锁相环路的特性及其应用

锁相环路(Phase Lock Loop，PLL)是一种自动相位控制(APC)系统，是现代电子系统中应用广泛的一个基本部件。它的基本作用是在环路中产生一个振荡信号(有时也称本地振荡)，这个信号的频率受控制电压的作用，当环路锁定时，振荡信号的输出频率与输入信号的频率完全相等，两个信号的相位差保持恒定。实现了无频率误差的信号跟踪，合理地选择PLL的直流增益、振荡频率和相应带宽可有效地改善环路性能，达到理想的效果。

l 锁相环路的组成与特性
1．1 锁相环路的组成
    锁相环路由3部分组成：鉴相器PD(Phase Detector)、环路滤波器LF(Loop Fillter)和压控振荡器VCO(Voltage—Controlled Oscillator)。组成框图如图1所示：

鉴相器PD通常鉴相器由模拟相乘器和低通滤波器组成；作用是将输入信号的相位与VCO的输出信号相位进行比较，并比较结果转化为误差电压Ud(t)；该电压是两个信号相位差的函数。
    环路滤波器LF 是低通滤波器，作用是滤除误差电压Ud(t)中的高频分量后得到控制电压Uc(t)，并加给压控振荡器。
    压控振荡器VCO 通常由变容二极管和电抗管等组成振荡电路；VCO的输出频率受Uc(t)的控制。
    当输入信号和输出信号频率相同相差恒定时，鉴相器输出中的低频分量为零，环路滤波器的输出也为零，压控振荡器的振荡频率不发生变化。如果二者的频率不一致，则鉴相器将产生低频分量，并通过环路滤波器使压空振荡器的频率发生变化。环路设计得恰当，这种变化将不断使输出信号的频率与输入信号的频率趋于一致，最终二者频率相等相位差恒定，Ud(t)，Uc(t)均为直流电压，VCO的输出频率将停止变化，环路处于“锁定”状态。当输入信号的频率发生变化时 (VCO的控制范围)，VCO的输出就能跟上这个变化，实施跟踪和捕捉的过程，达到频率相等的要求。
1．2 锁相环路的基本特性
    正常工作时锁相环路具有以下基本特性：
    (1)良好的窄带特性：当环路处于锁定状态时，鉴相器输出的误差电压Ud(t)是一个能顺利通过环路滤波器的直流电压，如果此时输入信号中有干扰成分，则干扰信号与VCO的输出信号在鉴相器PD中比较所形成的误差电压受到环路滤波器的抑制(处于低通的通频带外)，于是VCO的输出信号中的干扰成分大为减少，此时环路相当于一个滤除噪声的高频窄带滤波器，其通频带可以做得很窄，如在几十兆赫兹至几百兆赫兹的中心频率上实现几赫兹至几十赫兹的窄带滤波。这种窄带滤波特性是LC，RC、石英晶体等滤波器很难达到的。
    (2)锁定后没有频差：在环路处于锁定状态时，环路的输出信号和输入信号的频率相等，没有剩余频差，只有剩余相位差。它比AFC系统更好地实现了频率控制，因而在自动频率控制、频率合等技术方面获得了广泛的应用。
    (3)自动跟踪特性：一个已经处于锁定状态的环路，当输入信号的频率稍有变化时，VCO的频率立即发生相应的变化，使输出频率与输入频率接近并最终达到相等。有时环路虽未达到锁定状态，经过自身的调节作用可以捕捉到输入信号并最终锁定。
    (4)易于集成化：组成锁相环路的基本部件都易于采用集成电路，随着集成技术的发展，整个环路包括一些放大元件、控制元件等均可集成在1块芯片上，目前常用的主要有L562，L565，L564，CD4046等集成锁相环。集成化可以减小设备体积、降低成本、提高设备的可靠性和稳定性，大大提高整机性能。

2 锁相环路的应用
    由于锁相环路性能优越，现广泛用于无线电通信技术中，可实现滤波、模拟和数字信号的调制与解调、倍频、分频、混频、频率合成等方面。
2．1 锁相倍频、分频和混频
    在基本锁相环路中，若将VCO的振荡频率锁定在所需要的频率上，就可进行倍频、分频和混频。
    (1)倍频：在反馈环路中接入一分频器，当环路处于锁定状态时，ωi=ωo／n，输出的频率ωo=nωi为输入信号频率的n倍。如图2所示。

(2)分频：同理要在反馈环路中接入一倍频器，当环路处于锁定状态时，ωi=nωo，ωo=ωi／n，VCO输出的频率为输入频率的1／n。
    (3)混频：在反馈环路中加入混频器或中频放大器，就可实现混频功能。如图3所示。

当环路处于锁定状态时ωi=ωo一ωL，ωo=ωL+ωi。
2．2 锁相调频与鉴频
    (1)调频
    用锁相环路调频，能够得到中心频率高度稳定的调频信号如图4所示。

锁相环路的VCO中心频率稳定在晶振频率上，同时调制信号也加到VC0上，从而实现频率调制获得所需的调频信号。调制信号的频谱应处于LF的带通之外，并且调频系数不能太大，因此不形成调制信号的环路，锁相环路仅是载波的跟踪环，调制频率对锁相环路无影响，只对VCO的中心频率不稳定起作用。这样锁定后 VCO的中心频率就锁定在晶振频率上，输出的调频波中心频率稳定度很高。克服了直接调频中心频率稳定度不高的缺点。
    (2)鉴频
    根据锁相环路的频率跟踪特性，在系统处于调频跟踪状态时，可用于调频信号的解调，其框图如图5所示。
    若输入为调频波，且其最大瞬时频率满足跟踪条件，则当输入调频波的频率发生变化时，经过PD和LF后，将产生一个与输入信号频率变化规律相对应的控制电压，以保证VCO的输出频率与输入频率相同，经环路滤波输出的控制电压就是解调信号。
2．3 调幅波的同步解调
    对于DSB和SSB调幅信号进行解调时，必须使用同步检波，即保证本振产生的载波信号与调幅信号中的载波信号同频同相，此外在数字通信中还有位同步、帧同步、网同步等，可见同步信号的产生非常重要。利用滤波法、导频法、重生法所产生的本振信号很难做到与载波信号同频同相。而利用载波跟踪型的锁相环路就能得到这样的信号，再将其移相90°与输入的调幅信号相乘，通过低通滤波就可解调出调制信号。如图6所示。

2．4 锁相接收机
    锁相接收机实质是一个窄带跟踪锁相环路，其框图如图7所示。

对于一般的超外差接收机，当接收机的信号载波频率不稳定，而本振频率又不能自动跟踪时，必将引起混频器输出的中频信号频率的变动，为了适应这种变化，中频放大器的频带应有一定的带宽。
    对在空间技术中应用的通信机，这个问题就更显得突出，当地面接收站接收卫星发送到无线电信号时，由于卫星离地距离远，再加上卫星发射功率小，天线在增益低，地面接收站收到的信号是极微弱的。卫星环绕地球飞行时，由于多普勒效应，地面接收站收到的信号频率将偏离卫星发射的信号频率，并且其值往往在较大范围内变化。对于这种中心频率在较大范围内变化的微弱信号若采用普通接收机，势必要求有足够的带宽，这样接收机的输出信噪比将严重下降，无法有效地检出信号，若采用锁相接收机，利用环路的窄带跟踪特性，就可有效地提高输出信噪比，获得满意的接收效果。
2．5 频率合成
    无线电通信技术的迅速发展，对振荡信号源的要求在不断提高，不但要求它的频率稳定度的准确高度，而且要求能方便地改换频率，频率合成技术就能满足上述要求。
    在锁相环路的鉴相器中进行相位比较的2个频率应该相等，而参考晶振频率是固定值，而频率合成器所需输出的频率(即VC0的频率)则是多个数值。为了使这二者的频率在鉴相器处相等，以便比较它的相位，可采用脉冲控制锁相法、模拟锁相环路法与数字锁相环路法。脉冲锁相法是利用参考晶振频率的某次谐波(通过脉冲形成电路来获得)与VCO输出频率在鉴相器中比较。如图8所示。

模拟锁相环路法与数字锁相环路法则是利用适当的降频电路将VCO的频率降低(PD工作于较低的频率)，然后与参考频率在鉴相器中相比较，实现锁相功能。二者的区别在于二者的降频方式不同，模拟式采用加减法降频，数字式采用除法降频。锁相环路的应用不仅如此，还有可以解决专门问题锁相环，如彩电电视彩色副载波的提取，振荡器的频率稳定与提能，相关应答器等，在电子设备，无线电通信，航空航天，雷达等领域被广泛采用。