射頻鎖相環電路故障仿真與診斷方法

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)

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

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

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

1 鎖相環電路基本原理

鎖相環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、良好的寬帶調制跟蹤性能、易于集成的優點[9-10]。

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

圖1 鎖相環基本構成

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，產生對應于相位差的誤差電壓ud(t)。環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，以保證環路所要求的性能，提高系統的穩定性。壓控振蕩器受控制電壓uc(t)的控制，uc(t)引導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。

當環路鎖定后，如果ur(t)的角頻率ωr在一定范圍內變化，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。若參考信號是未調載波時，則θr(t)=θr=常數。設輸出信號為:

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，受控后它是時間的函數。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系可得兩信號之間的瞬時頻差為:

(3)

當環路鎖定后式(3)最終為一固定的穩態值，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，通過鎖相環路的相位跟蹤作用，最終可以實現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態相差。

2 鎖相環電路建模與仿真

2.1 典型鎖相環電路

以某型無線通信設備鎖相環電路為例，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已調信號頻譜搬移到發射機所要求的30.0～87.975 MHz范圍內，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生器、混頻器、帶通濾波器、環路濾波器、壓控振蕩器以及示波器等。

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

信號發生器2產生14.5 MHz的中頻信號,信號發生器3模擬生成未調制業務信號,由信號發生器2和信號發生器3的信號經過混頻器2混頻后產生的信號可以模擬無線通信設備在加密與跳頻控制單元中進行的數字化中頻調制過程所產生的已調中頻信號，供射頻環的鑒相器進行鑒相。

帶通濾波器的中心頻率設計成為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，比較帶通濾波器輸出信號和14.5 MHz中頻信號，產生頻差信號。

壓控振蕩器是整個環路調節頻率的核心環節，它根據控制信號的幅度大小，控制輸出頻率變化到設定的頻點。此外，仿真模型中設置多個示波器(scope)，用于監測各個節點的信號情況，并能幫助判斷各環節的工作狀態。

圖2 典型射頻鎖相環電路原理圖

圖3 鎖相環路的仿真模型

環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路參數調整，增加環路的穩定性，為壓控振蕩器提供控制信號，是環路調節的重要環節。通常，采用無源比例積分濾波器作為環路濾波器，其傳遞函數為：

(4)

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

2.2 正常狀態下各節點信號波形

利用Simulink軟件對環路進行計算機仿真，按連續系統特性進行仿真，信號發生器1的Sample time設置為0，其余各模塊的Sample time設置為-1，環路濾波器傳遞函數分子系數設置為[2.5×10-61]，分母系數設置為[0.525×10-41]。

在射頻鎖相環電路正常狀態下，設置信號發射器1的輸出頻率為44.5 MHz，信號發射器2的輸出頻率為14.5 MHz，信號發生器3的輸出頻率為200 Hz。經過仿真后，可以得到各節點的信號波形，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)三個節點的波形對比起來分析，用于鑒相的中頻信號是一個已調的信號，它包含有電臺所要發射傳遞的信息，所以其變化規律是同調制信號一致的，能將信息準確地傳遞到發射端。

3 鎖相環故障定位方法

3.1 開環故障隔離法

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

圖4 鎖相環電路正常狀態下各節點波形

開環故障隔離方法查找故障的具體步驟為：

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

2) 采用信號發生器以及其他相關手段來模擬環路正常工作時相關節點上的具體信號，為開環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故障的依據。

3.2 典型故障模擬與診斷分析

以VCO故障與環路濾波器故障為例，分析利用開環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的輸出頻率應該保持不變，如果變的話，可以診斷出VCO模塊出現故障。此外，也可以將激勵源設計成幅度變化的電壓信號，同理，VCO的輸出信號應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路的目的，而不需要依靠環路自身的調整，實現鏈路故障的定位。

通過開環在VCO上外加恒定直流激勵源的仿真，當環路各模塊正常工作時，各節點的信號波形如圖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模塊和環路上其他各節點的信號波形情況如圖7所示。

圖5 開環外加直流激勵分析VCO故障

圖6 開環時VCO外加恒定直流激勵源各節點信號

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；環路濾波器的輸入輸出信號則已經紊亂。

從圖7分析可知，當VCO故障時，整個后續的電路的波形都受到了嚴重影響，有的節點甚至失去信號本應有的特征。可以通過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，用正弦發生器產生一個接近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 環路濾波器故障模擬與分析

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

由于環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、電容值對應著環路濾波器不同的傳遞函數形式，因此，在設置環路濾波器故障時，可以通過改變它的傳遞函數的各部分參數來達到模擬環路濾波器出現故障的目的。

當改變參數模擬環路濾波器故障時，各節點的波形如圖8所示。

對比圖8與圖6中各節點的波形，可以確定除環路濾波器模塊的輸出波形外，其他各節點的波形與開環正常工作是的信號波形一致，則可以直接將故障定位在環路濾波器上，說明利用開環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，可以發現環路濾波器的輸入輸出波形特征完全一致，這說明環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，可以發現環路濾波器的輸出端是一個幅度基本為零的信號，這說明信號被環路濾波器截止了，則可以判斷是由于環路濾波器的帶寬過窄或者環路濾波器已被損壞等故障造成的。

由VCO和環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，可以實現簡化診斷過程。

圖8 環路濾波器帶寬過大時各點信號

4 結論

針對典型射頻鎖相環電路，建立了其等效電路模型，仿真分析了該環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路濾波器故障，利用開環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。