧度/样本为单位的平均相位增量不是频率值,尽管在正确的上下文中它可以转换为频率值,使用您的采样率作为转换因子。

湾。环路滤波器的总输出是一个瞬时相位增量,用于推进数控振荡器的相位。

所以对于你的问题:

  1. 为什么Costas环路的输入相位误差限制在[1,-1]区域?

将环路滤波器的瞬时相位增量输出保持在某个合理的弧度/样本数似乎是一个任意限制。(校正超过弧度/样本是没有意义的。)±π

积分分支维持的平均相位增量也被限制为弧度/样本。在无信号、噪声处理的情况下,积分器输出可以无限制地增长,因此需要限制器。弧度/样本只是一个任意限制,以在信号确实进入时保持环路接近正常的操作值。应用超过 1 弧度/样本的校正的 Costas 环路可能无论如何都不会接近收敛.±1.0±1.0

  1. 如何选择环路积分器部分的频率区域 [max_freq 和 min_freq]?为什么我们需要限制频率范围?

在您确实没有提供的应用程序上下文中,您必须确定积分器产生的平均相位增量的合理限制是多少。您必须提供限制,因为积分器不稳定,它的输出可以无限制地增长,这会使 PLL 无用。

对于科斯塔斯环,星座点的弧度间距和样本/符号的数量将决定每个处理样本的 NCO 的最大和最小弧度增量的合理限制。由于相位缠绕,区间(π,π)

对于试图锁定特定频率范围的音调(以 Hz 为单位)的 PLL,您可以使用采样率将其转换为以弧度为单位的限制/样本,即弧度/样本。[flow,fhigh]Fs[πflowFs/2,πfhighFs/2]

  1. 为什么输出相位 Φ_o[n](在 Costas 和 FLL 中)包裹在 -2PI 和 2PI 之间?

因为用于设置 NCO 输出相位是循环的,因此可以缩小到小幅度的角度。ejϕo