XV. Phase Lock Loop
锁相环
锁相特性
锁相环包含三个组成部分（图15.1）：
1. 相位检测器（PD）。

2. 环路滤波器。

3. 压控振荡器（VCO），其频率由外部电压控制。

相位检测器将一个周期输入信号的相位与压控振荡器的相位进行比较。

相位检测器的输出是它两个输入信号之间相位差的度量。

差值电压由环路滤波后，再加到压控振荡器上。

压控振荡器的控制电压使频率朝着减小输入信号与本振之间相位差的方向改变。

当锁相环处于锁定状态时，控制电压使压控振荡器的频率正好等于输入信号频率的平均值。

对于输入信号的每一周期，振荡器输出也变化一周，且仅仅变化一周。

锁相环的一个显而易见的应用是自动频率控制（AFC）。

用这种方法可以获得完美的频率控制，而传统的自动频率控制技术不可避免地存在某些频率误差。

为了保持锁定环路所需的控制电压，通常要求相位检测器有一个非零的输出，所以环路是在有一些相位误差条件下工作的。

不过实际上对于一个设计良好的环路这种误差很小。

一个稍微不同的解释可提供理解环路工作原理的更好说明。

让我们假定输入信号的相位或频率上携带了信息，并且此信号不可避免地受到加性噪声地干扰。

锁相接收机的作用是重建原信号而尽可能地去除噪声。

为了重建原始信号，接收机使用一个输出频率与预计信号频率非常接近的本机振荡器。

本机振荡和输入信号的波形由相位检测器比较，其误差输出表示瞬时相位差。

为了抑制噪声，误差在一定的时间间隔内被平均，将此平均值用于建立振荡器的频率。

如果原信号状态良好（频率稳定），本机振荡器只需要极少信息就能实现跟踪，此信息可通过长时间的平均得到，从而消除可能很强的噪声。

环路输入是含噪声的信号，而压控振荡器输出却是一个纯净的输入信号（的复本）。

所以，有理由认为环路是一种传输信号并抑制噪声的滤波器。

环路滤波器有两个重要的特性：其一是带宽可以非常窄，其二是滤波器能自动跟踪信号频率。

自动跟踪和窄带的特点说明了锁相接收机的主要用途。

窄带能够抑制大量的噪声，难怪锁相环路常用来恢复深深地淹没在噪声中的信号。

历史与应用
关于锁相的早期论述（思想）是Bellescize于1932年提出的，并在处理无线电信号同步接收中得到应用。

20世纪20年代开始使用超外差接收机，但人们一直努力寻求更简单的接收技术。

一种方法就是同步接收机或零差接收机。

这种接收机本质上只是由一个本机振荡器，一个混频器和一个音频放大器组成。

为了正常工作，必须调节振荡器使其输出频率与输入的信号载波频率完全一致，于是载波被变换成0Hz的“中频”。

混频器输出含有解调出来的，由信号边带携带的信息。

干扰与本地振荡器不同步，因此由干扰信号引起的混频器输出是一个拍音，可用音频滤波器加以抑制。

对于同步接收，本振的正确调谐至关重要，任何一点频率误差都将严重损坏信号。

此外，本振
的相位必须与接收的载波相位一致，其间的误差限于周期的很小一部分。

就是说，本振与输入信号之间必须实现相位锁定。

由于各种原因简单的同步接收机从未广泛应用过。

现在锁相接收机几乎无例外地运用超外差原理，并趋于高度复杂化。

锁相接收机最重要的应用之一是接收来自遥远的宇宙飞行器的极微弱信号。

锁相技术的首次广泛使用是在电视接收机中的行和帧的同步扫描。

与视频信号一起传送的脉冲发出电视图像每一行的开始信号和隔行扫描的半帧开始信号。

作为一种非常粗糙的重建电视显象管扫描光栅的方法，这些脉冲可以剥离出来单独用于触发一对扫描发生器。

一个较为复杂的途径是利用一对自由振荡的张弛振荡器驱动扫描发生器。

用这种方法，即使失去同步（消失），扫描还是存在的。

将振荡器的自由振荡频率设置得略低于水平和垂直（扫描）脉冲频率，剥离出来的脉冲用于提前触发振荡器从而使振荡器与行频和半帧频同步（由于美国电视在交替的垂直扫描时进行隔行交织，所以是半帧频）。

在噪声不存在的情况下这种方案可提供良好的同步，这就完全可以了。

不幸的是噪声总是存在的，并且任何触发电路对噪声都是特别敏感的。

在极端情况下触发扫描将完全失效，尽管在这样的信噪比条件下电视图像虽然较差却还能辩认。

在不是极端恶劣的条件下，噪声将造成起始时间抖动和偶尔的误触发。

行抖动将降低行清晰度,并使得垂直线条呈现锯齿状。

严重的水平误触发通常会造成画面出现狭窄的水平黑带。

帧扫描抖动会引起图像的垂直滚动。

另外，相继半帧之间的隔行扫描行还会相对移动，使图像进一步恶化。

将两个振荡器与剥离出来的同步脉冲锁相可大大减小噪声起伏。

锁相技术靠检查各振荡器和许多同步脉冲之间的相位关系来调节振荡频率，使得平均相位偏差很小，而不是仅用一个脉冲进行触发。

由于锁相同步器检测许多脉冲，因此它不会被偶发的破坏同步器触发的大幅度脉冲噪声所干扰。

目前电视接收机中使用的飞轮同步器实际上就是锁相环路。

使用飞轮一词是因为此电路能够跟踪增加的噪声或微弱信号的周期。

通过锁相可以获得同步性能的重大改进。

在彩色电视接收机中彩色副载波是由锁相环路同步的。

宇宙飞行的需要强烈地刺激了锁相技术的应用。

锁相的空间应用是随着早期美国人造卫星的发射而开始的。

这些飞行体携带低功率（10毫瓦）的连续波发射机，相应的接收信号很微弱。

由于多普勒频移和发射振荡器的频率漂移，接收信号的精确频率难以确定。

在最初使用的108MHz频率上，多普勒频移可在±3kHz范围内。

因此使用普通的固定调谐接收机时，带宽至少应为6kHz，然而信号本身却只占非常窄的频谱，大约在6Hz带宽内。

接收机中的噪声功率与带宽成正比，所以如果使用传统的技术，就不得不接受1000倍（30dB）噪声的代价。

随着技术的进步这些数字变得更加惊人。

发射频率上升到了S波段，使多普勒频移范围达到±75kHz，而接收机带宽则已减小到3Hz。

这样一来常规技术的代价就将是47dB左右。

这是无法接受的，也就是要使用窄带的锁相跟踪接收机的原因所在。

窄带滤波器能抑制噪声，但是如果滤波器被固定，则信号将几乎总是落在通带之外。

一个可用的窄带滤波器必须有跟踪信号的能力。

锁相环路既提供了窄带，又提供了所需的跟踪能力。

而且，非常窄的带宽也能方便地获得（对于空间应用典型的是３到1000Hz）。

如果需要的话，还能容易地
改变带宽。

对于多普勒信号，用于确定飞船速度的信息是多普勒频移。

锁相接收机很适合用于多普勒恢复，因为当锁相环路锁定时不存在频率误差。

其它应用
以下的应用阐述了目前锁相技术的一些应用，这些应用将在本书其他章节进一步讨论。

1. 跟踪运动飞船的一种方法涉及到将相干信号发射到飞船上，将信号频率偏移并转发回地面。

飞船上的相干应答器必须如此工作以使输入和输出频率严格地成m/n的比例关系，此处m
和n都是整数。

锁相技术经常被用来建立相干性。

2. 锁相环可用作频率解调器，锁相环在其中比传统的鉴频器具有更优越的性能。

3. 带有噪声的振荡器可被包围在环路内，并使之锁定在一个纯净的信号上。

如果环路具有大
的带宽，振荡器检测出自已的噪声，其输出被大大净化。

4. 用锁相环路可构成频率倍乘器和分频器。

5. 数字信号的发射通常应用锁相技术实现。

6. 频率合成器可方便地用锁相环路构成。

（石海译，王朔中校）。