PLL锁相环的特性、应用与其基本工作过程

     PLL（Phase Locked Loop），也称为锁相环路（PLL）或锁相环，它能使受控振荡器的频率和相位均与输入参考信号保持同步，称为相位锁定，简称锁相。它是一个以相位误差为控制对象的反馈控制系统，是将参考信号与受控振荡器输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整受控振荡器输出信号的相位，从而使受控振荡器输出频率与参考信号频率相一致。在两者频率相同而相位并不完全相同的情况下，两个信号之间的相位差能稳定在一个很小的范围内。

　　目前，锁相环路在滤波、频率综合、调制与解调、信号检测等许多技术领域获得了广泛的应用，在模拟与数字通信系统中已成为不可缺少的基本部件。

　　1、良好的跟踪特性

　　当环路具有适当宽度的低频通带时，压控振荡器输出信号的频率与相位就能跟踪输入调频或调相信号的频率与相位的变化。锁相环路的输出信号频率可以精确地跟踪输入参考信号频率的变化，环路锁定后，输入参考信号和输出信号之间的稳态相位误差，可以通过增加环路增益而被控制在所需数值范围内。这种输出信号频率随输入参考信号频率变化的特性称为锁相环的跟踪特性。

　　2、良好的载波跟踪特性

　　无论输入锁相环的信号是已调制或未调制的，只要信号中包含有载波成分，就可将环路设计成一个窄带跟踪滤波器，跟踪输入信号载波成分的频率与相位变化，环路输出信号就是需要提取的载波信号。载波跟踪特性包含窄带、跟踪和弱输入载波信号的放大三重含意。

　3、良好的窄带滤波特性

　　锁相环路通过环路滤波器的作用，具有窄带滤波器特性，当压控振荡器的输出频率锁定在输入参考频率上时，位于信号频率附近的干扰成分将以低频干扰的形式进入环路，绝大部分的干扰会受到环路滤波器低通特性的抑制，从而将混进输入信号中的噪声和杂散干扰滤除掉。在设计较好时，这个通带能做得极窄，例如在几十兆赫的频率范围内，实现几十赫甚至几赫的窄带滤波。这种窄带滤波特性是任何LC、RC及石英晶体等滤波器均难以达到的。

　　当压控振荡器的输出频率锁定在输入参考频率上时，由于信号频率附近的干扰形式将以低频干扰的成分进入环路，绝大部分的干扰会受到环路滤波器低通特性的抑制，从而减少了对压控振荡器的干扰作用。所以，锁相环路具有好的窄带滤波特性，环路对干扰的抑制作用就相当于一个窄带的高频带通滤波器，其通带可以做得很窄（如在数百兆赫兹的中心频率上，带宽可做到几赫兹）。不仅如此，还可以通过改变环路滤波器的参数和环路增益来改变带宽，作为性能优良的跟踪滤波器，用以接收信噪比低、载频漂移大的空间信号。

　　4、良好的门限特性

　锁相环路也是一个非线性器件，用作鉴频器时同样存在门限效应，但锁相环路的门限并不取决于输入信噪比而取决于环路信噪比，由于环路的窄带特性，环路信噪比明显高于输入信噪比，环路能在低输入信噪比条件下工作，即具有低门限的优良特性。

　　在调频通信中，锁相环路用做鉴频器时也有门限效应存在。但是，在相同的调制系数的条件下，它比普通鉴相器的门限低。当锁相环路处于调制跟踪状态时，环路有反馈控制作用，跟踪相位差小，这样，通过环路的作用，限制了跟踪的变化范围，减少了鉴相特性的非线性影响，改善了门限特性。

　5、锁定状态无剩余频差，易于集成化等。

　　锁相环的基本工作过程如下：

　　（1）设输入信号ui（t）和本振信号（压控振荡器输出信号）uo（t）分别是正弦和余弦信号，它们在鉴相器内进行比较，鉴相器的输出是一个与两者间的相位差成比例的电压ud（t），一般把ud （t）称为误差电压。

　   （2）环路低通滤波器滤除鉴相器输出中的高频分量，然后把输出电压uc（t）加到VCO的输入端，VCO的本振信号频率随着输入电压的变化而变化。如果二者频率不一致，则鉴相器的输出将产生低频变化分量，并通过低通滤波器使VCO的频率发生变化。只要环路设计恰当，则这种变化将使本振信号uo（t）的频率与鉴相器输入信号ui （t）的频率一致。

　（3）最后，如果本振信号的频率和输入信号的频率完全一致，两者的相位差将保持某一恒定值，则鉴相器的输出将是一个恒定直流电压（忽略高频分量），环路低通滤波器的输出也是一个直流电压，VCO的频率将停止变化，这时，环路处于“锁定状态”。

　在锁相环的工作过程中，环路存在锁定、捕获和跟踪三个状态。

　（1）当没有输入信号时，VCO以自由振荡频率wo振荡。如果环路有一个输入信号ui（t），开始时，输入频率总是不等于VCO的自由振荡频率，即wi？w o 。如果wi和w o相差不大，在适当范围内，鉴相器输出一误差电压，经环路滤波器变换后控制VCO的频率，使其输出频率变化到接近wi，而且两信号的相位误差为j（常数），这时环路锁定。

　（2）从信号的加入到环路锁定以前，叫做环路的捕捉过程。

　（3）环路锁定以后，如果输入相位ji有变化，鉴相器鉴出ji与j o之差，产生一个正比于这个相位差的电压，并反映相位差的极性，经过环路滤波器变换去控制VCO的频率，使j o改变，减少它与ji之差，直到保持wi=w o ，相位差为j，这一过程叫做环路跟踪过程。

　　1、在空间技术中的应用——窄带跟踪接收机（锁相接收机）

　　锁相接收机是一种具有窄带跟踪性能的接收机。主要用于空间技术中的测速与测距，来确定飞行器的运行轨道。由于飞行器发射功率小，通信距离远，所以收到的信号极其微弱。另外，考虑到信号有多普勒频移以及振荡器产生的频率漂移，接收机的中频通带又必须足够宽，这样，接收机解调器前的信噪功率比必然相当低，一般在-10～-30dB左右。采用窄带锁相跟踪接收机由于它的带宽很窄，又能跟踪信号，因此，能大大提高接收机的信噪比。—般说来，可比普通接收机信噪比提高30～40dB，这一优点是很重要的。

　锁相接收机的简化框图。其工作过程如下：

　　混频器输入信号电压为U1（t），它是调频高频信号，中心频率为W1，它与外差本振信号U2（t）相混频，U2（t）频率为W2，它是由压控振荡器频率W2/M经M次倍频后得到的。混频后输出的中频信号U3（t），其中频频率为W3，W3=W1-W2，经中频放大器放大后在鉴相器内与下一个频率稳定的本地标准中频参考信号W4（t）进行相位比较，W4（t）的频率为W4。如果两者的频率有偏差，鉴相器的输出电压Wd（t）经环路滤波器滤波后就去调整压控振荡器的振荡频率，使混频器的输出频率被锁定在本地标准中频上，即W3=W4。由图可见，接收机的中频放大器设置在环路内部，依靠环路的跟踪作用，中频信号的频率将保持在调谐回路的中心。这样，中频放大器的通频带可以做得很窄（例如3～300Hz），只需覆盖调频信号在载波频率固定情况下的占据频宽就够了。在载频因多普勒频移等原因产生较大漂移的情况下，由于窄带跟踪环路的作用，将使载频有漂移的已调信号频谱，经混频后仍能准确地落在中频通频带的中央，这就实现了窄带跟踪。在实际空间通信中，飞行器实际的多普勒频移产生的频率变化要比调频信号本身占据的频宽大得多，因而必须采用锁相环构成的窄带跟踪滤波器，才能使这种空间通信有满意的结果，这种窄带跟踪接收机的灵敏度很高，接收微弱信号的能力很强。

　　2、在调制解调技术中的应用

　　（1）锁相调频电路

　　应用图所示的锁相环路调频器电路，可以获得载波频率稳定度很高的调频信号。实现PLL调频的条件是，调制信号的频谱要处于环路低通滤波器通带之外，并且调制指数不能太大。这样，锁相环路实际上是载波跟踪环，调制信号不能通过低通滤波器，也就不能参与环路的交流反馈，因而调制信号对锁相环路没有影响，压控振荡器的中心频率被锁定在晶体振荡频率上。同时，调制信号加在压控振荡器上，对其中心频率进行调制，因此，输出调频信号的中心频率稳定度与晶振频稳度有相同的数量级，而调频灵敏度则与VCO的电压控制灵敏度相同，克服了直接调频中心频率稳定度不高的缺点。这种电路的缺点是调制频偏（或相偏）较小。为了保证调制器具有优良的低频调制特性，可用锁相环路构成一种所谓两点调制的宽带FM调制器，这种调制器在很宽的调制频率范围内，频偏正比于调制信号。

　（2）锁相环路鉴频器

　　图8为锁相环路鉴频器原理框图。调频信号由鉴相器输入，如果环路滤波器的带宽设计得足够宽，使鉴相器的输出电压能顺利通过，则压控振荡器在环路滤波器输出电压的控制下，其输出信号频率将跟踪输入调频信号频率的变化，也就是VCO的输出是一个与输入调频信号具有相同调制规律的调频波，而环路滤波器的输出电压则正好就是调频信号解调出的调制信号电压。锁相环路鉴频器的优点是它的门限电平比普通鉴频器低。调制指数越高，门限改善的分贝数也越大。

　（3）调幅信号的同步检波电路

　　边带的调幅信号要进行同步检波，必须先从己调信号中恢复出与载波信号同频同相的本地载波信号，用载波跟踪型锁相环就能获得本地载波信号。图9为锁相同步检波电路原理框图。由于压控振荡器输出信号与输入调幅波的载频分量之间有固定的/2?相移，因此，必须经过3.14/2?移相器变成与已调波中载波分量同相的信号，此信号即为本地载波信号，与已调波信号共同加到同步检波器上，才能获得解调信号。

　　以上是用PLL实现模拟信号的调制与解调，同样可以用PLL实现数字调频、调相信号的调制与解调，最常见的是移频键控（FSK）及移相键控信号的调制与解调。

　　3、在稳频技术中的应用

　　利用锁相环路的频率跟踪特性，可实现分频、倍频、混频等频谱变换功能，并从而构成频率综合器与标准频率源。

　　（1）锁相倍频电路

　　在窄带锁相环路压控振荡器输出到鉴相器的反馈支路中插入一个分频器就得到一个锁相倍频器，如图10所示。

　　根据锁相原理，当环路输入信号锁定后，鉴相器的两个相位进行比较的输入信号的频率应该相等，即

　　这样就完成了锁相倍频的任务，倍频次数等于分频器的分频次数。若采用具有高分频次数的可变数字分频器，则锁相倍频电路可做成高倍频次数的可变倍频器。锁相倍频的优点是频谱纯度很纯，且倍频次数可做得很高。

　　（2）锁相分频电路

　如果在基本锁相环路的反馈通道中插入倍频器，就可组成基本的锁相分频电路，如图11所示。

　　当环路锁定时，鉴相器输入信号角频率wi与压控振荡器经倍频后反馈至鉴相器的信号角频率Nwo应相等，即

　　（3）锁相混频电路

　　锁相混频电路的框图如图12所示。在反馈通道中插入混频器和中频放大器。混频器加入本振信号UL（t），其频率为Lf，因此混频器输出信号的频率为|fo-fL|，经中频放大器放大后加至鉴相器上。当环路锁定时，fr=fo-fL，即fo=fL+fr或fo=fL-fr，这样环路就实现了混频作用。至于fo是fL+fr还是取fL-fr，在环路滤波器带宽足够窄时，取决于VCO输出频率fo是高于还是低于fL，当fo高于fL时，取fo=fL+fr；低于fL时，取fo=fL-fr。

　　（4）频率合成器（频率综合器）

　　指能对频率进行加、减、乘、除运算，将一个或几个标准频率变成一系列标准频率信号的设备或装置为频率合成器。频率合成的方法有以下三种：

　　第一种为直接频率合成法，它是利用混频器、倍频器、分频器及滤波器等来完成频率的加、减、乘、除四种运算。直接式频率合成器的优点是频率变换速度快、相位噪声小，但它的杂波大、硬件设备复杂、体积大、造价高。日前己很少采用。

　　第二种为锁相式频率合成法，是利用一个或几个锁相环来完成频率变换任务，其特点是体积小，性能好、价格低廉、已获得广泛应用。

　　第三种为直接数字式频率合成法（DDS），它利用计算机查阅表格上所存储的正弦波的取样值，再通过数模变换来产生模拟正弦信号，改变查表速度就可以变换频率。这种方法实际上是通过对相位的运算进行频率合成的。也可以用计算机求解数字递推关系式等方法来产生正弦信号。除正弦信号外，也能产生其他各种波形的信号。这种方法也称为波形合成法。其优点是体积小、功耗低、性能优良，己超过传统的频率合成技术，这种方法随着计算机技术的不断发展，正获得十分广泛的应用。这里仅简单介绍锁相频率合成器的原理框图。

　　图 13示出单环数字频率合成器的原理框图。

　图中可见在基本锁相环路的反馈支路中，接入具有高分频比的可变分频器，分频比为N控制可变分频器的分频比就可得到若干个标准频率输出。为了得到所需的频率间隔，往往在电路中还加一个前置分频器。频率合成器的电路构成和锁相倍频电路是一样的，仅仅分频器采用可变分频器。

　　其工作原理如下：环路输入来源于高稳定晶体振荡器，当输入参考信号的频率为fr时，环路在锁定后将没有频差，输入频率等于反馈频率，环路输出频率为

　可见，只要改变分频比N，就可以改变输出频率。同时，当改变合成器输出频率的间隔，即

   为改进单环频率合成器的性能，可以在环路中可变分频器前加入固定分频比的前置分频器，或在反馈支路中加入混频器。