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2026/02/11
PLL解调器很受欢迎，易于实现，与许多其他FM解调器电路相比，具有优异的噪声性能。在本文中了解它们是如何操作的。
锁相环（PLL）是一种负反馈系统，广泛应用于现代通信系统中，用于载波和符号同步、频率合成，并作为众多数字解调器的核心组件。在本文中，我们将重点介绍用于FM解调的PLL。
在我们讨论PLL解调器之前，我们将考虑另外两个电路，以便我们有一个比较的基础。图1（a）显示了其中的第一个，一个使用RL电路作为鉴频器的简单FM解调器。如图1（b）所示，RL电路在载波频率（fc）附近表现出几乎线性的幅度响应。
左：使用RL鉴频器作为斜率检测器的FM解调器。右：鉴频器的电压频率特性。
在上述解调器中，RL电路执行FM到AM的转换。然后，包络检测器检索消息信号。
利用FM到AM转换的FM解调器包含带宽等于或大于FM波带宽的电路。因此，解调器电路允许FM波带宽内的所有噪声通过。
为了解决这个问题，我们可以使用另一种方法，即在反馈系统的返回路径中放置频率调制器。这被称为带反馈的FM解调器（FMFB）。图2显示了这样一个系统的示例。
要了解FMFB电路的操作，请注意，在环路增益足够的情况下，反馈系统正向路径中的操作与返回路径中的相反。这里，返回路径是压控振荡器（VCO）。由于VCO可以用作FM调制器，因此前向路径应执行FM解调。
正如我们之前提到的，图1中斜率检测器的输出带宽与FM波的输出带宽相匹配。另一方面，图2中的鉴频器和低通滤波器带宽被设计为与消息信号的带宽相匹配。这是有利的，因为消息带宽通常比FM波带宽窄得多。根据卡森定律，FM波带宽可以通过以下公式估算：
其中β是调制指数，fm是消息信号频率。例如，当fm=300 Hz，β=10时，fm波带宽为BW=6.6 kHz。因此，将解调器电路的输出带宽限制在消息带宽内可以显著提高噪声性能。
在本文的其余部分，我们将讨论如何使用PLL实现反馈FM解调器。由于PLL的普及及其作为集成电路器件的可用性，我们将比图2中的配置更详细地探讨它。
如上所述，PLL包括三个布置在反馈回路中的关键组件：相位检测器、低通滤波器和VCO。相位检测器将输入信号的相位与VCO输出的相位进行比较，产生随相位差而变化的信号。然后，该信号通过低通滤波器产生VCO的控制电压。
如果VCO输出在相位上领先于PLL输入，则控制电压会延迟VCO输出相位。相反，当VCO输出在相位上落后于PLL输入时，调整控制电压以提前VCO输出相位。这样，PLL迫使VCO输出相位跟随输入FM波的相位。注意，当使用乘法器型相位检测器时，会出现90度的固定相位差。
相关的问题是：如何迫使VCO跟随输入的FM波进行解调？为了回答这个问题，我们应该注意到，PLL解调器与FM生成的直接方法密切相关，其中振荡器的频率根据消息信号直接改变。图4显示了直接调频发生器的简化框图。
原则上，只要VCO的输出频率与其控制电压呈线性关系，我们就只需要VCO来直接产生FM波。
基于PLL的FM解调方法通过使用负反馈结构来迫使振荡器的输出跟随输入FM波，从而反转调制过程。由于VCO输出再现了输入FM波，其控制电压必须根据底层消息信号而变化。
PLL解调器的一个主要优点是，它们可以实现比其他FM解调器更好的噪声性能。虽然VCO输出需要与FM波的带宽相匹配，但其控制电压受前一低通滤波器的限制，应具有与消息信号相对应的带宽。与我们之前讨论的FMFB配置一样，信号带宽的减少有助于降低调制器的输出噪声。
在锁定状态下，VCO在未调制的载波频率（ωc=ωVCO）上精确振荡，环路在输入FM波和VCO输出之间保持90度相位差。因此，对于余弦输入波形，VCO输出被认为是正弦波。在锁定条件下，反馈机制导致：
在上一篇文章中，我们学习了使用正交检波器进行FM解调（图6）。在正交检波器中，输入FM信号及其相移信号都被引导到相位检波器。输出随后由低通滤波器处理。
值得注意的是，正交检波器和PLL在操作上表现出某些相似之处。正交检测器和PLL都采用相位检测器，然后是低通滤波器。
在正交检波器中，相移网络在未调制载波频率处产生标称90度相移。在PLL中，反馈装置在输入FM波和VCO输出之间保持90度相位差。在正交检波器和PLL中，相位检波器对相同的信号进行操作，将输入的FM信号与其相移版本进行比较。
然而，从性能的角度来看，PLL可以具有较低的阈值。这是因为VCO产生的信号比正交检波器中使用的相移信号更清晰。因此，PLL解调器有时被称为阈值扩展解调器。
通过结合反馈配置，基于PLL的FM解调器允许我们缩小FM检测器的带宽。与使用带宽等于或大于FM波的电路的斜率检测器不同，PLL解调器的输出带宽与通常窄得多的消息信号相匹配。信号带宽的减少有助于降低解调器的输出噪声。
