孫慧賢，郝曉雪，張玉華，趙 斌

(1.陸軍工程大學 電子與光學工程系， 石家莊 050003； 2.電子科技大學 通信抗干擾國家級重點實驗室, 成都 6117312；3.中國人民解放軍66132部隊， 北京 102100)

鎖相環(huán)是一個能夠跟蹤輸入信號相位變化的閉環(huán)自動跟蹤系統(tǒng)，具有捕獲、跟蹤和窄帶濾波的作用。被廣泛應(yīng)用于無線電的各個領(lǐng)域，已成為通信、雷達、導(dǎo)航、電子儀器等設(shè)備中不可缺少的組成部分[1-4]。射頻鎖相環(huán)電路是電臺、雷達等無線設(shè)備發(fā)射機和接收機的重要組成部分，其故障分析與診斷是設(shè)備維修保障領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容[5-8]。

鎖相環(huán)電路是一種具有負反饋能力的閉合回路，任何一個模塊發(fā)生故障，都會將異常狀態(tài)信號傳遞到整個射頻環(huán)的各個模塊上，盡管環(huán)路的每個模塊上都有其特殊的信號特征，但在出現(xiàn)故障時卻難于在環(huán)路閉合情況下將故障準確定位到某一模塊上，因此，鎖相環(huán)電路的故障診斷定位是無線設(shè)備故障診斷分析的難點問題。

本文首先對鎖相環(huán)電路原理進行分析；然后，建立了典型鎖相環(huán)電路仿真模型，仿真分析了各模塊對環(huán)路整體性能的影響；采用開環(huán)故障隔離法對環(huán)路可能出現(xiàn)的典型故障進行模擬和診斷分析，通過實驗說明了開環(huán)故障隔離法在故障診斷定位中的應(yīng)用方法。本文研究為鎖相環(huán)電路故障模擬及診斷提供了理論依據(jù)，對于實際電路故障診斷具有一定參考價值。

1 鎖相環(huán)電路基本原理

鎖相環(huán)電路通過比較輸入信號和壓控振蕩器輸出信號的相位,取出與這兩個信號的相位差成正比的電壓作為誤差電壓來控制振蕩器的頻率,達到使其與輸入信號頻率相等的目的。此類電路具有良好的窄帶載波跟蹤性能、良好的寬帶調(diào)制跟蹤性能、易于集成的優(yōu)點[9-10]。

鎖相環(huán)(PLL)由三個基本部件組成,即鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO),如圖1所示。

圖1 鎖相環(huán)基本構(gòu)成

鑒相器是相位比較器，它把輸出信號uo(t)和參考信號ur(t)的相位進行比較，產(chǎn)生對應(yīng)于相位差的誤差電壓ud(t)。環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓ud(t)中的高頻成分和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。壓控振蕩器受控制電壓uc(t)的控制，uc(t)引導(dǎo)壓控振蕩器的頻率向參考信號的頻率靠近，兩者頻率之差越來越小，直至頻差消除而被鎖定。這個過程被稱為捕獲或捕捉。

當環(huán)路鎖定后，如果ur(t)的角頻率ωr在一定范圍內(nèi)變化，uo(t)的角頻率ωo會緊隨其變化，并始終保持ωo=ωr。這個過程稱為跟蹤或保持。

設(shè)參考信號為:

ur(t)=Ursin[ωrt+θr(t)]

(1)

式(1)中，Ur和ωr分別為參考信號的振幅和角頻率；θr(t)為參考信號以其載波相位ωrt為參考的瞬時相位。若參考信號是未調(diào)載波時，則θr(t)=θr=常數(shù)。設(shè)輸出信號為:

uo(t)=Uocos[ωot+θo(t)]

(2)

式(2)中，Uo和ωo分別為壓控振蕩器輸出信號的振幅和自由振蕩角頻率；θo(t)為輸出信號以其載波相位ωot為參考的瞬時相位，在VCO未受控之前它是常數(shù)，受控后它是時間的函數(shù)。因此，鑒相器所比較的兩信號之間的瞬時相位差為:

θe(t)=(ωrt+θr)-[ωot+θo(t)]=

(ωr-ωo)t+θr-θo(t)

由頻率和相位之間的關(guān)系可得兩信號之間的瞬時頻差為:

(3)

當環(huán)路鎖定后式(3)最終為一固定的穩(wěn)態(tài)值，即

此時，輸出信號的頻率已偏離了原來的自由振蕩頻率ωo，其偏移量為:

則，輸出信號的頻率為

由此可見，通過鎖相環(huán)路的相位跟蹤作用，最終可以實現(xiàn)輸出信號與參考信號同步，兩者之間不存在頻差而只存在很小的穩(wěn)態(tài)相差。

2 鎖相環(huán)電路建模與仿真

2.1 典型鎖相環(huán)電路

以某型無線通信設(shè)備鎖相環(huán)電路為例，進行電路仿真分析。該電路主要由混頻器、低通濾波器、鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、射頻放大器等組成，其原理框圖如圖2所示。該電路的主要功能是將跳頻主控單元送來的14.5 MHz已調(diào)信號頻譜搬移到發(fā)射機所要求的30.0～87.975 MHz范圍內(nèi)，同時將頻率合成器可控頻率范圍擴大1倍，為功率放大器提供所需的激勵信號。

針對圖2所示的典型鎖相環(huán)電路，利用Simulink軟件進行電路仿真，仿真模型如圖3所示。其組成主要包括正弦信號發(fā)生器、混頻器、帶通濾波器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器以及示波器等。

在圖3所示的仿真模型中,信號發(fā)生器1的作用是模擬產(chǎn)生由頻率合成器單元送來的44.5～73.475 MHz的混頻信號?；祛l器1將信號發(fā)生器1產(chǎn)生的混頻信號和VCO的輸出信號進行混頻，產(chǎn)生接近中頻的信號。

信號發(fā)生器2產(chǎn)生14.5 MHz的中頻信號,信號發(fā)生器3模擬生成未調(diào)制業(yè)務(wù)信號,由信號發(fā)生器2和信號發(fā)生器3的信號經(jīng)過混頻器2混頻后產(chǎn)生的信號可以模擬無線通信設(shè)備在加密與跳頻控制單元中進行的數(shù)字化中頻調(diào)制過程所產(chǎn)生的已調(diào)中頻信號，供射頻環(huán)的鑒相器進行鑒相。

帶通濾波器的中心頻率設(shè)計成為14.5 MHz，其作用是將接近中頻信號14.5 MHz的窄帶信號濾出來送入鑒相器進行鑒相。鑒相器利用混頻器實現(xiàn)，比較帶通濾波器輸出信號和14.5 MHz中頻信號，產(chǎn)生頻差信號。

壓控振蕩器是整個環(huán)路調(diào)節(jié)頻率的核心環(huán)節(jié)，它根據(jù)控制信號的幅度大小，控制輸出頻率變化到設(shè)定的頻點。此外，仿真模型中設(shè)置多個示波器(scope)，用于監(jiān)測各個節(jié)點的信號情況，并能幫助判斷各環(huán)節(jié)的工作狀態(tài)。

圖2 典型射頻鎖相環(huán)電路原理圖

圖3 鎖相環(huán)路的仿真模型

環(huán)路濾波器接收鑒相器的信號濾除其中的高頻分量和噪聲并對環(huán)路參數(shù)調(diào)整，增加環(huán)路的穩(wěn)定性，為壓控振蕩器提供控制信號，是環(huán)路調(diào)節(jié)的重要環(huán)節(jié)。通常，采用無源比例積分濾波器作為環(huán)路濾波器，其傳遞函數(shù)為：

(4)

式(4)中，τ1=(R1+R2)C,τ2=R2C,它們是兩個獨立的可調(diào)參數(shù)。

2.2 正常狀態(tài)下各節(jié)點信號波形

利用Simulink軟件對環(huán)路進行計算機仿真，按連續(xù)系統(tǒng)特性進行仿真，信號發(fā)生器1的Sample time設(shè)置為0，其余各模塊的Sample time設(shè)置為-1，環(huán)路濾波器傳遞函數(shù)分子系數(shù)設(shè)置為[2.5×10-61]，分母系數(shù)設(shè)置為[0.525×10-41]。

在射頻鎖相環(huán)電路正常狀態(tài)下，設(shè)置信號發(fā)射器1的輸出頻率為44.5 MHz，信號發(fā)射器2的輸出頻率為14.5 MHz，信號發(fā)生器3的輸出頻率為200 Hz。經(jīng)過仿真后，可以得到各節(jié)點的信號波形，具體如圖4所示。

從圖4(a)中可以看出，混頻器1在5×10-7s時間內(nèi)輸出的信號中，包含較低頻率成分信號有7個周期左右，頻率約為14.5 MHz。圖4(b)所示為混頻器1的輸出經(jīng)過帶通濾波器后的波形，也就是將圖4(a)中較高頻率成分濾掉后的波形，其頻率也在14.5 MHz附近。圖4(c)、圖4(d)、圖4(f)三個節(jié)點的波形對比起來分析，用于鑒相的中頻信號是一個已調(diào)的信號，它包含有電臺所要發(fā)射傳遞的信息，所以其變化規(guī)律是同調(diào)制信號一致的，能將信息準確地傳遞到發(fā)射端。

3 鎖相環(huán)故障定位方法

3.1 開環(huán)故障隔離法

從上文所述的鎖相環(huán)電路工作原理與仿真分析結(jié)果可知，整個環(huán)路是一個有機的整體，只有通過各模塊之間的相互協(xié)調(diào)、共同作用才能使整個射頻環(huán)路進入正常工作狀態(tài)；在閉合環(huán)路中，任何一個節(jié)點上出問題都會將錯誤信息傳遞到整個射頻環(huán)的各個模塊上，盡管環(huán)路的每個節(jié)點上都有其特殊的信號特征，但在出現(xiàn)故障時卻無法在環(huán)路閉合的情況下將故障準確定位到某一模塊上，鑒于此，本文采用開環(huán)故障隔離法進行故障診斷定位。

圖4 鎖相環(huán)電路正常狀態(tài)下各節(jié)點波形

開環(huán)故障隔離方法查找故障的具體步驟為：

1) 運用理論分析環(huán)路正常工作時各節(jié)點的信號特征，并結(jié)合正常工作時的測試記錄弄清每個節(jié)點的信號具體形式，以便在模擬各節(jié)點時有參考依據(jù)。

2) 采用信號發(fā)生器以及其他相關(guān)手段來模擬環(huán)路正常工作時相關(guān)節(jié)點上的具體信號，為開環(huán)后的測試提供正確的輸入信號。

3) 將待測試的模塊的前端輸入與上一模塊的輸出斷開，引入另外模擬的正確信號到該模塊的輸入上。

4) 用示波器等相關(guān)測試儀器對該待測模塊的輸出信號，以及它之后所連接模塊的輸出信號進行測試，分析信號特征是否與正常工作條件下一致，以此作為判斷該模塊是否出現(xiàn)故障的依據(jù)。

3.2 典型故障模擬與診斷分析

以VCO故障與環(huán)路濾波器故障為例，分析利用開環(huán)故障隔離法進行故障診斷和定位。

3.2.1 VCO故障模擬與分析

壓控振蕩器是一個電壓-頻率變換器，它的輸入信號應(yīng)該是一個控制電壓，輸出只對控制電壓的幅度敏感。所以在對VCO外加激勵源時，可以加上恒定的直流源，VCO的輸出頻率應(yīng)該保持不變，如果變的話，可以診斷出VCO模塊出現(xiàn)故障。此外，也可以將激勵源設(shè)計成幅度變化的電壓信號，同理，VCO的輸出信號應(yīng)該是一個隨著輸入信號幅度變化的信號，否則，也可以判斷出VCO有故障存在。

可以將外部激勵源加上后，仍然保持其他電路的暢通，如圖5所示。這樣做的好處是：能夠直接控制外部激勵源的輸入，從而達到人為控制環(huán)路的目的，而不需要依靠環(huán)路自身的調(diào)整，實現(xiàn)鏈路故障的定位。

通過開環(huán)在VCO上外加恒定直流激勵源的仿真，當環(huán)路各模塊正常工作時，各節(jié)點的信號波形如圖6所示。

在仿真中，利用方波和VCO的組合來完成VCO故障模擬，其他功能模塊工作正常。此時，VCO模塊和環(huán)路上其他各節(jié)點的信號波形情況如圖7所示。

圖5 開環(huán)外加直流激勵分析VCO故障

圖6 開環(huán)時VCO外加恒定直流激勵源各節(jié)點信號

圖7 VCO故障下各模塊輸出信號

從圖7可以看出，VCO的輸出波形是一個頻率不斷變化的信號；帶通濾波器的輸入信號隨VCO的變化而變化，但它的輸出信號中仍舊能濾除高頻分量，從圖7(c)中可以大概估計出其頻率在15MHz左右，仍舊在帶通濾波器的帶寬范圍內(nèi)；環(huán)路濾波器的輸入輸出信號則已經(jīng)紊亂。

從圖7分析可知，當VCO故障時，整個后續(xù)的電路的波形都受到了嚴重影響，有的節(jié)點甚至失去信號本應(yīng)有的特征?？梢酝ㄟ^VCO的前后信號特征判斷VCO模塊存在故障。

在判斷出VCO存在故障后，為了進一步檢測是否還有其他模塊存在故障，可將VCO與混頻器之間的連線斷開，用正弦發(fā)生器產(chǎn)生一個接近30MHz的正弦信號來替代VCO的輸出，接入到混頻器，進一步判斷混頻器是否故障。

3.2.2 環(huán)路濾波器故障模擬與分析

利用圖5所示的開環(huán)方式，在VCO輸入處斷開環(huán)路，利用外部激勵源作為模擬輸入，控制環(huán)路狀態(tài)，進行鏈路故障診斷定位。

由于環(huán)路濾波器的性能取決于組成它的電阻、電容值的大小，即不同的電阻、電容值對應(yīng)著環(huán)路濾波器不同的傳遞函數(shù)形式，因此，在設(shè)置環(huán)路濾波器故障時，可以通過改變它的傳遞函數(shù)的各部分參數(shù)來達到模擬環(huán)路濾波器出現(xiàn)故障的目的。

當改變參數(shù)模擬環(huán)路濾波器故障時，各節(jié)點的波形如圖8所示。

對比圖8與圖6中各節(jié)點的波形，可以確定除環(huán)路濾波器模塊的輸出波形外，其他各節(jié)點的波形與開環(huán)正常工作是的信號波形一致，則可以直接將故障定位在環(huán)路濾波器上，說明利用開環(huán)故障隔離方法能有效減少故障診斷的步驟、簡化診斷過程。

當輸出信號為圖8(e)，即情況1時，可以發(fā)現(xiàn)環(huán)路濾波器的輸入輸出波形特征完全一致，這說明環(huán)路濾波器沒有將信號中的高頻分量濾除，則可以初步判定是由于環(huán)路濾波器的帶寬過寬造成的；當輸出信號為圖8(f)，即情況2時，可以發(fā)現(xiàn)環(huán)路濾波器的輸出端是一個幅度基本為零的信號，這說明信號被環(huán)路濾波器截止了，則可以判斷是由于環(huán)路濾波器的帶寬過窄或者環(huán)路濾波器已被損壞等故障造成的。

由VCO和環(huán)路濾波器的故障模擬和診斷的仿真分析可知，通過比對輸入輸出波形的特征，不僅能夠判斷出故障點的位置，還有利于確定故障的類型。在這一前提下，可以實現(xiàn)簡化診斷過程。

圖8 環(huán)路濾波器帶寬過大時各點信號

4 結(jié)論

針對典型射頻鎖相環(huán)電路，建立了其等效電路模型，仿真分析了該環(huán)路正常條件下各模塊輸出信號的特征。針對壓控振蕩器故障和環(huán)路濾波器故障，利用開環(huán)故障隔離法進行故障診斷定位，通過實例證明本文所提出的方法的有效性和可行性。