PLL鎖相環(huán)的特性、應(yīng)用與其基本工作過程

　　PLL（Phase Locked Loop），也稱為鎖相環(huán)路（PLL）或鎖相環(huán)，它能使受控振蕩器的頻率和相位均與輸入?yún)⒖夹盘柋３滞剑Q為相位鎖定，簡稱鎖相。它是一個以相位誤差為控制對象的反饋控制系統(tǒng)，是將參考信號與受控振蕩器輸出信號之間的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生相位誤差電壓來調(diào)整受控振蕩器輸出信號的相位，從而使受控振蕩器輸出頻率與參考信號頻率相一致。在兩者頻率相同而相位并不完全相同的情況下，兩個信號之間的相位差能穩(wěn)定在一個很小的范圍內(nèi)。

　　目前，鎖相環(huán)路在濾波、頻率綜合、調(diào)制與解調(diào)、信號檢測等許多技術(shù)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，在模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)中已成為不可缺少的基本部件。

　　PLL鎖相環(huán)的基本特性

　　1、良好的跟蹤特性

　　當(dāng)環(huán)路具有適當(dāng)寬度的低頻通帶時，壓控振蕩器輸出信號的頻率與相位就能跟蹤輸入調(diào)頻或調(diào)相信號的頻率與相位的變化。鎖相環(huán)路的輸出信號頻率可以精確地跟蹤輸入?yún)⒖夹盘栴l率的變化，環(huán)路鎖定后，輸入?yún)⒖夹盘柡洼敵鲂盘栔g的穩(wěn)態(tài)相位誤差，可以通過增加環(huán)路增益而被控制在所需數(shù)值范圍內(nèi)。這種輸出信號頻率隨輸入?yún)⒖夹盘栴l率變化的特性稱為鎖相環(huán)的跟蹤特性。

　　2、良好的載波跟蹤特性

　　無論輸入鎖相環(huán)的信號是已調(diào)制或未調(diào)制的，只要信號中包含有載波成分，就可將環(huán)路設(shè)計成一個窄帶跟蹤濾波器，跟蹤輸入信號載波成分的頻率與相位變化，環(huán)路輸出信號就是需要提取的載波信號。載波跟蹤特性包含窄帶、跟蹤和弱輸入載波信號的放大三重含意。

　　3、良好的窄帶濾波特性

　　鎖相環(huán)路通過環(huán)路濾波器的作用，具有窄帶濾波器特性，當(dāng)壓控振蕩器的輸出頻率鎖定在輸入?yún)⒖碱l率上時，位于信號頻率附近的干擾成分將以低頻干擾的形式進(jìn)入環(huán)路，絕大部分的干擾會受到環(huán)路濾波器低通特性的抑制，從而將混進(jìn)輸入信號中的噪聲和雜散干擾濾除掉。在設(shè)計較好時，這個通帶能做得極窄，例如在幾十兆赫的頻率范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)幾十赫甚至幾赫的窄帶濾波。這種窄帶濾波特性是任何LC、RC及石英晶體等濾波器均難以達(dá)到的。

　　當(dāng)壓控振蕩器的輸出頻率鎖定在輸入?yún)⒖碱l率上時，由于信號頻率附近的干擾形式將以低頻干擾的成分進(jìn)入環(huán)路，絕大部分的干擾會受到環(huán)路濾波器低通特性的抑制，從而減少了對壓控振蕩器的干擾作用。所以，鎖相環(huán)路具有好的窄帶濾波特性，環(huán)路對干擾的抑制作用就相當(dāng)于一個窄帶的高頻帶通濾波器，其通帶可以做得很窄（如在數(shù)百兆赫茲的中心頻率上，帶寬可做到幾赫茲）。不僅如此，還可以通過改變環(huán)路濾波器的參數(shù)和環(huán)路增益來改變帶寬，作為性能優(yōu)良的跟蹤濾波器，用以接收信噪比低、載頻漂移大的空間信號。

　　4、良好的門限特性

　　鎖相環(huán)路也是一個非線性器件，用作鑒頻器時同樣存在門限效應(yīng)，但鎖相環(huán)路的門限并不取決于輸入信噪比而取決于環(huán)路信噪比，由于環(huán)路的窄帶特性，環(huán)路信噪比明顯高于輸入信噪比，環(huán)路能在低輸入信噪比條件下工作，即具有低門限的優(yōu)良特性。

　　在調(diào)頻通信中，鎖相環(huán)路用做鑒頻器時也有門限效應(yīng)存在。但是，在相同的調(diào)制系數(shù)的條件下，它比普通鑒相器的門限低。當(dāng)鎖相環(huán)路處于調(diào)制跟蹤狀態(tài)時，環(huán)路有反饋控制作用，跟蹤相位差小，這樣，通過環(huán)路的作用，限制了跟蹤的變化范圍，減少了鑒相特性的非線性影響，改善了門限特性。

　　5、鎖定狀態(tài)無剩余頻差，易于集成化等。

　　PLL鎖相環(huán)的基本工作過程

　　鎖相環(huán)的基本工作過程如下：

　?。?）設(shè)輸入信號ui（t）和本振信號（壓控振蕩器輸出信號）uo（t）分別是正弦和余弦信號，它們在鑒相器內(nèi)進(jìn)行比較，鑒相器的輸出是一個與兩者間的相位差成比例的電壓ud（t），一般把ud （t）稱為誤差電壓。

　　（2）環(huán)路低通濾波器濾除鑒相器輸出中的高頻分量，然后把輸出電壓uc（t）加到VCO的輸入端，VCO的本振信號頻率隨著輸入電壓的變化而變化。如果二者頻率不一致，則鑒相器的輸出將產(chǎn)生低頻變化分量，并通過低通濾波器使VCO的頻率發(fā)生變化。只要環(huán)路設(shè)計恰當(dāng)，則這種變化將使本振信號uo（t）的頻率與鑒相器輸入信號ui （t）的頻率一致。

　?。?）最后，如果本振信號的頻率和輸入信號的頻率完全一致，兩者的相位差將保持某一恒定值，則鑒相器的輸出將是一個恒定直流電壓（忽略高頻分量），環(huán)路低通濾波器的輸出也是一個直流電壓，VCO的頻率將停止變化，這時，環(huán)路處于“鎖定狀態(tài)”。

　　在鎖相環(huán)的工作過程中，環(huán)路存在鎖定、捕獲和跟蹤三個狀態(tài)。

　?。?）當(dāng)沒有輸入信號時，VCO以自由振蕩頻率wo振蕩。如果環(huán)路有一個輸入信號ui（t），開始時，輸入頻率總是不等于VCO的自由振蕩頻率，即wi？w o 。如果wi和w o相差不大，在適當(dāng)范圍內(nèi)，鑒相器輸出一誤差電壓，經(jīng)環(huán)路濾波器變換后控制VCO的頻率，使其輸出頻率變化到接近wi，而且兩信號的相位誤差為j（常數(shù)），這時環(huán)路鎖定。

　?。?）從信號的加入到環(huán)路鎖定以前，叫做環(huán)路的捕捉過程。

　?。?）環(huán)路鎖定以后，如果輸入相位ji有變化，鑒相器鑒出ji與j o之差，產(chǎn)生一個正比于這個相位差的電壓，并反映相位差的極性，經(jīng)過環(huán)路濾波器變換去控制VCO的頻率，使j o改變，減少它與ji之差，直到保持wi=w o ，相位差為j，這一過程叫做環(huán)路跟蹤過程。

　　鎖相環(huán)的應(yīng)用

　　1、在空間技術(shù)中的應(yīng)用——窄帶跟蹤接收機(jī)（鎖相接收機(jī)）

　　鎖相接收機(jī)是一種具有窄帶跟蹤性能的接收機(jī)。主要用于空間技術(shù)中的測速與測距，來確定飛行器的運(yùn)行軌道。由于飛行器發(fā)射功率小，通信距離遠(yuǎn)，所以收到的信號極其微弱。另外，考慮到信號有多普勒頻移以及振蕩器產(chǎn)生的頻率漂移，接收機(jī)的中頻通帶又必須足夠?qū)?，這樣，接收機(jī)解調(diào)器前的信噪功率比必然相當(dāng)?shù)?，一般?10～-30dB左右。采用窄帶鎖相跟蹤接收機(jī)由于它的帶寬很窄，又能跟蹤信號，因此，能大大提高接收機(jī)的信噪比。—般說來，可比普通接收機(jī)信噪比提高30～40dB，這一優(yōu)點(diǎn)是很重要的。

　　鎖相接收機(jī)的簡化框圖。其工作過程如下：

　　混頻器輸入信號電壓為U1（t），它是調(diào)頻高頻信號，中心頻率為W1，它與外差本振信號U2（t）相混頻，U2（t）頻率為W2，它是由壓控振蕩器頻率W2/M經(jīng)M次倍頻后得到的?；祛l后輸出的中頻信號U3（t），其中頻頻率為W3，W3=W1-W2，經(jīng)中頻放大器放大后在鑒相器內(nèi)與下一個頻率穩(wěn)定的本地標(biāo)準(zhǔn)中頻參考信號W4（t）進(jìn)行相位比較，W4（t）的頻率為W4。如果兩者的頻率有偏差，鑒相器的輸出電壓Wd（t）經(jīng)環(huán)路濾波器濾波后就去調(diào)整壓控振蕩器的振蕩頻率，使混頻器的輸出頻率被鎖定在本地標(biāo)準(zhǔn)中頻上，即W3=W4。由圖可見，接收機(jī)的中頻放大器設(shè)置在環(huán)路內(nèi)部，依靠環(huán)路的跟蹤作用，中頻信號的頻率將保持在調(diào)諧回路的中心。這樣，中頻放大器的通頻帶可以做得很窄（例如3～300Hz），只需覆蓋調(diào)頻信號在載波頻率固定情況下的占據(jù)頻寬就夠了。在載頻因多普勒頻移等原因產(chǎn)生較大漂移的情況下，由于窄帶跟蹤環(huán)路的作用，將使載頻有漂移的已調(diào)信號頻譜，經(jīng)混頻后仍能準(zhǔn)確地落在中頻通頻帶的中央，這就實(shí)現(xiàn)了窄帶跟蹤。在實(shí)際空間通信中，飛行器實(shí)際的多普勒頻移產(chǎn)生的頻率變化要比調(diào)頻信號本身占據(jù)的頻寬大得多，因而必須采用鎖相環(huán)構(gòu)成的窄帶跟蹤濾波器，才能使這種空間通信有滿意的結(jié)果，這種窄帶跟蹤接收機(jī)的靈敏度很高，接收微弱信號的能力很強(qiáng)。

　　2、在調(diào)制解調(diào)技術(shù)中的應(yīng)用

　?。?）鎖相調(diào)頻電路

　　應(yīng)用圖所示的鎖相環(huán)路調(diào)頻器電路，可以獲得載波頻率穩(wěn)定度很高的調(diào)頻信號。實(shí)現(xiàn)PLL調(diào)頻的條件是，調(diào)制信號的頻譜要處于環(huán)路低通濾波器通帶之外，并且調(diào)制指數(shù)不能太大。這樣，鎖相環(huán)路實(shí)際上是載波跟蹤環(huán)，調(diào)制信號不能通過低通濾波器，也就不能參與環(huán)路的交流反饋，因而調(diào)制信號對鎖相環(huán)路沒有影響，壓控振蕩器的中心頻率被鎖定在晶體振蕩頻率上。同時，調(diào)制信號加在壓控振蕩器上，對其中心頻率進(jìn)行調(diào)制，因此，輸出調(diào)頻信號的中心頻率穩(wěn)定度與晶振頻穩(wěn)度有相同的數(shù)量級，而調(diào)頻靈敏度則與VCO的電壓控制靈敏度相同，克服了直接調(diào)頻中心頻率穩(wěn)定度不高的缺點(diǎn)。這種電路的缺點(diǎn)是調(diào)制頻偏（或相偏）較小。為了保證調(diào)制器具有優(yōu)良的低頻調(diào)制特性，可用鎖相環(huán)路構(gòu)成一種所謂兩點(diǎn)調(diào)制的寬帶FM調(diào)制器，這種調(diào)制器在很寬的調(diào)制頻率范圍內(nèi)，頻偏正比于調(diào)制信號。

　?。?）鎖相環(huán)路鑒頻器

　　圖8為鎖相環(huán)路鑒頻器原理框圖。調(diào)頻信號由鑒相器輸入，如果環(huán)路濾波器的帶寬設(shè)計得足夠?qū)?，使鑒相器的輸出電壓能順利通過，則壓控振蕩器在環(huán)路濾波器輸出電壓的控制下，其輸出信號頻率將跟蹤輸入調(diào)頻信號頻率的變化，也就是VCO的輸出是一個與輸入調(diào)頻信號具有相同調(diào)制規(guī)律的調(diào)頻波，而環(huán)路濾波器的輸出電壓則正好就是調(diào)頻信號解調(diào)出的調(diào)制信號電壓。鎖相環(huán)路鑒頻器的優(yōu)點(diǎn)是它的門限電平比普通鑒頻器低。調(diào)制指數(shù)越高，門限改善的分貝數(shù)也越大。

　?。?）調(diào)幅信號的同步檢波電路

　　邊帶的調(diào)幅信號要進(jìn)行同步檢波，必須先從己調(diào)信號中恢復(fù)出與載波信號同頻同相的本地載波信號，用載波跟蹤型鎖相環(huán)就能獲得本地載波信號。圖9為鎖相同步檢波電路原理框圖。由于壓控振蕩器輸出信號與輸入調(diào)幅波的載頻分量之間有固定的/2?相移，因此，必須經(jīng)過3.14/2?移相器變成與已調(diào)波中載波分量同相的信號，此信號即為本地載波信號，與已調(diào)波信號共同加到同步檢波器上，才能獲得解調(diào)信號。

　　以上是用PLL實(shí)現(xiàn)模擬信號的調(diào)制與解調(diào)，同樣可以用PLL實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)頻、調(diào)相信號的調(diào)制與解調(diào)，最常見的是移頻鍵控（FSK）及移相鍵控信號的調(diào)制與解調(diào)。

　　3、在穩(wěn)頻技術(shù)中的應(yīng)用

　　利用鎖相環(huán)路的頻率跟蹤特性，可實(shí)現(xiàn)分頻、倍頻、混頻等頻譜變換功能，并從而構(gòu)成頻率綜合器與標(biāo)準(zhǔn)頻率源。

　?。?）鎖相倍頻電路

　　在窄帶鎖相環(huán)路壓控振蕩器輸出到鑒相器的反饋支路中插入一個分頻器就得到一個鎖相倍頻器，如圖10所示。

　　根據(jù)鎖相原理，當(dāng)環(huán)路輸入信號鎖定后，鑒相器的兩個相位進(jìn)行比較的輸入信號的頻率應(yīng)該相等，即

　　這樣就完成了鎖相倍頻的任務(wù)，倍頻次數(shù)等于分頻器的分頻次數(shù)。若采用具有高分頻次數(shù)的可變數(shù)字分頻器，則鎖相倍頻電路可做成高倍頻次數(shù)的可變倍頻器。鎖相倍頻的優(yōu)點(diǎn)是頻譜純度很純，且倍頻次數(shù)可做得很高。

　?。?）鎖相分頻電路

　　如果在基本鎖相環(huán)路的反饋通道中插入倍頻器，就可組成基本的鎖相分頻電路，如圖11所示。

　　當(dāng)環(huán)路鎖定時，鑒相器輸入信號角頻率wi與壓控振蕩器經(jīng)倍頻后反饋至鑒相器的信號角頻率Nwo應(yīng)相等，即

　?。?）鎖相混頻電路

　　鎖相混頻電路的框圖如圖12所示。在反饋通道中插入混頻器和中頻放大器?；祛l器加入本振信號UL（t），其頻率為Lf，因此混頻器輸出信號的頻率為|fo-fL|，經(jīng)中頻放大器放大后加至鑒相器上。當(dāng)環(huán)路鎖定時，fr=fo-fL，即fo=fL+fr或fo=fL-fr，這樣環(huán)路就實(shí)現(xiàn)了混頻作用。至于fo是fL+fr還是取fL-fr，在環(huán)路濾波器帶寬足夠窄時，取決于VCO輸出頻率fo是高于還是低于fL，當(dāng)fo高于fL時，取fo=fL+fr；低于fL時，取fo=fL-fr。

　　（4）頻率合成器（頻率綜合器）

　　指能對頻率進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算，將一個或幾個標(biāo)準(zhǔn)頻率變成一系列標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的設(shè)備或裝置為頻率合成器。頻率合成的方法有以下三種：

　　第一種為直接頻率合成法，它是利用混頻器、倍頻器、分頻器及濾波器等來完成頻率的加、減、乘、除四種運(yùn)算。直接式頻率合成器的優(yōu)點(diǎn)是頻率變換速度快、相位噪聲小，但它的雜波大、硬件設(shè)備復(fù)雜、體積大、造價高。日前己很少采用。

　　第二種為鎖相式頻率合成法，是利用一個或幾個鎖相環(huán)來完成頻率變換任務(wù)，其特點(diǎn)是體積小，性能好、價格低廉、已獲得廣泛應(yīng)用。

　　第三種為直接數(shù)字式頻率合成法（DDS），它利用計算機(jī)查閱表格上所存儲的正弦波的取樣值，再通過數(shù)模變換來產(chǎn)生模擬正弦信號，改變查表速度就可以變換頻率。這種方法實(shí)際上是通過對相位的運(yùn)算進(jìn)行頻率合成的。也可以用計算機(jī)求解數(shù)字遞推關(guān)系式等方法來產(chǎn)生正弦信號。除正弦信號外，也能產(chǎn)生其他各種波形的信號。這種方法也稱為波形合成法。其優(yōu)點(diǎn)是體積小、功耗低、性能優(yōu)良，己超過傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)，這種方法隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，正獲得十分廣泛的應(yīng)用。這里僅簡單介紹鎖相頻率合成器的原理框圖。

　　圖 13示出單環(huán)數(shù)字頻率合成器的原理框圖。

　　圖中可見在基本鎖相環(huán)路的反饋支路中，接入具有高分頻比的可變分頻器，分頻比為N控制可變分頻器的分頻比就可得到若干個標(biāo)準(zhǔn)頻率輸出。為了得到所需的頻率間隔，往往在電路中還加一個前置分頻器。頻率合成器的電路構(gòu)成和鎖相倍頻電路是一樣的，僅僅分頻器采用可變分頻器。

　　其工作原理如下：環(huán)路輸入來源于高穩(wěn)定晶體振蕩器，當(dāng)輸入?yún)⒖夹盘柕念l率為fr時，環(huán)路在鎖定后將沒有頻差，輸入頻率等于反饋頻率，環(huán)路輸出頻率為

　　可見，只要改變分頻比N，就可以改變輸出頻率。同時，當(dāng)改變合成器輸出頻率的間隔，即

　　為改進(jìn)單環(huán)頻率合成器的性能，可以在環(huán)路中可變分頻器前加入固定分頻比的前置分頻器，或在反饋支路中加入混頻器。