Phasenregelschleife

Als Phase-locked loop (PLL) wird allgemein eine elektronische Schaltungsanordnung bezeichnet, die die Frequenz eines veränderlichen Oszillators über einen geschlossenen Regelkreis so beeinflusst, dass eine möglichst kleine Phasenabweichung zwischen einem äußeren Referenzsignal und dem Oszillator- oder einem daraus abgeleiteten Signal erzielt wird. In ihren verschiedenen Ausführungsformen findet diese Schaltungsanordnung eine Vielzahl von Anwendungen in der Nachrichten- und Messtechnik. Typische Anwendungsgebiete sind Frequenzsynthese, Filterung, Modulation, Demodulation und Taktrückgewinnung in digitalen Kommunikationssystemen.

Geschichte

Erste Forschungen zu dem, was später als PLL bekannt werden sollte, gehen zurück auf das Jahr 1932. Britische Forscher entwickelten damals eine Alternative zu Edwin Armstrongs Superheterodyn-Empfänger. Ziel war eine Empfängerschaltung, die vergleichsweise wenig abgestimmte Kreise erfordert. Das Problem der schnellen Abdrift des Lokaloszillators von der Sollfrequenz wurde durch ein Korrektursignal behoben, das dafür sorgte, dass zwischen diesen beiden Signalen die gleiche Phasenlage und Frequenz besteht. Die Technik wurde 1932 in einem Artikel von H. de Bellescise im französischen „Journal Onde Electrique“ beschrieben.

Aufbau

Jede PLL besteht mindestens aus einem veränderlichen Oszillator, einem Phasendetektor und einem Regler, der in diesem Zusammenhang als Schleifenfilter bezeichnet wird. Diese Funktionsgruppen werden zu einem Regelkreis zusammengeschaltet, wobei im einfachsten Fall die Phasen von Referenzsignal und Oszillatorsignal am Phasendetektor direkt verglichen werden. Über den Schleifenfilter wird der Oszillator so nachgesteuert, dass die am Phasendetektor auftretende Phasenabweichung konstant bzw. minimal wird. Im eingeschwungenen Zustand ergibt sich damit eine Nachführung des Oszillators auf Frequenz und Phase des Referenzsignals. Diese erfolgt nur innerhalb der durch die Dimensionierung des Schleifenfilters vorgegebenen Nachführbandbreite.

Je nach Anwendungsfall lassen sich die verschiedenen Signale innerhalb des Systems (Referenzsignal, Ausgangssignal des Phasendetektors, Stellgröße für den Oszillator, Oszillatorsignal) als Ein- oder Ausgangsgrößen der PLL heranziehen.

PLL als Nachlauffilter

Betrachtet man Frequenz und Phase des Referenzsignals als Eingangsgröße, und das Oszillatorsignal als Ausgangsgröße, so verhält sich die beschriebene Anordnung ähnlich wie ein elektrischer Bandpass, wobei die Übertragungseigenschaften im Wesentlichen durch die Dimensionierung des Schleifenfilters festgelegt sind. Von besonderer Bedeutung bei der Anwendung der PLL als Bandpassfilter ist die Tatsache, dass dabei eine automatische Nachführung auf die Frequenz des Eingangssignals erfolgt. Gleichzeitig besteht bei dieser Anordnung die Möglichkeit, sehr kleine Nachführbandbreiten zu realisieren. Sie eignet sich daher in besonderem Maße zur Regeneration von verrauschten Signalen veränderlicher Frequenz.

PLL als Demodulator und Modulator

Mit dem Referenzsignal als Eingangsgröße und der Oszillatorstellspannung als Ausgangsgröße eignet sich die PLL zur Anwendung als FM-Demodulator, so lange die Modulationsfrequenz kleiner als die Nachführbandbreite bleibt. Die oben beschriebene Filterwirkung der PLL bleibt dabei erhalten, so dass auch noch extrem gestörte Signale demoduliert werden können.

Benutzt man die Ausgangsspannung des Phasendetektors als Ausgangssignal, dann lässt sich die PLL als Demodulator für phasenmodulierte Signale einsetzen. In diesem Fall muss die Nachführbandbreite kleiner als die niedrigste Modulationsfrequenz gewählt werden. PLL-basierte Phasendemodulatoren haben große Bedeutung in der Satellitenkommunikation erlangt.

Analog zu den Funktionen als Demodulator lässt sich die PLL als PM- und FM-Modulator einsetzten.

Anwendung der PLL bei der Frequenzsynthese

Der bedeutendste Anwendungsbereich der PLL ist heute die Frequenzsynthese.

Das nebenstehende Bild zeigt ein Blockschaltbild eines PLL-basierten Frequenzsynthesizers. Ein VCO (spannungsgeregelter Oszillator) erzeugt das Ausgangssignal. Im Rückführungszweig der PLL ist ein Frequenzteiler vorgesehen, der die VCO-Frequenz vor dem Phasendetektor um einen einstellbaren Faktor herunterteilt. Das Referenzsignal der PLL wird typischerweise von einem genauen und stabilen Quarzoszillator bereitgestellt.

Im eingerasteten Zustand wird der VCO auf eine Frequenz geregelt, die um den Teilerfaktor größer ist als die Frequenz des Referenzsignals. Durch Ändern des Teilerfaktors lässt sich somit die Frequenz des VCOs auf genau ganzzahlige Vielfache der Referenzfrequenz einstellen. Ein wesentlicher Aspekt dabei ist, daß die Genauigkeit und Stabilität der festen Referenzfrequenz auch für die einstellbare Ausgangsfrequenz gelten.

Die beschriebene Anordnung lässt sich mit den heute verfügbaren Bauteilen zu geringen Kosten auf kleinstem Raum aufbauen und findet beispielsweise in Mobiltelefonen, Radios, Fernsehtunern und Funkgeräten massenhafte Anwendung. Typische Ausgangsfrequenzen liegen hier bei einigen Hundert MHz, typische Referenzfrequenzen bei einigen 100 kHz. Frequenzteiler und Phasendetektor sind dabei meist in einer integrierten Schaltung realisiert, während der VCO und das Schleifenfilter oft diskret aufgebaut werden.

Wichtige Aspekte beim Entwurf eines PLL-Frequenzsynthesizers sind die spektrale Reinheit des Ausgangssignals, die Frequenzauflösung, und die für eine Frequenzänderung benötigte Einrastzeit. Die spektrale Reinheit wird wesentlich von den Eigenschaften des VCOs, aber auch von den Rauscheigenschaften der übrigen Komponenten, sowie von einem zweckmäßigen Aufbau (Abschirmung, Filterung) bestimmt. Die Frequenzauflösung ist beim oben beschriebenen System gleich groß wie die Referenzfrequenz. Die Einrastzeit hängt wesentlich von der Regelbandbreite ab, die aber nicht frei wählbar ist, sondern im Hinblick auf die benutzte Referenzfrequenz und die spektrale Reinheit des Ausgangssignals optimiert werden muss. Bei der Dimensionierung praktischer Systeme zeigt sich, dass eine hohe Frequenzauflösung im Widerspruch zu den Forderungen nach spektraler Reinheit und kurzer Einrastzeit steht.

Dieser Widerspruch ist durch Verwendung eines Frequenzteilers, der die VCO-Frequenz durch gebrochene Faktoren dividiert, auflösbar. Dazu muss der Teilfaktor zeitlich so variiert werden, dass sich im Mittel der gewünschte gebrochene Einstellwert ergibt. Am Ausgang des Phasendetektors entsteht dabei allerdings eine Störgröße, die mit geeigneten Gegenmaßnahmen kompensiert oder gefiltert werden muß (Delta-Sigma-Verfahren). Mit derart aufgebauten PLL-Synthesizern lassen sich beliebig feine Frequenzauflösungen bei gleichzeitig kürzesten Einrastzeiten und sehr hoher spektraler Reinheit realisieren.

Anwendungsbereiche

Nachrichtentechnik, Messtechnik

Zur Erzeugung von stabilen Frequenzen bis in den GHz-Bereich (Funktechnik), Erzeugung von programmierbaren Frequenzen, Erzeugung von hochfrequenten Takten für Rechner sowie Synthesizer-Tuner, da mit Hilfe dieser Schaltungstechnik ein sehr exaktes Anwählen bzw. Ansteuern von Frequenzen möglich ist. Einerseits ist es möglich, mit einer festen Referenzfrequenz (Quarz-Oszillator) und einem variablem Feedback-Frequenzteiler eine präzise Ausgangsfrequenz zu erzeugen, was dem genannten Synthesizer-Prinzip entspricht. Andererseits kann man eine variable Frequenz mittels fest eingestelltem Feedback-Frequenzteiler mit einem fixen Faktor multiplizieren.

Neben der Anwendung als Frequenzerzeuger werden PLL-Schaltungen vor allem zur Demodulation von frequenz- oder phasenmodulierten Signalen, für Taktsynchronisation und Taktrückgewinnung eingesetzt.

Je nach dem, für welche Anwendung der PLL verwendet wird, unterscheidet sich auch, wo das Ausgangssignal abgegriffen wird. Die Frequenz des Oszillators wird z. B. bei Frequenz-Modulatoren verwendet, bei der Verwendung als Demodulator eines FM-Signals die Abstimmspannung des VCO.

Taktrückgewinnung

Einige Datenströme, besonders serielle, synchrone Datenströme wie z. B. der Datenstrom des Magnetlesekopfes einer Festplatte), werden ohne getrenntes Taktsignal gesendet bzw. aus dem Speichermedium ausgelesen. Zur Taktrückgewinnung aus dem empfangenen Signal ist eine spezielle Leitungscodierung der zu übertragenen Nutzdaten notwendig, wie dies beispielsweise der Manchester-Code darstellt.

Taktsynchronisation: Wenn parallel mit dem Datenstrom ein Takt gesendet wurde, muss dieser wiederaufbereitet werden, bevor er zur Verarbeitung der Daten genutzt werden kann. Das kostet jedoch einige Zeit, sodass Takt und Daten zunächst nicht mehr synchron zueinander sind. Der PLL sorgt dafür, dass der wiederaufbereitete Takt und der ursprüngliche Takt (und somit die Daten) wieder synchron sind.

Energietechnik

Ein PLL wird auch verwendet, um bei aktiven Systemen zu Leistungsfaktorkorrektur die Phasenlage aus den Außenleiterspannungen zu gewinnen. Mit Hilfe des Phasenwinkels kann eine Regelung vorgenommen werden, welche dafür sorgt, dass die Außenleiterströme die gleiche Phasenlage wie die Außenleiterspannungen haben. Damit kann der Grundschwingungsleistungsfaktor auf Werte knapp unter 1 gebracht werden. Dadurch wird das Leitungsnetz nicht mit (grundfrequenter) Verschiebungsblindleistung belastet.

Siehe auch

Literatur

Donald R. Stephens: Phase-Locked Loops For Wireless Communications. 2. Auflage. Kluwer, 2002, ISBN 0-7923-7602-1.
Dieter Scherer, Bill Chan, Fred Ives, William Crilly, Donald Mathiesen: Low-Noise RF Signal Generator Design. Hewlett-Packard Journal Feb. 1981.
Bar-Giora Goldberg: Digital Frequency Synthesis Demystified - DDS and Fractional-N PLLs. LLH Technology Publishing., Eagle Rock 1999, ISBN 1-878707-47-7.

Weblinks