漫話鎖相環——載波同步電路

最新 01-22

用鎖相環恢復載波同步信號

載波同步電路主要應用於同步解調。下圖是用鎖相環構成的同步解調電路，其中上半部分是同步解調部分，下半部分是利用鎖相環恢復載波，其輸出的同步信號與輸入信號中的載波成分同頻同相。

用鎖相環恢復載波與前面一篇介紹的FM解調電路有截然不同的工作模式。FM解調中鎖相環工作在調製跟蹤模式，要求VCO的輸出跟隨輸入變化。而在恢復載波電路中VCO的輸出是一個與輸入信號中的載頻同頻同相的參考信號，鎖相環工作在載波跟蹤模式。

通常此電路用來解調PM信號和AM信號，PM的同步解調器為鑒相器，AM的同步解調器為同步檢波電路。當輸入同步解調器的同步信號與輸入信號的載波同頻同相時，其輸出信號中包含了準直流成分與高頻成分，在調相解調電路中此準直流成分與輸入信號的相移成正比，在調幅解調電路中此準直流成分與輸入信號的幅度成正比，經過合適的濾波就可以得到解調信號。

這種解調方式是一種相干解調，比非相干解調具有更理想的解調性能，尤其在數字信號傳輸中幾乎都採用相干解調（當然電路比上述結構複雜，但是原理是一致的）。

另外，上述電路中的同步解調也可以認為是一種零中頻混頻電路，所以只要後續的低通濾波器具有足夠窄的帶寬，就可以將輸入信號頻帶以外的雜訊信號全部濾除，此電路可以等效為一個窄帶濾波器。正因為如此，這種電路常常用來檢測和解調處於高雜訊環境中的信號，著名的鎖相放大器就是這個結構。

載波同步電路中的鎖相環設計的關鍵點

一、閉環帶寬。

在這種電路中鎖相環的作用是恢復同步載波信號，工作在載波跟蹤狀態。為了滿足跟蹤要求，其閉環帶寬必須遠小於調製信號角頻率，即ωn

需要說明的是，上述閉環帶寬是在輸入信號的雜訊較小的情況下的要求，若輸入信號中包含較大雜訊時，閉環帶寬可能要根據輸入雜訊情況確定，這個問題我們將在以後另篇介紹。

二、鎖相環的捕捉過程。

由於載波跟蹤鎖相環的閉環帶寬很窄，而常見的二階I型鎖相環的捕捉帶均與ωn成正比，所以載波跟蹤鎖相環的捕捉帶一般都很窄。

很窄的捕捉帶帶來的問題較多。第一，如果輸入信號頻率位於捕捉帶外，那麼鎖相環將無法進入鎖定狀態。第二，即使輸入信號頻率位於捕捉帶內，也可能由於輸入頻率與反饋頻率之間的頻率差較大而導致捕捉時間很長。

解決上述問題的方法大致有以下幾個：

1、如果輸入信號載波頻率已知且穩定不變，那麼可以將壓控振蕩器的自由振蕩頻率調整到與載頻基本一致，那樣的話就可以在最短的時間內完成捕捉與鎖定，鎖定後的輸出與輸入載頻完全同步。

在這種電路中還可以採用帶變容二極體的石英晶體壓控振蕩器作為載波恢複電路的VCO。這樣做一方面可以提高整個鎖相環的穩定性，另一方面可以提高鎖相環輸出的載頻恢複信號的穩定度。

理論分析說明，鎖相環受到其各種內部雜訊影響中，最主要的是VCO本身的雜訊。這個影響對於整個鎖相環來說呈現高通特性，也就是說VCO本身的雜訊頻率越高越容易輸出，而且基本上難以通過調節鎖相環內部參數來改善。當採用石英晶體構成壓控振蕩器時，由於石英晶體的穩定性和低雜訊特性，便使得VCO的雜訊影響可以大幅度降低。

石英晶體振蕩器的主要問題是它的頻率可控範圍太小，導致鎖相環的同步範圍極窄。如果輸入頻率有較大的偏離，那麼將面臨完全失鎖的危險。

2、如果輸入信號的載頻不能精確已知，或者載頻可以在某個範圍內變化（例如由於多普勒效應引起），那麼上面的固定壓控振蕩器的自由振蕩頻率的方法可能行不通。

這種情況下，如果輸入信號的信噪比較好且輸入信號的載頻變化不大，那麼可以適當放寬鎖相環的閉環帶寬以求得到較大的捕捉帶。另外，實踐和理論都證明，採用將阻尼因子設計在0.7左右的超前滯後環路濾波器時有最好的捕捉性能。

若雜訊干擾很小的話，也可採用鑒頻-鑒相型的鑒相器以得到很寬的捕捉範圍。

3、如果輸入信噪比較差、或者輸入載頻變化較大，可能無法通過放寬鎖相環的閉環帶寬的方式來保證捕捉，在那種情況下，需要用一些輔助手段來保證鎖相環能夠順利鎖定載波，最常見的手段便是掃描捕捉。

掃描捕捉是在壓控振蕩器的控制端另外疊加一個鋸齒波掃描電壓，在鎖相環未鎖定時不斷掃描，同時監測鎖相環是否進入鎖定，一旦鎖相環鎖定，立即停止掃描。

三、鎖相環的同步範圍。

如果輸入信號載波頻率不變，則由於同步帶總是大於捕捉帶，所以幾乎可以不考慮鎖相環的同步範圍。如果輸入信號的載波頻率可變，則鎖相環的同步帶必須涵蓋整個輸入載波頻率範圍，這是顯見的。如果採用掃描捕捉的方式，那麼VCO的可控振蕩頻率範圍還要考慮到由於掃描引起的附加偏移範圍。

載波恢複電路實例

下面我們以一個例子說明這種載波跟蹤型鎖相環的特點。

已知輸入載頻為1MHz的FM信號，輸入幅度400mV，最大頻偏fm = 10kHz，調製頻率F可變以測試鎖相環的跟蹤情況。

實驗電路如下圖，由於只是一個驗證實驗，所以鎖相環的輸出沒有做相位校正。

鎖相環採用NE564。根據其數據手冊計算C0≈450pF，實驗中調整C0使得VCO的自由振蕩頻率等於1MHz。超前-滯後型環路濾波器的參數為R1=1300W，R2=51W，C=0.3mF。此時鎖相環自然頻率ωn≈8.35×105（≈13.3kHz），阻尼因子ζ≈0.64（關於上述參數的計算可以參見前一篇中FM信號解調電路的說明）。