频率合成器实验十一锁相一、实验目的1．了解接收机一本振及发射机振荡源——锁相频率合成器原理。

2．了解锁相调频原理。

3．了解锁相频率合成器性能指标。

二、实验内容1．测量发射机锁相频率合成器输出频率与计算值比较，熟悉锁相频率合成原理及输出频率及频道间隔的计算。

2．测量发射机锁相频率合成作为锁相调频器的调制频率特性，熟悉锁相调频原理。

3．观察锁相频合频道切换捕捉过程，了解环路捕捉过程机理。

三、基本原理1．锁相频率合成器原理及电路移动通信系统必须配置多个无线频道，允许多个用户同时通话，这样系统才能容纳大量用户。

因而移动通信系统中的收发信机工作频率（对应于接收机一本振及发射机的主振频率）必须能在系统配置的多个频率间切换。

这些众多频率点的产生通常用频率合成技术来实现。

当前应用最广的是锁相频率合成器（简称锁相频合或PLL频合），常用的单环锁相频合方框图见图11.1。

图11.1 常用的单环锁相频率合成器方框图图中，PD为鉴相器；LF为环路滤波器；VCO为压控振荡器，其振荡频率fv受控制电压u c的控制而改变，一般有f V=f0+K0·u c(11-1) 式中，f0为VCO的固有振荡频率，K0为压控灵敏度(单位Hz/V或rad／S·V)；÷N为程序分频器，其分频比由CPU程序设置可变；÷R为参考分频器，将稳定的晶体振荡器频率f R分频得到环路的参考频率f r（一般为5KHz、6.25KHz、12.5KHz或25KHz等）。

环路锁定时，PD的两个输入信号相差为0或固定值，则频差为0，即f r=f f=f v/N故f v=N·f r(11-2) 由式(11-2)可见，由CPU程序改变N的取值就改变了环路的输出频率，且所有频率都与晶振频率具有相同的准确度与稳定度。

由式(11-2)还可见，频道间隔△f最小可以等于f r，其实际值由系统要求决定。

一般模拟调频通信系统频道间隔△f =25KHz，若锁相频合的f r=5KHz，则N变化步长△N=5。

实际锁相频合集成电路包含了图11-1电路框图中除LF及VCO以外的全部电路，有的甚至包含两个这样的电路，分别用于接收机及发射机，称为双PLL频合，例如MCl45160、MCl45161、MCl45162等。

本实验系统实验仪使用高集成度的VHF通用单片收发信机集成电路U1/U201，其内部集成了除发信VCO、发射机射频功放外的所有收发信机电路，包括收信/发信频率合成器、收信一本振VCO、二本振、第一级混频器、第二级混频器、中放、鉴频器、FSK比较器、音频功放、MIC放大等，可方便地构成VHF双工收发信机，用于话音或低速FSK数据通信。

本实验系统实验仪有两套收发信机：TRx-BS及TRx-MS，每套收发信机都采用了一片VHF通用单片收发信机集成电路U1/U201，其内部的收信/发信频率合成器部分与双PLL频合MCl45162等十分相似，只是它将RX VCO也集成在内，构成接收机一本振及发射机主振PLL频合更方便。

下面以附图2(a)BS收发信机为例对照框图11.1加以详细说明。

附图2(a)中U1为VHF通用单片收发信机集成电路，同MCl45162等双PLL频合IC一样，其参考分频器分频比R及收发两个环路的程序分频器分频比N由CPU通过串行方式由其7、8、9脚送入。

实际选取参考分频器分频比R=2049，则f r=10.245MHz／2049=5KHz。

二个环路各频道的程序分频器分频比按照见表11.1，11.2。

接收环VCO集成在U1内部，U1的39、40脚接外部LC回路（L2、C7），与内部变容二极管等构成接收机一本振，振荡频率由RX VCO电压控制。

VCO的输出信号在U1内部分成二路，一路作为一本振信号送入U1内部的一混频器；另一路送入接U1内部的÷N程序分频器分频后送给PD，与f r=5KHz的参考信号鉴相，U1的45脚为PD输出端，输出误差电流流经外接C9、R4、C8及R3、C13构成的环路滤波器得到控制电压u c，经R2、U1的41脚回送至U1内部的RX VCO，形成图11.1所示闭合环路。

表11.1 MS收发信机频率（f r=5.00KHz，f1IF=10.700MHz）表11.2 BS收发信机频率图11.2 VHF通用单片收发信机集成电路内部框图发射机主振锁相频合同时又是单点注入式锁相调频环路，其框图如图11.3所示。

Q2、L8、D1等构成发信VCO。

衰减后的音频调制信号u m（正弦单音、话音、信令数据）加在变容二极管D1的下端，环路控制电压u c' 经R8加在D6的上端，总控制电压u c=u c'-u m=u c'+(-u m)，忽略括号中的负号并不影响工作原理及性能的分析，故得到图11.3中发信VCO输入端等效电路。

VCO的输出信号分成两路，一路送入Q1等构成的功放，功率放大后经双工器FL2送至天线ANT1发射出去；另一路由U1的48脚送入U1内部的发射环÷N程序分频器，分频后送发射环PD与参考信号鉴相后由U1的1脚输出误差电流，流经R6、C20及R13、C18构成的环路滤波器得到控制电压u c'，经R8送VCO变容二极管D1的上端。

当环路设计成载波跟踪环时，u c'为直流，控制VCO中心频率使环路锁定；u m对VCO调频，实现了锁相调频。

2．锁相频率合成器环路参数设计2.1 环路参数设计公式U1内部的鉴相器PD 采用电荷泵PD 输出，图11.4是单端三态电流型电荷泵及外接的环路滤波器电路。

图中，两只场效应管工作于开关状态：I P 为恒流源；R 2、C l 为环路滤波器；环路按照理想二阶环设计，有关设计公式如下。

(1) 环路自然谐振频率ωn =[I p K 0/(2πNC 1)]1/2 (11-3)式中K 0为压控灵敏度，N 为分频比。

(2) 环路阻尼系数ζ=R 2C 1ωn /2 (11-4)要保证环路稳定余量足够大及瞬态响应快应选取ζ=0.6~1.0(11-5)VUD图11.4 单端三态电流型电荷泵及环路滤波器(3) 锁相调频当锁相频合器作为调频发射机的主振时，其电路框图如图11.3所示，基带调制信号u m由VCO 前单点注入环路，与环路控制电压u c ′相加后去控制VCO 的频率。

当环路设计成载波跟踪环时，u c ′为直流，u m 无畸变地到达VCO 输入端，实现了理想调频。

图11.3锁相调频频合器的相位模型如图11.5所示，则基带调制信号u m 至VCO 调制频偏θ0之间的传递函数为000),(/)(1)()(K K K S H K NSs KF K S U S d e m ⋅=⋅=+=θθ0=d θ0/dt则)()()(00ωωωθj H K j U j e m ⋅=(11-6)式中，H e (S )为误差传递函数，He (jω)为误差频率特性。

由式（11-6）可见，单点注入锁相调频的调制频率特性)(/)(0ωωθj U j m 为环路的误差频率特性H e (jω)乘以常数。

容易导出，理想的二阶环误差频率特性的截止频率ωc 为1)12()12(222+-+-⋅=ζζωωn C(11-7) 把常用ζ代入式(11-7)得表14-3。

可见近似有1~5.0==ζωωnC(11-8)表11.3 理想二阶环误差频率特性H e (jω)截止频率故得理想二阶环误差频率特性H e (jω)如图11.6所示，呈现高通特性。

图中亦标出基带调制信号u m 的频谱u m (jω)，它占据的频带为ΩL ～ΩH 。

若环路设计成载波跟踪状态即ωn <<ΩL ，如图11.5中所示，则可见在U m (jω)为非0值范围内，恒有H e (jω)=1，代入式(11-6)得θ0(jω)=K 0·U m (jω)，求付里叶反变换得d θo /dt=K o ·u m (t)，实现了理想调频。

工程上，为保证单点注入式锁相调频环实现理想调频，应选取ωn ≤ΩL /3 (11-9)图11.6 理想二阶环误差频率特性及载波跟踪条件2.2 环路参数设计方法进行环路参数设计前I P 、Ko 、N 及f r 等己确定，再按以下步骤进行设计： (1) 按式(11-5)选定ζ；(2) 由式(11-9)折衷选取ωn ；(3 )将ζ、ωn 值代入式(11-3)、(11-4)，求出环路滤波器元件值：)2/(201n p N K I C ωπ⋅= (11-10))/(212n C R ωζ= (11-11)2.3 环路参数设计举例实验系统中BS 发射机锁相频合的VCO 压控特性实测结果如表11.4所示：表11.4 BS 发射机VCO 压控特性电荷泵PD 充放电电流I P =2.5mA ；各频道分频比N 见表11.1；环路参考信号频率f r =5KHz 。

根据以下步骤可设计出环路参数。

(1) 按式(11-5)选择ζ=l ；已知话音信号最低频率f L =300Hz ，按式(11-9)选择ωn =2π×100rad/s 。

(2) 由已知条件求VCO 压控灵敏度平均值为046.47546.000()0.980.78()MHz K V -=-72375/1.4910/K H z Vr a d s V==⨯⋅（3）由表11.1求环路分频比平均值为929592009247.592482N +==≅（4）将I P 、K 0、N 及ωn 代入式（11-10）得C 1=2.5×10-3×1.49×107/(2π×9248×(2π×100)2) =1.62 (uF )实际可取C 1=1uF 。

将ζ、ωn 及C 1代入式（11-11）得R 2=2×1/(1×10-6×2π×100) =3.18K Ω实际可取R 2=3.3K Ω。

为进一步滤除鉴相纹波，在实际的环路中通常在滤波器前或后串联第二个附加低通滤波器，但其截止频率要远高于R 2、C 1组成的低通滤波器的截止频率。

实际的环路滤波器电路及元件参数见附图2。

由以上介绍可见，锁相环路性能参数ζ、ωn 的设计，就是对环路滤波器几只电阻、电容的设计，由此可见环路滤波器对环路性能的重大影响。

3．锁相频率合成器环路测量方法3.1 误差频率特性H e (jω)发射机输出调频信号由调频接收机解调后得到基带信号，其系统框图及数学模型如图11.7所示。

图中，调频发射机的数学模型见式(11-6)，K dm 是接收机Rx 的鉴频增益。

由此得(a)(b)U dm (jw)u dm图11.7 调频收发信系统电路框图(a)及数学模型(b))()()(ωωωj H k j U j U e m dm ⋅= (11-12)式中，k =K 0·K dm 。