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第六章通信系统中的锁相环6.1锁相环的工作原理锁相环最基本的结构如图所示，它由3个基本的部件组成鉴相器(PD)、环路滤波器(LPF)和压控振荡器(VCO)。鉴相器是一个相位比较装置。它把输入信号Si(t)和压控振荡器的输出信号So(t)。彻的相位进行比较，产生对应于两个信号相位差的误差电压Se(t)。环路滤波器的作用是滤除误差电压Se(t)，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。压控振荡器受控制电压Sd(t)的控制。Sd(t)使压控振荡器的频率向输入信号的频率靠拢，直至消除频差而锁定。锁相环是个相位误差控制系统，它比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位差，从而产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率，以达到与输入信号同频。在环路开始工作时，如果输入信号的频率与压控振荡器的频率不同，则两个信号之间存在固有的频率差，它们之间的相位差势必一直在变化，从而使鉴相器输出的误差电压就在一定范围内变化。在这种误差电压的控制下，压控振荡器的频率也在变化。当压控振荡器的频率能够变化到与输入信号频率相等，且满足稳定性条件时，就在这个频率上稳定下来，达到稳定后，输入信号和压控振荡器输出信号之间的频差为零，相差不再随时间变化，误差电压为一个固定值，这时环路就进入锁定状态，这就是锁相环工作的大致过程。锁相环具有良好的跟踪性能，若输入FM信号时，让环路通带足够宽，便信号的调制频谱落在带宽之内，这时压控振荡器的频率跟踪输入信号的频率的变化而变化，可以简单地认为压控振荡器频率与输入信号频率之间的跟踪误差可以忽略，因此任何瞬时，压控振荡器的角频率ώv(t)与FM波的瞬时角频率ώFM(t)相等。FM波的瞬时角频率可表示为假设VCO具有线性控制特性，其斜率(压控灵敏度)为Kv(rad/s)/V,而VCO在Sd(t)=0时的振荡角频率为ώ0'，则当有控制电压时，VCO的瞬时角频率为其中ώ0为FM波的载频，ώ0′为压控振荡器的固有振荡频率，两者皆为常数。因此上式第一项为直流项，可用隔直元件消除，或者开始时己经把压控振荡器的频率调整为ώ0=ώ0′。上式还可进一步写成可见:除了常系数Kf/Kv之外，锁相环的输出就近似等于原调制信号f(t)，因而达到了频率解调的目的。同理，锁相环也可用于解调PM信号，此时只需在输出端接入一个积分器就可以了。6·2一阶PLL实现的FM解调器锁相环在通信系统中最常见的应用是作为FM解调或FSK的解调。用一阶PLL实现的FM解调器仿真图PLL解调器的输出波形图6·3数字频率合成器6·3·1数字频率合成原理通过对频率进行加、减、乘、除的运算，可以从一个高稳定度和高准确度的标准频率源，产生大量的具有同一稳定度和准确度的不同频率。频率合成的方法大致可分为直接合成法和间接合成法两种。直接合成法是通过倍频器、分频器、混频器对频率进行加、减、乘、除运算，得到各种所需频率。直接合成法的优点是频率转换时间短，并能产生任意小的频率增量，但它也存在一些不可克服的缺点，用这种方法合成的频率范围将受到限制，更重要的是由于采用大量的倍频、混频等电路，就要有不少滤波电路，使合成器的设备十分复杂，而且输出端的谐波、噪声及寄生频率难以抑制。间接合成法则利用锁相环路的窄带跟踪特性来得到不同的频率。目前在各种无线电台中使用的频率合成器普遍采用可变数字式锁相环频率合成器，通过CPU控制可获得不同的频点。数字锁相环频率合成器又分为直接式锁相环频率合成器和吞食脉冲式锁相环频率合成器。直接式锁相环频率合成器的原理图图中高稳定度的参考振荡源信号经R次分频后，得到频率为fR的参考脉冲信号。同时压控振荡器的输出经N次分频后得到频率为fN的脉冲信号，两个脉冲信号在鉴相器进行相位比较。当环路处于锁定状态时，则有输出信号显然，只要改变分频比N，即可实现输出不同频率f0的目的，从而实现了由fR合成f0的目的。在该电路中，输出频率点间隔Δf=fR。在实际应用中，特别在超高频工作情况下，为获得较大范围的频率选择和较小的步进频率，多采用吞食脉冲式锁相环频率合成器。其实现方法为:在N分频器与压控振荡器之间插入高速双模前置分频器(除以P与除以(P+1))和吞食计数器A，最终得到总的计数分频比为输出频率为可见频率范围扩展了P倍，而频率间隔仍然保持为较小的fR。6·3·2直接式数字锁相环频率合成器直接式锁相环频率合成器仿真图N=20时频率合成器输出的频谱图N=19时频率合成器输出的频谱图练习题6.1设计一个数字式频率合成器，其输出频率为0.5~15.5MHz，频率间隔为500kHz，应如何选择参考频率及数字分频比？用SystemView系统仿真来实现该设计。