PLLシンセサイザー方式

ICF-SW35

概要

PLLシンセサイザー方式は、ラジオの受信方式のひとつです。写真のような、周波数がデジタル表示されるタイプのラジオは、大抵、PLLシンセサイザー方式と呼ばれるチューニング方式が使用されているようです。ソニーのラジオには本体にPLL SYNTHESIZED RECEIVERと記載されているものが多いです。

トランジスタラジオ以降、今日まで一般に市販されているラジオは、選局にスーパーヘテロダイン方式を採用しているものがほとんどです。目的の周波数の信号は、中間周波数という一定の周波数に変換された後に処理されています。この周波数変換には、目的の受信周波数に合わせて周波数を可変できる発振器(局部発振器、Local Osillator)が必要で、この安定性がラジオの同調に重要です。一般的な従来のラジオではこの発振はトランジスタとコイル、コンデンサーを用いた発振回路が使用されていますが、この回路は温度や環境の変化の影響を受けやすく、一度合わせたチューニングをもそのままでは発振周波数を知ることができませんでした。

PLLはPhase-Locked Loopの略で、周期的な入力信号に相を合わせた、出力信号が得られる回路です。安定した周波数の入力信号があれば、それにタイミングを合わせた信号を出力できます。

PLLシンセサイザーは、PLLを用いて必要とする周波数の信号を、高精度・安定に発生することができる回路です。設定値通りの周波数に制御する仕組みのため、発振回路の周波数も知ることができます。ラジオ・通信機以外にも、多くのデジタル機器に無くてはならない技術で、広く使用されています。

歴史

電子回路を用いた通信技術としてのPLLは、その後の1932年の、ヘンリ・ド・ベレサイズ(Henri de Bellescize、英)が論文が最初とされているようです。彼は、スーパーヘテロダインの対抗技術として、ホモダイン(シンクロダイン)と呼ばれる受信技術を研究していました。この技術は、受信波にその搬送波と同じ周波数の、無変調波をかけ合わせると、変調(音声)信号の成分が含まれることを利用したもので、いわゆるダイレクトコンバージョンです。この方式には、搬送波と同じ位相・周波数の発振回路が必要となります。

そのための回路として、搬送波との位相のずれをフィードバックして、ゼロになるよう発振を制御する回路が採用されており、それが初めてのPLLとされているようです。ホモダインはスーパーヘテロダインと比べ、シンプルで部品数も少なくてすみます。しかし、当時は技術的な問題（局発の精度や漏れ信号等）で、実用的・商業的な面で一般の通信機に適用するのが難しかったようで、スーパーヘテロダインが主流となったようです。

この時はPLLという名称があったわけではないようで、最初にだれが使ったのかは、ネット上には見つけられませんでした。が、Chat GPTによると、ラガチーニ(Ragazzini, 米)という研究者が1948年に、"Analysis of Noise in Feedback Systems"というレポートで使用したとのが最初との話でした。

PLLは、当初は信号の同期という機能に留まっていました。ブラウン管式のテレビ受信機の信号同期や、FMラジオのステレオ復調等、元の受信信号に含まれる信号に合わせた処理が必要なところに使用されました。

一方、ラジオの同調の高精度化・安定化については、1940年頃の真空管の時代から、水晶発振子が使用されていました。ただそのままでは、1個につき1周波数となってしまいます。そのため複数の水晶と、通常のLC発振を組み合わせてなるべく精密に同調させるような方式も取られていました。

PLLは、出力信号をn分の1にしてフィードバックすることで、ベース信号の周波数のn倍の周波数の信号を作り出せます。精度の良い発振源があれば、ベースの周波数の倍数の任意の高精度の発振を得ることができ、PLLシンセサイザーと呼ばれました。1970年代に提案され、デジタル回路の進歩に伴い、専用のICも開発・実用化されました。

PLLシンセサイザーを使ったラジオも、それに合わせて1970年代後半から実用化・商品化されたようです。

原理

PLLは出力をフィードバックして発振器を目的に周波数に合わせるものです。ただ、出力周波数を実際に計測して、セット値になるように、発振器を調整するのではなく、基準となる正確な発振器に、調整可能な発振器から分周(サンプリング)さらた信号の位相・周波数を合わせることで、結果的に周波数・位相を目標値に制御しています。

各構要素に対してアナログ回路、デジタル回路が考えられていますが、ラジオのシンセサイザー方式には、一般的には、分周器と位相周波数比較器をデジタル回路で、基準発振器、LF、VCOはアナログ回路が使用されるのが一般的にようです。

PLLブロックフロー

基準発振器　(Ref Osc, Reference Oscillator)

基準となるベースの発振には、水晶発振子を用いた発振器が使用されます。これは単一の周波数の信号しか発生しません。出力信号の周波数に合わせやすくするため、発振器からの信号を分周器で分割し、基準周波数とすることが多いようです。

位相周波数比較器　(PFC, Phase Frequency Comparator)

2つの入力の位相と周波数を比較して、ずれに応じた電圧を適切なタイミングで出力します。アナログ回路では2つの信号の積を求めることで、次式のcos(φ)/2という、周期性の無い、位相差に応じた直流電圧を得ることができます。

等式：2つの信号の積

積信号は、スーパーヘテロダイン同様に、和信号を非線形増幅した信号に含まれる成分を使用しています。

デジタル回路では、位相の比較は方形波に対して、XORを取ることを検知でき、更にJK型やD型のフリップフロップや論理回路を組み合わせることで、周波数のずれにも対応した誤差パルスを発生する回路を組むことができるようです。参考サイト2,3に、実際の動作について具体的な説明があります。

ループフィルター (LF, Loop Filter)

比較器から出力される位相のずれは、アナログでは混合処理に伴う高周波成分を含んでおり除去する必要があります。また、デジタルの場合はパルスの電流として出力されるため、位相のずれに応じた電圧とする必要があります。そのために、ループフィルターと呼ばれるローパスフィルターが設置されます。

電圧制御発振器(VCO, Voltage Control Osillator)

電圧に対応した周波数を発生します。電圧で静電容量が変化するバリキャップと発振コイルによるLC共振回路が用いられます。安定性はいまいちですが、高い周波数の信号も比較的容易に得られます。このVCOの電圧を制御してして安定した目的周波数を得ます。

分周器 (Devider)

分周数Nをセットして、入力の1/Nの周波数を出力するユニットです。出力信号からの信号は技術周波数と同じにある値に分周されてから比較されます。

動作

ソニーのPLLラジオ

ソニーのマイルストーン的なPLLラジオについて紹介しています。各モデルの画像は、商品のしおりからの引用になります。

CRF-320 (1977)

PLLシンセサイザーは1970年代後半から一般向けの受信機にも採用が始まりました。ソニーでは、最初にこの機能が搭載されたのは、1977年3月頃発売されたCRF-320と思われます。消費者向けの商品ではありますが、ぶっ飛びプライスのハイエンド機で、一般向けとはいいがたいかもしれません。

CRF-320

ICF-6800 (1977)

その半年後、同じく1997年に、当時（も今も）人気のICF-6800が発売されました。こちらは、¥79,800と高額で、小中学生には高嶺の花ですが、社会人ならば買えない価格ではなかったのではと思います。チューニングは従前どおりのダイヤルを回すタイプで、ボタンを使ったデジタル的な選局ではありませんが、7セグメントLEDの周波数表示は受信波の単純な表示ではなく、PLL回路により設定値に制御されています。

ICF-6800

ICR-M7, ICF-M10, ICF-M20 (1979)

1979年には、短波用のレシーバーではない、ポケットサイズのラジオにPLLを搭載したICR-M7(左), ICF-M10が、少し遅れて、ポータブルサイズのICF-M20(右)も発売されました。これらのラジオはいわゆるチューニングつまみはなく、ボタンでスキャンする選局でしたので、デジタルチューニングという意味では、ソニーで最初のようです。また、周波数表示のディスプレイは無く、オートスキャンか、プリセットボタンを用いて選局をします。

ICR-M7 ICF-M20

ICF-2001 (1980)

周波数表示が付属しており、受信したい周波数を直接入力してボタン操作で設定できる、いわゆるデジタルチューニング機としては、ソニーでは1980年に発売されたICF-2001が最初の機種のようです。

ICF-2001

このラジオは、薄型で右側に操作部と表示部、左側にスピーカーという配置ですが、そのあと発売されたPLLのワールドバンドラジオは他社製も含めて、大体この配置に倣ったものが多いように思います。

ICF-M1(1987), ICF-M300V(1988)

その後は、PLL方式のラジオは、短波向けのワールドバンドラジオに採用されていきますが、1987年に、名刺サイズのPPL方式で、LCDの周波数表示付きのポケットラジオICF-M1(左)が発売されました。このラジオは、フルデジタルチューニングです。また、翌年の1988年には、同様にLCDの周波数表示付きのFM/AM/VHFポータブルラジオ、ICF-M300V(右)も発売されました。
ICF-M1 ICF-M300V

主な参考文献・サイト

  1. Phase-Locked Loop, Wikipedia - EN
  2. PLLの基本動作, RF Desing Note, (http://gate.ruru.ne.jp/rfdn/TechNote/BasePllTech.asp)
  3. PLL設計の基礎,　元澤篤, https://kobaweb.ei.st.gunma-u.ac.jp/lecture/20190723_motozawa.pdf

2024/07/17

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