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が販売されだしてから今日まで、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、中間周波数という別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性能に影響します。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、この回路はズバリ狙った周波数に合わせられるものではなく、耳で聴いたりチューニングメーターを見て、ベストな周波数を選択することになります。これに対してPLLを用いた回路は、設定したいズバリの周波数の発振信号を取り出すことができます。

PLLはPhase-Locked Loopの略で、周期的な入力信号に相を合わせた、出力信号を得る回路です。これに、ある周波数源を基に、周波数を分割する回路等を組み合わせ、目的の周波数の信号を合成(Synthesize)することからPLLシンセサイザーとなっています。基準となる周波数源は、水晶発振子を用いて安定したものが得られ、出力周波数をフィードバック制御することで、精度・安定性にも優れています。

歴史

原理としてのPLLは、1673年にホイヘンスが発見した「2つの振り子を一つの水平な支柱に付けて片方を揺らすと、もう片方に振動が伝わり、180°ずれた運動をする」という現象が最初ということになっているようですが、これは機械的な現象で、コントロールされたものでもなく、何かの目的で活用されたものでもないです。

電子回路を用いた通信技術でのPLLは、1932年にヘンリ・ド・ベレサイズ(Henri de Bellescize、英)が発表した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。

PLLという名称がいつから付いたかは定かではないですが、最初は信号の同期させる回路として、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。水晶発振子は狙った周波数のものを製造する技術はありましたが、1個につき1周波数しかカバーできません。無線機の場合はチャンネル数揃えれば対応可ですが、任意の周波数を受信するためには、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を利用して、ベース信号の周波数を基にn倍の周波数の信号を精度良く作り出す回路は、PLLシンセサイザーと呼ばれ、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、基準周波数を基に、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。図の例では、主発振器(VOC)を1044kHzにコントロールする例ですが、信号出力を116分割して得られた信号と、基準となる9kHzの信号を比較します。位相・周波数に差異の信号をもとに、それを打ち消すように主発振器の周波数を調整します。

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、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、VCOを制御する電圧の元信号を作ります。

アナログ回路もいくつか種類があるようですが、乗算器型は、2つの信号の和を非線形増幅することで得られる積信号が利用されます。この部分はスーパーヘテロダインのミキサーと同じです。得られた積信号v(t)ですが、次式のように変形できます。

等式：2つの信号の積

fr+fvは高い周波数で、2つめの項はローパスフィルターで取り除き1つめの項だけ使用されます。この式はfr=fv, φ=0でゼロになりますので、v(t)を元にしてこれがゼロになるよう、VCOの電圧を調整するフィードバックをかけます。fv=frになっても、まだ位相φがずれているとv(t)>0なので、fvは調整され、周波数がずれます。ずれることで位相が調整され、φの影響が小さくなると、またfv=frを目指すという動作を繰り返し、周波数・位相の両方を一致させます。ただ、周波数の差だけで制御をすると位相は一定になりますが、少しずれるは完全には合わないため、実際のラジオではループフィルターに積分器が入り、このオフセットを除去しています。

デジタル回路では、例えばフリップフロップにNAND回路を組み合わせることで実現でき、位相と周波数のどちらの修正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)

PFCからの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、電圧に変換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 Contol 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。周波数の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されはじまりました。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)

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AM専用機のICR-M7(左), FM/AM2バンドのICF-M10が1979年に発売され、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が、周波数表示のディスプレイは無く、プリセット・オートスキャンか、1ステップずつマニュアルでチューニングする方式でした。

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)

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

トップページに戻る 遠いページコラムに戻る