TURING 图灵电子与电气工程丛书 WILEY 锁相环技术 Phaselock Techniques (第3版) Third Edition [美]Floyd M.Gardner 著 WILEY 姚剑清 译 Phaselock Techniques Third Edition Floyd M.Gardner 锁相环 “圣经” 最新版！ 人民邮电出版社 POSTS TELECOM PRESS
前 言 本书第1版是1966年出版的，第2版于1979年问世。1966年，锁相技术是一门难 以想象的神奇技术，其应用范围有限，做这项技术的人几乎没有。现在的锁相技术已 经成熟：在全世界的大量电子器件内都有锁相环；无数的应用中都有锁相环；许多人在 继续研发锁相技术。在本书第1版问世的时候，还没有其他关于锁相环的书，可今天 这样的书已经超过了20本。那么，为什么要在这个时候写第3版呢？ 在1966年，锁相技术是一件新奇事物，那时的读者需要一本简短的入门性书籍。 而今天的锁相环已经成为电子工程中的主流器件。同时，这些年来锁相环方面积累了 大量的新概念，曾经非常重要的内容已经不再那么重要了。经验告诉我，前2版书中 的有些内容还应当修改。 我们已经不需要再写一本人门性的书了，因为1.3节中列出的几本书中都有极好 的论述，而且也许还有其他的书。本书对传统锁相技术重新进行了更深刻的考察，并 增加了许多新内容，其中有些是从未发表过的。增加的内容包括：对传递函数的重新 组织和扩充，关于相位噪声的两章，关于数字锁相环的两章，关于电荷泵锁相环的一 章，对检相器内容的扩充，以及关于异常锁定的一章。 与前两版一样，电路只占极小的篇幅。本书的重点是讲基本原理，因为基本原理 不会因技术进步而过时，而电路的实现方法是日新月异的。第2版中的一些内容被删 去了，这些删除的内容包括优化与同步的章节和数学附录等。形式上的优化对设计的 重要性并不像原来想象的那么好，设计者更愿意对实际锁相环中为数不多的几个参数 进行权衡与折中：删去了数学附录，是因为书中所要求的数学难度不会超过所有电子 工程类大学毕业生的水平。同步（从数据信号中恢复载波与时钟）本身是一大课题，随 着它的发展，读者一定会觉得这些内容包含在一本关于锁相环的书中是不合适的。 17.1节中有关于同步的简单介绍。 仿真是本书未涉及的另一个课题。本书的几章中关于仿真的内容取自具体的仿 真实验，有些新的数据只能通过仿真才可得到，仿真又是C设计与验证的关键。但本 书并没有说明如何进行锁相环仿真。关于仿真的内容值得单独写一本书，如果把仿真 也包含在本书中，内容就有些太多了。 这些年来，全世界出现了数以千计关于锁相技术的文章和书籍，我不可能一一列 举。虽然本书的各章中已经包含了许多有关的文献，但仍有遗漏之处。而且，在经历 了这么多年的工作之后，也很难记起每门技术当初是由谁提出的。我对未能提及的同 仁表示歉意，这样的疏漏不是有意的。 本书在选择参考文献时遵循了几个原则：文献应是原创的：它应该尽可能是公开
2前言 发表的、存档的出版物；它所论述的是原理性的，而不是只流行一时的电路实现。读者 会看到，绝大部分的参考文献来自EEE和在美国出版的书籍。这些文献既反映了 IEEE出版物的无处不在，也反映了我个人藏书的情况。 我要感谢我的客户们，在这些年里是他们给了我这么多学习锁相这门神奇技术的 机会。 Floyd M.Gardner 加利福尼亚州，帕洛阿尔托市 台故是 装
符号表示法 A 振幅，幅度 √-I B 输入带通滤波器的带宽(Hz) K PLL的环路增益(rad/s) PLL的噪声带宽(Hz) K 归一化的（无量纲的）环路增益，其值 B 等于K b 数字量的位数 K4 检相器的增益(V/rad或A/rad) b 极点频率与零点频率之比 Kre PLL的DC增益(rad/s) 频率(Hz) K 模拟PLL的增益系数，i=1,2,… f 傅里叶变换的变换变量 Km 乘法器的增益(V) fe 检相器的比较频率(Hz) K。 VCO的增益(rad/s·V) 检相器的增益(V/cycle),其值等 fa 时钟频率(Hz) Ko 于2xK VCO的增益(Hz/V),其值等于 f 调制频率(Hz) K K./2x f 采样频率(Hz),其值等于1/：， 整数 △f 频率偏离的峰值(Hz) L(z) x的拉普拉斯变换式 △f 相对于载波的颜偏(Hz) C(f 信号的归一化单边RF谱 8f 量化调谐振荡器的频率步长(Hz) m,M 整数 D 延迟（样点间隔数） m(t) 调制波形 E(f) 其值等于E(s)l,- N 白噪声的单边谱(Vr/Hz) E(s) PLL的闭环误差传递函数 n,N 整数 F(s) 环路滤波器的传递函数 n(t) 噪声电压(V) FPLz] x的小数部分 元(t),m(t) 带通噪声的基带正交分量(V) G(s) PLL的开环传递函数 表示“输出”或“振荡器”的下标 由谱分析仪输出的RF信号的单边谱 H(f) 其值等于H(s)l-d P(f) 密度表示 H(s) PLL的闭环系统传递函数 P 信号功率(W) 归一化的拉普拉斯变量，其值等 Im[x]x的虚部 心 于5r2 IP[x] x的整数部分 Q 谐振器的品质因数 表示“输入”的下标 Q 量化的级数 整数 Q 标度比 J.(x)以x为自变量的第一类n阶贝塞尔函数 Re[z] x的实部 ①本书保留了原版的图形文字符号表示法，与国内标注有所不同，请读者注意。一编者注
(续) r(t) 接收到的信号 输人信号的峰值电压(V) s=。十jw拉普拉斯变换的变换复变量 u.(t),V.(s) VCO的控制电压(V) SNR 信噪比 va(t),Va(s) 检相器的输出(V) 检相器等效噪声输出的单边谱密度 SNR PLL噪声带宽2B内的信噪比 W(f) (rad2/Hz) 由PL.L的输人噪声引起的VCO相 时间(s) Woe(f) 位的单边谱密度(rad/Hz) 测量得到的RF信号的单边谱密度 g 采样间隔时间(s),其值等于1/f WRE(f) (V/Hz) 振荡器输出的理论单边谐密度 ue[n] NCO的第n个控制输入样点（无量纲） w..(f) (V/Hz) ua[n] 数字检相器的第刀个输出样点（无量纲） w,(p 相位噪声的单边基带谱(rad/Hz) V. VCO的峰值输出电压(V) 之变换的变换变量 希腊符号 a 限幅器的信号抑制因子（无量纲） 信噪比 B 角度调制的调制度(rad) Gz x的标准偏差 信号的峰顶因子 定时误差(s) e[n]第n个相位样点(cycle) 延迟(s) 5 二阶PLL的阻尼因子 T 时间常数(s),=1,2,… 相位角(rad) 2类PL中起稳定作用的零点的时间常数(s) 由频率斜升输人引起的稳态相位误差(rad) ()相位噪声(rad 输人信号与VCO之间的相位误差(rad),其 8 沿单位圆的角度(rad) 值等于(0-0.) 输入信号的相角(rad) 归一化频率（无量纲），其值等于， Goo 由噪声引起的VCO相位的波动(rad) () 传递函数的相位(rad) 采样PL开环传递函数的归一化单位增益 6. VCO的相位(rad) 穿越频率wacb,|G(c)l=1 由频率偏移引起的稳态相位误差（静态相位 8. 角频率(rad/s),其值等于2xf 误差：环路应力) 9 相位偏离(rad) 检相器的比较频率(rad/s),其值等于2x∫。 △0 相位阶跃的幅度(rad) 开环传递函数的单位增益穿越频率(rad/ s),G(iw)=1 数字PLL的环路增益（无量纲） 调制频率(rad/s) 数字检相器的增益(rad1) an 二阶PLL的固有频率(rad/s) 数字PL的增益系数，i=1,2,… 相位穿越颜率(rad/s),Arg[G(ja.)门=一π NCO的增益(rad) △w 频率偏移或频率阶跃(rad/s) 数字检相器的增益(cycle1),其值等于2a w阳 PLL的保持极限(rad/s) NCO的增益(cycle),其值等于k/2r △L PLL的锁定极限(rad/s) 频率的变化率(rad/s),其值等于daw/d △wp PLL的拉入极限(rad/s)