PLL（Phase Locked Loop），也稱為鎖相環(huán)路（PLL）或鎖相環(huán)，它能使受控振蕩器的頻率和相位均與輸入?yún)⒖?a target="_blank">信號(hào)保持同步，稱為相位鎖定，簡(jiǎn)稱鎖相。它是一個(gè)以相位誤差為控制對(duì)象的反饋控制系統(tǒng)，是將參考信號(hào)與受控振蕩器輸出信號(hào)之間的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生相位誤差電壓來(lái)調(diào)整受控振蕩器輸出信號(hào)的相位，從而使受控振蕩器輸出頻率與參考信號(hào)頻率相一致。在兩者頻率相同而相位并不完全相同的情況下，兩個(gè)信號(hào)之間的相位差能穩(wěn)定在一個(gè)很小的范圍內(nèi)。

　　目前，鎖相環(huán)路在濾波、頻率綜合、調(diào)制與解調(diào)、信號(hào)檢測(cè)等許多技術(shù)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，在模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)中已成為不可缺少的基本部件。

　　PLL鎖相環(huán)的基本特性

　　1、良好的跟蹤特性

　　當(dāng)環(huán)路具有適當(dāng)寬度的低頻通帶時(shí)，壓控振蕩器輸出信號(hào)的頻率與相位就能跟蹤輸入調(diào)頻或調(diào)相信號(hào)的頻率與相位的變化。鎖相環(huán)路的輸出信號(hào)頻率可以精確地跟蹤輸入?yún)⒖夹盘?hào)頻率的變化，環(huán)路鎖定后，輸入?yún)⒖夹盘?hào)和輸出信號(hào)之間的穩(wěn)態(tài)相位誤差，可以通過(guò)增加環(huán)路增益而被控制在所需數(shù)值范圍內(nèi)。這種輸出信號(hào)頻率隨輸入?yún)⒖夹盘?hào)頻率變化的特性稱為鎖相環(huán)的跟蹤特性。

　　2、良好的載波跟蹤特性

　　無(wú)論輸入鎖相環(huán)的信號(hào)是已調(diào)制或未調(diào)制的，只要信號(hào)中包含有載波成分，就可將環(huán)路設(shè)計(jì)成一個(gè)窄帶跟蹤濾波器，跟蹤輸入信號(hào)載波成分的頻率與相位變化，環(huán)路輸出信號(hào)就是需要提取的載波信號(hào)。載波跟蹤特性包含窄帶、跟蹤和弱輸入載波信號(hào)的放大三重含意。

　　3、良好的窄帶濾波特性

　　鎖相環(huán)路通過(guò)環(huán)路濾波器的作用，具有窄帶濾波器特性，當(dāng)壓控振蕩器的輸出頻率鎖定在輸入?yún)⒖碱l率上時(shí)，位于信號(hào)頻率附近的干擾成分將以低頻干擾的形式進(jìn)入環(huán)路，絕大部分的干擾會(huì)受到環(huán)路濾波器低通特性的抑制，從而將混進(jìn)輸入信號(hào)中的噪聲和雜散干擾濾除掉。在設(shè)計(jì)較好時(shí)，這個(gè)通帶能做得極窄，例如在幾十兆赫的頻率范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)幾十赫甚至幾赫的窄帶濾波。這種窄帶濾波特性是任何LC、RC及石英晶體等濾波器均難以達(dá)到的。

　　當(dāng)壓控振蕩器的輸出頻率鎖定在輸入?yún)⒖碱l率上時(shí)，由于信號(hào)頻率附近的干擾形式將以低頻干擾的成分進(jìn)入環(huán)路，絕大部分的干擾會(huì)受到環(huán)路濾波器低通特性的抑制，從而減少了對(duì)壓控振蕩器的干擾作用。所以，鎖相環(huán)路具有好的窄帶濾波特性，環(huán)路對(duì)干擾的抑制作用就相當(dāng)于一個(gè)窄帶的高頻帶通濾波器，其通帶可以做得很窄（如在數(shù)百兆赫茲的中心頻率上，帶寬可做到幾赫茲）。不僅如此，還可以通過(guò)改變環(huán)路濾波器的參數(shù)和環(huán)路增益來(lái)改變帶寬，作為性能優(yōu)良的跟蹤濾波器，用以接收信噪比低、載頻漂移大的空間信號(hào)。

　　4、良好的門限特性

　　鎖相環(huán)路也是一個(gè)非線性器件，用作鑒頻器時(shí)同樣存在門限效應(yīng)，但鎖相環(huán)路的門限并不取決于輸入信噪比而取決于環(huán)路信噪比，由于環(huán)路的窄帶特性，環(huán)路信噪比明顯高于輸入信噪比，環(huán)路能在低輸入信噪比條件下工作，即具有低門限的優(yōu)良特性。

　　在調(diào)頻通信中，鎖相環(huán)路用做鑒頻器時(shí)也有門限效應(yīng)存在。但是，在相同的調(diào)制系數(shù)的條件下，它比普通鑒相器的門限低。當(dāng)鎖相環(huán)路處于調(diào)制跟蹤狀態(tài)時(shí)，環(huán)路有反饋控制作用，跟蹤相位差小，這樣，通過(guò)環(huán)路的作用，限制了跟蹤的變化范圍，減少了鑒相特性的非線性影響，改善了門限特性。

　　5、鎖定狀態(tài)無(wú)剩余頻差，易于集成化等。

　　PLL鎖相環(huán)的基本工作過(guò)程

　　鎖相環(huán)的基本工作過(guò)程如下：

　　（1）設(shè)輸入信號(hào)ui（t）和本振信號(hào)（壓控振蕩器輸出信號(hào)）uo（t）分別是正弦和余弦信號(hào)，它們?cè)阼b相器內(nèi)進(jìn)行比較，鑒相器的輸出是一個(gè)與兩者間的相位差成比例的電壓ud（t），一般把ud （t）稱為誤差電壓。

　　（2）環(huán)路低通濾波器濾除鑒相器輸出中的高頻分量，然后把輸出電壓uc（t）加到VCO的輸入端，VCO的本振信號(hào)頻率隨著輸入電壓的變化而變化。如果二者頻率不一致，則鑒相器的輸出將產(chǎn)生低頻變化分量，并通過(guò)低通濾波器使VCO的頻率發(fā)生變化。只要環(huán)路設(shè)計(jì)恰當(dāng)，則這種變化將使本振信號(hào)uo（t）的頻率與鑒相器輸入信號(hào)ui （t）的頻率一致。

　　（3）最后，如果本振信號(hào)的頻率和輸入信號(hào)的頻率完全一致，兩者的相位差將保持某一恒定值，則鑒相器的輸出將是一個(gè)恒定直流電壓（忽略高頻分量），環(huán)路低通濾波器的輸出也是一個(gè)直流電壓，VCO的頻率將停止變化，這時(shí)，環(huán)路處于“鎖定狀態(tài)”。

　　在鎖相環(huán)的工作過(guò)程中，環(huán)路存在鎖定、捕獲和跟蹤三個(gè)狀態(tài)。

　　（1）當(dāng)沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，VCO以自由振蕩頻率wo振蕩。如果環(huán)路有一個(gè)輸入信號(hào)ui（t），開(kāi)始時(shí)，輸入頻率總是不等于VCO的自由振蕩頻率，即wi？w o 。如果wi和w o相差不大，在適當(dāng)范圍內(nèi)，鑒相器輸出一誤差電壓，經(jīng)環(huán)路濾波器變換后控制VCO的頻率，使其輸出頻率變化到接近wi，而且兩信號(hào)的相位誤差為j（常數(shù)），這時(shí)環(huán)路鎖定。

　　（2）從信號(hào)的加入到環(huán)路鎖定以前，叫做環(huán)路的捕捉過(guò)程。

　　（3）環(huán)路鎖定以后，如果輸入相位ji有變化，鑒相器鑒出ji與j o之差，產(chǎn)生一個(gè)正比于這個(gè)相位差的電壓，并反映相位差的極性，經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器變換去控制VCO的頻率，使j o改變，減少它與ji之差，直到保持wi=w o ，相位差為j，這一過(guò)程叫做環(huán)路跟蹤過(guò)程。

　　鎖相環(huán)的應(yīng)用

　　1、在空間技術(shù)中的應(yīng)用——窄帶跟蹤接收機(jī)（鎖相接收機(jī)）

　　鎖相接收機(jī)是一種具有窄帶跟蹤性能的接收機(jī)。主要用于空間技術(shù)中的測(cè)速與測(cè)距，來(lái)確定飛行器的運(yùn)行軌道。由于飛行器發(fā)射功率小，通信距離遠(yuǎn)，所以收到的信號(hào)極其微弱。另外，考慮到信號(hào)有多普勒頻移以及振蕩器產(chǎn)生的頻率漂移，接收機(jī)的中頻通帶又必須足夠?qū)挘@樣，接收機(jī)解調(diào)器前的信噪功率比必然相當(dāng)?shù)停话阍?10～-30dB左右。采用窄帶鎖相跟蹤接收機(jī)由于它的帶寬很窄，又能跟蹤信號(hào)，因此，能大大提高接收機(jī)的信噪比。—般說(shuō)來(lái)，可比普通接收機(jī)信噪比提高30～40dB，這一優(yōu)點(diǎn)是很重要的。

　　鎖相接收機(jī)的簡(jiǎn)化框圖。其工作過(guò)程如下：

　　混頻器輸入信號(hào)電壓為U1（t），它是調(diào)頻高頻信號(hào)，中心頻率為W1，它與外差本振信號(hào)U2（t）相混頻，U2（t）頻率為W2，它是由壓控振蕩器頻率W2/M經(jīng)M次倍頻后得到的。混頻后輸出的中頻信號(hào)U3（t），其中頻頻率為W3，W3=W1-W2，經(jīng)中頻放大器放大后在鑒相器內(nèi)與下一個(gè)頻率穩(wěn)定的本地標(biāo)準(zhǔn)中頻參考信號(hào)W4（t）進(jìn)行相位比較，W4（t）的頻率為W4。如果兩者的頻率有偏差，鑒相器的輸出電壓Wd（t）經(jīng)環(huán)路濾波器濾波后就去調(diào)整壓控振蕩器的振蕩頻率，使混頻器的輸出頻率被鎖定在本地標(biāo)準(zhǔn)中頻上，即W3=W4。由圖可見(jiàn)，接收機(jī)的中頻放大器設(shè)置在環(huán)路內(nèi)部，依靠環(huán)路的跟蹤作用，中頻信號(hào)的頻率將保持在調(diào)諧回路的中心。這樣，中頻放大器的通頻帶可以做得很窄（例如3～300Hz），只需覆蓋調(diào)頻信號(hào)在載波頻率固定情況下的占據(jù)頻寬就夠了。在載頻因多普勒頻移等原因產(chǎn)生較大漂移的情況下，由于窄帶跟蹤環(huán)路的作用，將使載頻有漂移的已調(diào)信號(hào)頻譜，經(jīng)混頻后仍能準(zhǔn)確地落在中頻通頻帶的中央，這就實(shí)現(xiàn)了窄帶跟蹤。在實(shí)際空間通信中，飛行器實(shí)際的多普勒頻移產(chǎn)生的頻率變化要比調(diào)頻信號(hào)本身占據(jù)的頻寬大得多，因而必須采用鎖相環(huán)構(gòu)成的窄帶跟蹤濾波器，才能使這種空間通信有滿意的結(jié)果，這種窄帶跟蹤接收機(jī)的靈敏度很高，接收微弱信號(hào)的能力很強(qiáng)。

　　2、在調(diào)制解調(diào)技術(shù)中的應(yīng)用

　　（1）鎖相調(diào)頻電路

　　應(yīng)用圖所示的鎖相環(huán)路調(diào)頻器電路，可以獲得載波頻率穩(wěn)定度很高的調(diào)頻信號(hào)。實(shí)現(xiàn)PLL調(diào)頻的條件是，調(diào)制信號(hào)的頻譜要處于環(huán)路低通濾波器通帶之外，并且調(diào)制指數(shù)不能太大。這樣，鎖相環(huán)路實(shí)際上是載波跟蹤環(huán)，調(diào)制信號(hào)不能通過(guò)低通濾波器，也就不能參與環(huán)路的交流反饋，因而調(diào)制信號(hào)對(duì)鎖相環(huán)路沒(méi)有影響，壓控振蕩器的中心頻率被鎖定在晶體振蕩頻率上。同時(shí)，調(diào)制信號(hào)加在壓控振蕩器上，對(duì)其中心頻率進(jìn)行調(diào)制，因此，輸出調(diào)頻信號(hào)的中心頻率穩(wěn)定度與晶振頻穩(wěn)度有相同的數(shù)量級(jí)，而調(diào)頻靈敏度則與VCO的電壓控制靈敏度相同，克服了直接調(diào)頻中心頻率穩(wěn)定度不高的缺點(diǎn)。這種電路的缺點(diǎn)是調(diào)制頻偏（或相偏）較小。為了保證調(diào)制器具有優(yōu)良的低頻調(diào)制特性，可用鎖相環(huán)路構(gòu)成一種所謂兩點(diǎn)調(diào)制的寬帶FM調(diào)制器，這種調(diào)制器在很寬的調(diào)制頻率范圍內(nèi)，頻偏正比于調(diào)制信號(hào)。

　　（2）鎖相環(huán)路鑒頻器

　　圖8為鎖相環(huán)路鑒頻器原理框圖。調(diào)頻信號(hào)由鑒相器輸入，如果環(huán)路濾波器的帶寬設(shè)計(jì)得足夠?qū)挘硅b相器的輸出電壓能順利通過(guò)，則壓控振蕩器在環(huán)路濾波器輸出電壓的控制下，其輸出信號(hào)頻率將跟蹤輸入調(diào)頻信號(hào)頻率的變化，也就是VCO的輸出是一個(gè)與輸入調(diào)頻信號(hào)具有相同調(diào)制規(guī)律的調(diào)頻波，而環(huán)路濾波器的輸出電壓則正好就是調(diào)頻信號(hào)解調(diào)出的調(diào)制信號(hào)電壓。鎖相環(huán)路鑒頻器的優(yōu)點(diǎn)是它的門限電平比普通鑒頻器低。調(diào)制指數(shù)越高，門限改善的分貝數(shù)也越大。

　　（3）調(diào)幅信號(hào)的同步檢波電路

　　邊帶的調(diào)幅信號(hào)要進(jìn)行同步檢波，必須先從己調(diào)信號(hào)中恢復(fù)出與載波信號(hào)同頻同相的本地載波信號(hào)，用載波跟蹤型鎖相環(huán)就能獲得本地載波信號(hào)。圖9為鎖相同步檢波電路原理框圖。由于壓控振蕩器輸出信號(hào)與輸入調(diào)幅波的載頻分量之間有固定的/2?相移，因此，必須經(jīng)過(guò)3.14/2?移相器變成與已調(diào)波中載波分量同相的信號(hào)，此信號(hào)即為本地載波信號(hào)，與已調(diào)波信號(hào)共同加到同步檢波器上，才能獲得解調(diào)信號(hào)。

　　以上是用PLL實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，同樣可以用PLL實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)頻、調(diào)相信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，最常見(jiàn)的是移頻鍵控（FSK）及移相鍵控信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)。

　　3、在穩(wěn)頻技術(shù)中的應(yīng)用

　　利用鎖相環(huán)路的頻率跟蹤特性，可實(shí)現(xiàn)分頻、倍頻、混頻等頻譜變換功能，并從而構(gòu)成頻率綜合器與標(biāo)準(zhǔn)頻率源。

　　（1）鎖相倍頻電路

　　在窄帶鎖相環(huán)路壓控振蕩器輸出到鑒相器的反饋支路中插入一個(gè)分頻器就得到一個(gè)鎖相倍頻器，如圖10所示。

　　根據(jù)鎖相原理，當(dāng)環(huán)路輸入信號(hào)鎖定后，鑒相器的兩個(gè)相位進(jìn)行比較的輸入信號(hào)的頻率應(yīng)該相等，即

　　這樣就完成了鎖相倍頻的任務(wù)，倍頻次數(shù)等于分頻器的分頻次數(shù)。若采用具有高分頻次數(shù)的可變數(shù)字分頻器，則鎖相倍頻電路可做成高倍頻次數(shù)的可變倍頻器。鎖相倍頻的優(yōu)點(diǎn)是頻譜純度很純，且倍頻次數(shù)可做得很高。

　　（2）鎖相分頻電路

　　如果在基本鎖相環(huán)路的反饋通道中插入倍頻器，就可組成基本的鎖相分頻電路，如圖11所示。

　　當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，鑒相器輸入信號(hào)角頻率wi與壓控振蕩器經(jīng)倍頻后反饋至鑒相器的信號(hào)角頻率Nwo應(yīng)相等，即

　　（3）鎖相混頻電路

　　鎖相混頻電路的框圖如圖12所示。在反饋通道中插入混頻器和中頻放大器。混頻器加入本振信號(hào)UL（t），其頻率為L(zhǎng)f，因此混頻器輸出信號(hào)的頻率為|fo-fL|，經(jīng)中頻放大器放大后加至鑒相器上。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，fr=fo-fL，即fo=fL+fr或fo=fL-fr，這樣環(huán)路就實(shí)現(xiàn)了混頻作用。至于fo是fL+fr還是取fL-fr，在環(huán)路濾波器帶寬足夠窄時(shí)，取決于VCO輸出頻率fo是高于還是低于fL，當(dāng)fo高于fL時(shí)，取fo=fL+fr；低于fL時(shí)，取fo=fL-fr。

　　（4）頻率合成器（頻率綜合器）

　　指能對(duì)頻率進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算，將一個(gè)或幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率變成一系列標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的設(shè)備或裝置為頻率合成器。頻率合成的方法有以下三種：

　　第一種為直接頻率合成法，它是利用混頻器、倍頻器、分頻器及濾波器等來(lái)完成頻率的加、減、乘、除四種運(yùn)算。直接式頻率合成器的優(yōu)點(diǎn)是頻率變換速度快、相位噪聲小，但它的雜波大、硬件設(shè)備復(fù)雜、體積大、造價(jià)高。日前己很少采用。

　　第二種為鎖相式頻率合成法，是利用一個(gè)或幾個(gè)鎖相環(huán)來(lái)完成頻率變換任務(wù)，其特點(diǎn)是體積小，性能好、價(jià)格低廉、已獲得廣泛應(yīng)用。

　　第三種為直接數(shù)字式頻率合成法（DDS），它利用計(jì)算機(jī)查閱表格上所存儲(chǔ)的正弦波的取樣值，再通過(guò)數(shù)模變換來(lái)產(chǎn)生模擬正弦信號(hào)，改變查表速度就可以變換頻率。這種方法實(shí)際上是通過(guò)對(duì)相位的運(yùn)算進(jìn)行頻率合成的。也可以用計(jì)算機(jī)求解數(shù)字遞推關(guān)系式等方法來(lái)產(chǎn)生正弦信號(hào)。除正弦信號(hào)外，也能產(chǎn)生其他各種波形的信號(hào)。這種方法也稱為波形合成法。其優(yōu)點(diǎn)是體積小、功耗低、性能優(yōu)良，己超過(guò)傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)，這種方法隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，正獲得十分廣泛的應(yīng)用。這里僅簡(jiǎn)單介紹鎖相頻率合成器的原理框圖。

　　圖 13示出單環(huán)數(shù)字頻率合成器的原理框圖。

　　圖中可見(jiàn)在基本鎖相環(huán)路的反饋支路中，接入具有高分頻比的可變分頻器，分頻比為N控制可變分頻器的分頻比就可得到若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率輸出。為了得到所需的頻率間隔，往往在電路中還加一個(gè)前置分頻器。頻率合成器的電路構(gòu)成和鎖相倍頻電路是一樣的，僅僅分頻器采用可變分頻器。

　　其工作原理如下：環(huán)路輸入來(lái)源于高穩(wěn)定晶體振蕩器，當(dāng)輸入?yún)⒖夹盘?hào)的頻率為fr時(shí)，環(huán)路在鎖定后將沒(méi)有頻差，輸入頻率等于反饋頻率，環(huán)路輸出頻率為

　　可見(jiàn)，只要改變分頻比N，就可以改變輸出頻率。同時(shí)，當(dāng)改變合成器輸出頻率的間隔，即

　　為改進(jìn)單環(huán)頻率合成器的性能，可以在環(huán)路中可變分頻器前加入固定分頻比的前置分頻器，或在反饋支路中加入混頻器。