现代频率综合技术PPT电子课件教案-第1部分 频率合成基本概念.ppt

现代频率综合技术 40学时 2学分 第1部分 频率合成基本概念 n频率合成：由一个或几个参考（基准）频 率源产生一个或多个频率的系统元件的组 合。 n从输出fout fref n相干、非相干 多个fref 非相干 一个fref 相干 第1部分 频率合成基本概念 相干频率合成 直接相干式 间接相干式 直接模拟式 dds 模拟pll 数字pll 第1部分 频率合成基本概念非相干合成 1.1 非相干合成法 特点： 多个fref； 十进制单元； 输出频率是各个单元选择相 ？频点组合； n与产生频点数有关； f/10n-1 是每个单元的频率步进； fout=f1+f2+fn+ + ； 其中f1fn选择由需求的杂散电平确定； 第1部分 频率合成基本概念非相干合成 讨论： q更宽的频率范围； q系统指标、频率稳定度、精度、相 位噪声； q杂散。 1.2 相干直接合成法 与非相干直接法比较： 一个参考源，稳定度与精度。 根据成本及合成器系统指标，通常用的方法有 混合法 谐波法 三混频法 双混频分频法 相干直接合成，混合合成 1 混合法 n输出频点数较少时（与谐波法类似但优）； n基本模块：倍频器、分频器、混频器、参考 频率源、放大器、滤波器； n实现：模拟和数字电路； n系统考虑：杂散和相位噪声，这些指标与成 本密切相关； n输出频点的形成； n方案形成思路：输出频点间相互关系，共用 。 n与混频法相比，输出频率相隔一常数，如 20，21，22，23，24mhz /hz/step ； n基本步骤： n谐波产生，基频等于间隔； n滤出所需谐波分量，如图1.4 所示。 2 谐波法 a) 间隔mfr（输出）； b) f很小，下变频后再滤除，双混频法； c) f更小上述方法无效； d) 特点 pll滤波 无杂散特性 泄漏 相位噪声 1.3 相干间接频率合成 1.3 相干间接频率合成 间接法利用反馈的原理产生频率步进。 系统分析：环路稳定性、捕获性能 优点：体积小、质量轻、直流功耗小。 在锁相环带宽之外的偏移频率上，vco的噪 声谱将取代参考源的噪声频谱，结果是相噪性 能大大提高。 第1部分 频率合成基本概念间接频率合成，数字锁相环 第1部分 频率合成基本概念间接频率合成，数字锁相环 特点： 1. 集成芯片，体积小和直流功耗低，fstepmin=f=fout/n 2. 程序分频器工作频率上限； 3. fstep、f、bw（环路带宽）、捕获时间间 的关系 与矛盾。 4. 设计者需要解决的问题，f尽可能大，改善相噪 、杂散、捕获时间 。 第1部分 频率合成基本概念间接频率合成，数字锁 相环(扩展程序分频器的上限频率） 此时频率步进？ fout= （nf+f）n2 第1部分 频率合成基本概念间接频率合成，双数字锁相环(实现细频率步 进） fout= （nf1+ n3f2）n2 f2可以取很小 第1部分 频率合成基本概念 adf41020 18 ghz maximum rf input frequency integrated sige prescaler software compatible with popular adf410x family of plls 2.7 v to 3.3 v pll power supply programmable charge pump currents programmable dual-modulus prescaler 8/9, 16/17, 32/33, 64/65 3-wire serial interface analog to digital lock detect hardware and software power-down mode 第1部分 频率合成基本概念 1.4 相干直接频率合成（dds） n简介:1971年，j.tinerney, m.rader, b.gold 数字波形合成，与集成电路发展密切相 关。 n实现上：dds，波形发生，dsp ndds基本原理：dds是根据正弦信号的产生 ，从相位出发，用不同的相位给出不同的电 压幅度，最后滤波平滑输出需要的频率信号 。 dds基本原理 对一个固定频率正弦信号 用周期为tc的信号对其采样得到 离散相位序列： 相位函数的斜率决定了信号的频率 决定相位函数斜率是两次连续采样之间的 相位增量，因此只要控制这个席位增 量就可以控制合成信号的频率。 根据这个思想将2分割为m等份 经滤波后得到合成模拟信号为 若每次的相位增益为的k倍，即可得到信号 频率 第1部分 频率合成基本概念相干直接数字频率合成 直接数字式频率合成原理 在采样频率一定的条件下 ，可以通过控制 两次连续采样之间的相位增益（不得大于 ），来改变所得到的波形序列的频率，经保 持和滤波之后可以惟一地恢复出此频率的模 拟信号。 第1部分 频率合成基本概念相干直接数字频率合成 详细框图 dds组成 n相位累加器（phase accumulater） 由加法器和寄存器构成 增量越大，频率越高 nlook-up-table 相位量化序列 波形幅度变化序 列 地址 数据 高p位进行寻址 截断处 rom rom压缩技术 n三角近似法 sunderland d.a “cmos frequency synthesizer lsi circuit for spread spectrum communication”, ieee solid state circuits,1948.8 基本思路： a、b、c分别为高中低位 假设a、b、c表示的相角分别为、，则 由于远大于和 n基于泰勒级数的线性插值法 bellaouar, “lower-power direct digital frequency synthesis for wireless communication ”, ieee, solid-state circuit, march,2000. n线性插值法 ndac -位数 杂散动态，位数6db，14位6=84db n抗镜像滤波器 一般是低通滤波器 3 dds性能特点 优点 u频率分辨率高；输出频点多； u频率切换速度快； u频率切换时相位连续； u可以输出两路宽带正交信号； u输出相位噪声低，对频率源的相位噪声有改善作 用； u可以产生任意波形； u全数字化实现，便于集成； u体积小，重量轻； 缺点 u输出信号杂散大； u信号合成过程中相位截断误差； ud/a转换器的截断误差； ud/a转换器的非线性； u输出信号的频率受限。 4 dds 输出信号频谱分析 n理想参数波形，dds具备频谱 n无相位截断误差； nrom用无限长的字表示波形的采样值； ndac具有无限宽的输入位数，具有理想 dac特性； 若dds相位累加器的字长为n，频率控制字为r， 则相位累加器在t=ntc时刻，输出相位序 为 =nk mod 2n n=1,2,3, 其中mod是求余， 的周期 gcd（x，y），求最大公约数 dds中rom输出波形幅度序列 s（n）=cos(2, f0, n, tc)=cos(2, k, n/2n) d/a s（n）s（t） 周期为 对s（t）作fft 理想dds输出频谱函数 第1部分 频率合成基本概念相干直接数字频率合成输出频谱图 图1.21 特点： n理想dds输出信号的频谱结构是以sa（x）函 数为包络下的离散谱线族； n只在f=mfcf0处存在离散频率分量； nm=0时，得到的就是主谱频率f=f0=kfc/2n,改 变频率控制字k，可以改变输出频率，输出 谱线，同时还改变了sa(x)的包络形状，从而 使得各谱线的相对幅度值发生了变化。 n主谱线幅度为 当m=1时，输出幅度最大的杂散频率f-f0,其幅度为 与f0，fc相关 f0fc/2时，杂散接近，幅度趋于相等，很难设计 相应滤波器。 （2）相位截断引入的杂散 为了节约存储空间，忽略相位累加器低b 比 特，b=n-a,相位增量不再与k值唯一对应。 dds输出 则截断相位误差 dds输出 ： 式中第二项：相位截断引入的干扰信号与k有关 不产生相位截断应满足：gcd（k,2n-a）=2n-a 产生最大相位截断应满足：gcd（k,2l-a）=2l-a-1 （3）幅度量化误差杂散 sqr=1.76+6.02b+20logffs+10log(fc/fc) ffs:d/a输出与满幅比例 fc：采样频率 5 改善dds频谱输出质量方法 （1） 压缩rom容量，增大有效地址位数； 增加一个地址位，杂散改善约6db （2）选择合适频率控制字，k的最后一位为1 ， 杂散尽可能低 ； （3）扰码注入技术对杂散的抑制 破坏相位截断所产生的周期杂散信号。把 确定性，有规律的杂散信号转换成随机 的，无规律的相位噪声。 dds输出滤波器设计 lc滤波器 lc滤波器响应 输出频率与滤波器阶数关系 典型输出频谱 均衡补偿sinc 响应 20mhz时钟频率 6 目前常用dds芯片 adi公司，ad9950，9958系列 ad9912 1ghz 间接频率合成小数n分频pll 优点：高的fpd实现，小的fstep切换时间快 缺点：杂散 小数分频原理