干货 | 漫话锁相环——载波同步电路

用锁相环恢复载波同步信号

载波同步电路主要应用于同步解调。下图是用锁相环构成的同步解调电路，其中上半部分是同步解调部分，下半部分是利用锁相环恢复载波，其输出的同步信号与输入信号中的载波成分同频同相。

用锁相环恢复载波与前面一篇介绍的FM解调电路有截然不同的工作模式。FM解调中锁相环工作在调制跟踪模式，要求VCO的输出跟随输入变化。而在恢复载波电路中VCO的输出是一个与输入信号中的载频同频同相的参考信号，锁相环工作在载波跟踪模式。

通常此电路用来解调PM信号和AM信号，PM的同步解调器为鉴相器，AM的同步解调器为同步检波电路。当输入同步解调器的同步信号与输入信号的载波同频同相时，其输出信号中包含了准直流成分与高频成分，在调相解调电路中此准直流成分与输入信号的相移成正比，在调幅解调电路中此准直流成分与输入信号的幅度成正比，经过合适的滤波就可以得到解调信号。

这种解调方式是一种相干解调，比非相干解调具有更理想的解调性能，尤其在数字信号传输中几乎都采用相干解调（当然电路比上述结构复杂，但是原理是一致的）。

另外，上述电路中的同步解调也可以认为是一种零中频混频电路，所以只要后续的低通滤波器具有足够窄的带宽，就可以将输入信号频带以外的噪声信号全部滤除，此电路可以等效为一个窄带滤波器。正因为如此，这种电路常常用来检测和解调处于高噪声环境中的信号，著名的锁相放大器就是这个结构。 

载波同步电路中的锁相环设计的关键点

一、闭环带宽。

在这种电路中锁相环的作用是恢复同步载波信号，工作在载波跟踪状态。为了满足跟踪要求，其闭环带宽必须远小于调制信号角频率，即ωn<<×2πF。具体小多少与系统的阻尼因子ζ有关。当ζ=0.707时，至少应满足ωn<0.3×2πF，而当ζ取其他值时，闭环带宽应取得更小。

需要说明的是，上述闭环带宽是在输入信号的噪声较小的情况下的要求，若输入信号中包含较大噪声时，闭环带宽可能要根据输入噪声情况确定，这个问题我们将在以后另篇介绍。

二、锁相环的捕捉过程。

由于载波跟踪锁相环的闭环带宽很窄，而常见的二阶I型锁相环的捕捉带均与ωn成正比，所以载波跟踪锁相环的捕捉带一般都很窄。

很窄的捕捉带带来的问题较多。第一，如果输入信号频率位于捕捉带外，那么锁相环将无法进入锁定状态。第二，即使输入信号频率位于捕捉带内，也可能由于输入频率与反馈频率之间的频率差较大而导致捕捉时间很长。

解决上述问题的方法大致有以下几个：

1、如果输入信号载波频率已知且稳定不变，那么可以将压控振荡器的自由振荡频率调整到与载频基本一致，那样的话就可以在最短的时间内完成捕捉与锁定，锁定后的输出与输入载频完全同步。

在这种电路中还可以采用带变容二极管的石英晶体压控振荡器作为载波恢复电路的VCO。这样做一方面可以提高整个锁相环的稳定性，另一方面可以提高锁相环输出的载频恢复信号的稳定度。

理论分析说明，锁相环受到其各种内部噪声影响中，最主要的是VCO本身的噪声。这个影响对于整个锁相环来说呈现高通特性，也就是说VCO本身的噪声频率越高越容易输出，而且基本上难以通过调节锁相环内部参数来改善。当采用石英晶体构成压控振荡器时，由于石英晶体的稳定性和低噪声特性，便使得VCO的噪声影响可以大幅度降低。

石英晶体振荡器的主要问题是它的频率可控范围太小，导致锁相环的同步范围极窄。如果输入频率有较大的偏离，那么将面临完全失锁的危险。

2、如果输入信号的载频不能精确已知，或者载频可以在某个范围内变化（例如由于多普勒效应引起），那么上面的固定压控振荡器的自由振荡频率的方法可能行不通。

这种情况下，如果输入信号的信噪比较好且输入信号的载频变化不大，那么可以适当放宽锁相环的闭环带宽以求得到较大的捕捉带。另外，实践和理论都证明，采用将阻尼因子设计在0.7左右的超前滞后环路滤波器时有最好的捕捉性能。

若噪声干扰很小的话，也可采用鉴频-鉴相型的鉴相器以得到很宽的捕捉范围。

3、如果输入信噪比较差、或者输入载频变化较大，可能无法通过放宽锁相环的闭环带宽的方式来保证捕捉，在那种情况下，需要用一些辅助手段来保证锁相环能够顺利锁定载波，最常见的手段便是扫描捕捉。

扫描捕捉是在压控振荡器的控制端另外叠加一个锯齿波扫描电压，在锁相环未锁定时不断扫描，同时监测锁相环是否进入锁定，一旦锁相环锁定，立即停止扫描。

三、锁相环的同步范围。

如果输入信号载波频率不变，则由于同步带总是大于捕捉带，所以几乎可以不考虑锁相环的同步范围。如果输入信号的载波频率可变，则锁相环的同步带必须涵盖整个输入载波频率范围，这是显见的。如果采用扫描捕捉的方式，那么VCO的可控振荡频率范围还要考虑到由于扫描引起的附加偏移范围。

载波恢复电路实例

下面我们以一个例子说明这种载波跟踪型锁相环的特点。

已知输入载频为1MHz的FM信号，输入幅度400mV，最大频偏△fm = 10kHz，调制频率F可变以测试锁相环的跟踪情况。

实验电路如下图，由于只是一个验证实验，所以锁相环的输出没有做相位校正。

锁相环采用NE564。根据其数据手册计算C0≈450pF，实验中调整C0使得VCO的自由振荡频率等于1MHz。超前-滞后型环路滤波器的参数为R1=1300W，R2=51W，C=0.3mF。此时锁相环自然频率ωn≈8.35×105（≈13.3kHz），阻尼因子ζ≈0.64（关于上述参数的计算可以参见前一篇中FM信号解调电路的说明）。

实验结果是：

在F=50kHz时，ω_n/2πF=0.27，锁相环能够锁定载频信号。

当F=20kHz时，ω_n/2πF=0.67，锁相环还能勉强锁定，但稳定性很差。

当F=15kHz时，ω_n/2πF=0.89，锁相环输出剧烈抖动，无法锁定。

这个实验的结果证明，载波跟踪锁相环工作的必要条件就是自然频率必须远小于调制频率。用误差传递函数能够定量分析上述实验现象，感兴趣的可以参见本篇的附录。

附录  用误差传递特性分析载频跟踪型锁相环的跟踪特性

记调制信号角频率为Ω=2πF，对于采用超前-滞后环路滤波器的高增益环，其误差传递特性为

该函数的模的图像如下：

由图可见，当调制频率远大于闭环带宽时，误差传递特性几乎等于1。由前面误差传递函数的定义可知，此时θo→0即锁相环的输出变动几乎为0，也就是锁定在载波上了。

显见，阻尼因子为0.7时，调制频率只要大于闭环带宽3倍左右，即锁相环的ωn<0.3Ω，误差特性就非常接近1。否则误差增大，锁相环就有失锁的危险。这就是前面那个实验的结果。

当阻尼因子不等于0.7时，需要更小的自然频率才能获得良好的载频跟踪特性。

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