鎖相環(huán)路的特性及其應(yīng)用

鎖相環(huán)路(Phase Lock Loop，PLL)是一種自動(dòng)相位控制(APC)系統(tǒng)，是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的一個(gè)基本部件。它的基本作用是在環(huán)路中產(chǎn)生一個(gè)振蕩信號(hào)(有時(shí)也稱本地振蕩)，這個(gè)信號(hào)的頻率受控制電壓的作用，當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，振蕩信號(hào)的輸出頻率與輸入信號(hào)的頻率完全相等，兩個(gè)信號(hào)的相位差保持恒定。實(shí)現(xiàn)了無頻率誤差的信號(hào)跟蹤，合理地選擇PLL的直流增益、振蕩頻率和相應(yīng)帶寬可有效地改善環(huán)路性能，達(dá)到理想的效果。

l 鎖相環(huán)路的組成與特性
1．1 鎖相環(huán)路的組成
    鎖相環(huán)路由3部分組成：鑒相器PD(Phase Detector)、環(huán)路濾波器LF(Loop Fillter)和壓控振蕩器VCO(Voltage—Controlled Oscillator)。組成框圖如圖1所示：

鑒相器PD通常鑒相器由模擬相乘器和低通濾波器組成；作用是將輸入信號(hào)的相位與VCO的輸出信號(hào)相位進(jìn)行比較，并比較結(jié)果轉(zhuǎn)化為誤差電壓Ud(t)；該電壓是兩個(gè)信號(hào)相位差的函數(shù)。
    環(huán)路濾波器LF 是低通濾波器，作用是濾除誤差電壓Ud(t)中的高頻分量后得到控制電壓Uc(t)，并加給壓控振蕩器。
    壓控振蕩器VCO 通常由變?nèi)荻O管和電抗管等組成振蕩電路；VCO的輸出頻率受Uc(t)的控制。
    當(dāng)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)頻率相同相差恒定時(shí)，鑒相器輸出中的低頻分量為零，環(huán)路濾波器的輸出也為零，壓控振蕩器的振蕩頻率不發(fā)生變化。如果二者的頻率不一致，則鑒相器將產(chǎn)生低頻分量，并通過環(huán)路濾波器使壓空振蕩器的頻率發(fā)生變化。環(huán)路設(shè)計(jì)得恰當(dāng)，這種變化將不斷使輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率趨于一致，最終二者頻率相等相位差恒定，Ud(t)，Uc(t)均為直流電壓，VCO的輸出頻率將停止變化，環(huán)路處于“鎖定”狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率發(fā)生變化時(shí) (VCO的控制范圍)，VCO的輸出就能跟上這個(gè)變化，實(shí)施跟蹤和捕捉的過程，達(dá)到頻率相等的要求。
1．2 鎖相環(huán)路的基本特性
    正常工作時(shí)鎖相環(huán)路具有以下基本特性：
    (1)良好的窄帶特性：當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，鑒相器輸出的誤差電壓Ud(t)是一個(gè)能順利通過環(huán)路濾波器的直流電壓，如果此時(shí)輸入信號(hào)中有干擾成分，則干擾信號(hào)與VCO的輸出信號(hào)在鑒相器PD中比較所形成的誤差電壓受到環(huán)路濾波器的抑制(處于低通的通頻帶外)，于是VCO的輸出信號(hào)中的干擾成分大為減少，此時(shí)環(huán)路相當(dāng)于一個(gè)濾除噪聲的高頻窄帶濾波器，其通頻帶可以做得很窄，如在幾十兆赫茲至幾百兆赫茲的中心頻率上實(shí)現(xiàn)幾赫茲至幾十赫茲的窄帶濾波。這種窄帶濾波特性是LC，RC、石英晶體等濾波器很難達(dá)到的。
    (2)鎖定后沒有頻差：在環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，環(huán)路的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的頻率相等，沒有剩余頻差，只有剩余相位差。它比AFC系統(tǒng)更好地實(shí)現(xiàn)了頻率控制，因而在自動(dòng)頻率控制、頻率合等技術(shù)方面獲得了廣泛的應(yīng)用。
    (3)自動(dòng)跟蹤特性：一個(gè)已經(jīng)處于鎖定狀態(tài)的環(huán)路，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率稍有變化時(shí)，VCO的頻率立即發(fā)生相應(yīng)的變化，使輸出頻率與輸入頻率接近并最終達(dá)到相等。有時(shí)環(huán)路雖未達(dá)到鎖定狀態(tài)，經(jīng)過自身的調(diào)節(jié)作用可以捕捉到輸入信號(hào)并最終鎖定。
    (4)易于集成化：組成鎖相環(huán)路的基本部件都易于采用集成電路，隨著集成技術(shù)的發(fā)展，整個(gè)環(huán)路包括一些放大元件、控制元件等均可集成在1塊芯片上，目前常用的主要有L562，L565，L564，CD4046等集成鎖相環(huán)。集成化可以減小設(shè)備體積、降低成本、提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，大大提高整機(jī)性能。

2 鎖相環(huán)路的應(yīng)用
    由于鎖相環(huán)路性能優(yōu)越，現(xiàn)廣泛用于無線電通信技術(shù)中，可實(shí)現(xiàn)濾波、模擬和數(shù)字信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)、倍頻、分頻、混頻、頻率合成等方面。
2．1 鎖相倍頻、分頻和混頻
    在基本鎖相環(huán)路中，若將VCO的振蕩頻率鎖定在所需要的頻率上，就可進(jìn)行倍頻、分頻和混頻。
    (1)倍頻：在反饋環(huán)路中接入一分頻器，當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，ωi=ωo／n，輸出的頻率ωo=nωi為輸入信號(hào)頻率的n倍。如圖2所示。

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(2)分頻：同理要在反饋環(huán)路中接入一倍頻器，當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，ωi=nωo，ωo=ωi／n，VCO輸出的頻率為輸入頻率的1／n。
    (3)混頻：在反饋環(huán)路中加入混頻器或中頻放大器，就可實(shí)現(xiàn)混頻功能。如圖3所示。

當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)ωi=ωo一ωL，ωo=ωL+ωi。
2．2 鎖相調(diào)頻與鑒頻
    (1)調(diào)頻
    用鎖相環(huán)路調(diào)頻，能夠得到中心頻率高度穩(wěn)定的調(diào)頻信號(hào)如圖4所示。

鎖相環(huán)路的VCO中心頻率穩(wěn)定在晶振頻率上，同時(shí)調(diào)制信號(hào)也加到VC0上，從而實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制獲得所需的調(diào)頻信號(hào)。調(diào)制信號(hào)的頻譜應(yīng)處于LF的帶通之外，并且調(diào)頻系數(shù)不能太大，因此不形成調(diào)制信號(hào)的環(huán)路，鎖相環(huán)路僅是載波的跟蹤環(huán)，調(diào)制頻率對(duì)鎖相環(huán)路無影響，只對(duì)VCO的中心頻率不穩(wěn)定起作用。這樣鎖定后 VCO的中心頻率就鎖定在晶振頻率上，輸出的調(diào)頻波中心頻率穩(wěn)定度很高?？朔酥苯诱{(diào)頻中心頻率穩(wěn)定度不高的缺點(diǎn)。
    (2)鑒頻
    根據(jù)鎖相環(huán)路的頻率跟蹤特性，在系統(tǒng)處于調(diào)頻跟蹤狀態(tài)時(shí)，可用于調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)，其框圖如圖5所示。
    若輸入為調(diào)頻波，且其最大瞬時(shí)頻率滿足跟蹤條件，則當(dāng)輸入調(diào)頻波的頻率發(fā)生變化時(shí)，經(jīng)過PD和LF后，將產(chǎn)生一個(gè)與輸入信號(hào)頻率變化規(guī)律相對(duì)應(yīng)的控制電壓，以保證VCO的輸出頻率與輸入頻率相同，經(jīng)環(huán)路濾波輸出的控制電壓就是解調(diào)信號(hào)。
2．3 調(diào)幅波的同步解調(diào)
    對(duì)于DSB和SSB調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行解調(diào)時(shí)，必須使用同步檢波，即保證本振產(chǎn)生的載波信號(hào)與調(diào)幅信號(hào)中的載波信號(hào)同頻同相，此外在數(shù)字通信中還有位同步、幀同步、網(wǎng)同步等，可見同步信號(hào)的產(chǎn)生非常重要。利用濾波法、導(dǎo)頻法、重生法所產(chǎn)生的本振信號(hào)很難做到與載波信號(hào)同頻同相。而利用載波跟蹤型的鎖相環(huán)路就能得到這樣的信號(hào)，再將其移相90°與輸入的調(diào)幅信號(hào)相乘，通過低通濾波就可解調(diào)出調(diào)制信號(hào)。如圖6所示。

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2．4 鎖相接收機(jī)
    鎖相接收機(jī)實(shí)質(zhì)是一個(gè)窄帶跟蹤鎖相環(huán)路，其框圖如圖7所示。

對(duì)于一般的超外差接收機(jī)，當(dāng)接收機(jī)的信號(hào)載波頻率不穩(wěn)定，而本振頻率又不能自動(dòng)跟蹤時(shí)，必將引起混頻器輸出的中頻信號(hào)頻率的變動(dòng)，為了適應(yīng)這種變化，中頻放大器的頻帶應(yīng)有一定的帶寬。
    對(duì)在空間技術(shù)中應(yīng)用的通信機(jī)，這個(gè)問題就更顯得突出，當(dāng)?shù)孛娼邮照窘邮招l(wèi)星發(fā)送到無線電信號(hào)時(shí)，由于衛(wèi)星離地距離遠(yuǎn)，再加上衛(wèi)星發(fā)射功率小，天線在增益低，地面接收站收到的信號(hào)是極微弱的。衛(wèi)星環(huán)繞地球飛行時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，地面接收站收到的信號(hào)頻率將偏離衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)頻率，并且其值往往在較大范圍內(nèi)變化。對(duì)于這種中心頻率在較大范圍內(nèi)變化的微弱信號(hào)若采用普通接收機(jī)，勢(shì)必要求有足夠的帶寬，這樣接收機(jī)的輸出信噪比將嚴(yán)重下降，無法有效地檢出信號(hào)，若采用鎖相接收機(jī)，利用環(huán)路的窄帶跟蹤特性，就可有效地提高輸出信噪比，獲得滿意的接收效果。
2．5 頻率合成
    無線電通信技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)振蕩信號(hào)源的要求在不斷提高，不但要求它的頻率穩(wěn)定度的準(zhǔn)確高度，而且要求能方便地改換頻率，頻率合成技術(shù)就能滿足上述要求。
    在鎖相環(huán)路的鑒相器中進(jìn)行相位比較的2個(gè)頻率應(yīng)該相等，而參考晶振頻率是固定值，而頻率合成器所需輸出的頻率(即VC0的頻率)則是多個(gè)數(shù)值。為了使這二者的頻率在鑒相器處相等，以便比較它的相位，可采用脈沖控制鎖相法、模擬鎖相環(huán)路法與數(shù)字鎖相環(huán)路法。脈沖鎖相法是利用參考晶振頻率的某次諧波(通過脈沖形成電路來獲得)與VCO輸出頻率在鑒相器中比較。如圖8所示。

模擬鎖相環(huán)路法與數(shù)字鎖相環(huán)路法則是利用適當(dāng)?shù)慕殿l電路將VCO的頻率降低(PD工作于較低的頻率)，然后與參考頻率在鑒相器中相比較，實(shí)現(xiàn)鎖相功能。二者的區(qū)別在于二者的降頻方式不同，模擬式采用加減法降頻，數(shù)字式采用除法降頻。鎖相環(huán)路的應(yīng)用不僅如此，還有可以解決專門問題鎖相環(huán)，如彩電電視彩色副載波的提取，振蕩器的頻率穩(wěn)定與提能，相關(guān)應(yīng)答器等，在電子設(shè)備，無線電通信，航空航天，雷達(dá)等領(lǐng)域被廣泛采用。