Vaihelukittu silmukka

Vaihelukittu silmukka (Engl: Phase Locked Loop, PLL) on takaisinkytkentää käyttävä tekniikka, jossa oskillaattorin signaalin taajuutta ja vaihetta säädetään siten, että se seuraa vertailusignaalia jossain määriteltävässä suhteessa.

Yksinkertainen PLL: FM-ilmaisin

Yksinkertaisimpia vaihelukitun silmukan käyttötarkoituksia on FM-ilmaisin.

(TODO: kytkentäkuvia)

Siinä välitaajuinen vastaanotettu FM signaali verrataan vaihevertailijalla paikallisella VCO:lla tuotettuun signaaliin ja vertailun tulos ohjaa varauspumppua joka säätää VCO:n ohjausjännitettä.

FM-ilmaisimen kiinnostava signaali on itse asiassa juuri tuo VCO:n ohjausjännite.

Taajuussynteesi PLL:llä

Haluttaessa tuottaa taajuus joka on jossain kiinteässä kokonaislukusuhteessa vertailutaajuuteen, se voidaan yksinkertaisimmillaan tehdä jakamalla vertailijan ja varauspumpun ohjaaman VCO:n lähtösignaali kokonaislukujakajalla. Näin on helpohkoa tehdä vertailutaajuuden täsmällinen monikerta.

 (TODO:kertaa-N-synteesin kuva)

Koskapa radion kanavavälinä esim. 1 MHz on hieman "hankala", yleensä vertailutaajuus on varhaisissa rakenteissa laskettu alemmas, nimittäin haluttuun kanavaväliin.

 (TODO:2.5 kHz resoluution 144 MHz synteesi)

Matalalla vertailutaajuudella on kuitenkin haittansa, silmukkavaste pitää laskea kovin hitaaksi, jne. Oskillaattori ei siis virity halutulle lähtötaajuudelle kovin nopeasti, mikä ei radioamatöörin puhekäytössä haittaa, mutta GSM-puhelinten on kyettävä hyppäämään taajuudelta toiselle varsin ketterästi muutamassa mikrosekunnissa, eikä useammassa millisekunnissa. Tästä ongelmasta päästään joko käyttämällä numeerista oskillaattoria (NCO, DDS) tai nostamalla vertailutaajuutta reilusti. Korkea vertailutaajuus parantaa myös kantoaallon läheistä spektripuhtautta, jonka käyttöön on näin omat hyvät syynsä, vaikkakin lopputuloksena on hieman karkea taajuushyppelykyky.

GSM-tekniikassa on paljon käytetty myös kahden synteesin tekniikkaa, eli kun yhden synteesin taajuuden asettuminen saadaan alle yhden aikavälin mittaiseksi, voidaan synteesejä vuorotella, kun tiedetään että mitä kohdetaajuutta halutaan seuraavassa aikavälissä käyttää.

Fractional-N synteesi

TODO!

Korkean vertailutaajuuden PLL

Vertailutaajuuden pitää olla (melkein aina) korkeampi, kuin refrenssinä olevan ohjaavan signaalin suurin sivunauhan taajuuskomponentti. Jos haluttu kaista on vaikkapa 1 MHz, peukalosääntönä voi pitää, että vertailutaajuuden pitää olla ainakin 10 kertainen: 10 MHz.

Vaihevertailu tehdään siis 10 MHz:lla ja VCO:n ohjaavan signaalin kaistaleveys on tuon 10 MHz. Sillä ohjataan VCO:ta, jonka lähtötaajuus on ainakin 10 kertainen, eli ainakin 100 MHz.

Lähispektripuhdas PLL

Korkeaa lähispektripuhtautta haettaessa (mm. software-radio-käytössä) säädettävä karkeahkolla askelluksella oleva lähispektripuhdas refrenssistä johdettu kantoaalto saadaan tekemällä vertailu vaikkapa 100 MHz taajuudella ja ohjaamalla VCO:ta, jonka lähtötaajuus on GHz-alueella.

(todo: lähispektripuhtauden merkitys)

Koska VCO:illa on aina hieman suttuinen lähispektri, eikä sen suodattaminen auta (etenkään jos halutaan useampia taajuuksia) pitää käyttää toista kikkaa: Käyttämällä laadukasta digitaalista jakajaa, saadaan kantoaallon lähispektriä kavennettua samalla kun sen taajuus pienenee. Jakajien lähtötaajuuden 2+ harmooniset eivät ole varsinainen ongelma, sillä ne ovat kiinnostavan taajuusalueen ulkopuolella ja ne on mahdollista saada vaimennettua tavanomaisin LC-suotimin.

Koska mikään PLL ei kuitenkaan tuota lähispektriltään puhtaampaa lähtösignaalia, kuin sen refrenssi on, tällaisen systeemin käyttötarve on varsin erikoistunut ja laatua haettaessa pitää myös refrenssin olla poikkeuksellisen laadukas.

Tämä on varsin kallista tekniikkaa, kuten voi arvata. Hittite:n tuotelinjasta löytyvin osin tällaisen teko maksaa halvimmillaankin noin 100 euroa.