（测试计量技术及仪器专业论文）频率合成源的分析与实现技术的研究.pdf

摘要 摘要 最近几十年来，电子信息技术飞速发展，应用领域不断扩张。信号发生器被称 为电子系统的心脏，在某种程度上影响着甚至决定着整个电子系统的性能。如何 研制出低成本、高性能、高可靠性、控制灵活的信号发生器已成为一个热点课题， 也正是频率合成技术所要解决的课题。信号发生器的实现方式直接影响决定着它 的性能和成本，故其实现方式一直给设计者提出新挑战并得到新变革。近些年来 迅速发展的锁相频率合成技术，以其自身性能优势，已经成为频率合成的主要设 计方式之一。 锁相环是一个自动反馈环路，其应用不仅仅是频率合成。但是，利用锁相环 实现的锁相频率合成技术较其它频率合成技术具有很多突出的优点：产生频率的 频带宽，而且在相当宽的频带上，能产生一系列与参考信号具有同样精度和稳定 度的离散信号。它的不足之处也逐步得到解决，通过小数分频等技术方案基本解 决了锁相环的频率分辨率的问题，一技术优化了相位噪声。 关键词：信号源频率合成锁相环相位噪声 a b s t r a c t a b s t r a c t 0 v e rt l l el a s tf b wd e c a d e s ，勰f a s td e v e l o p m 吼ti ne i e c t r o i l i c 觚dc o m m l l i l i c a = t i o n a l s c i e n c ea 1 1 dt e c h n o l o g y ，t h ep 船c t i c a lu 辩i nt i l i sf i e l dh a sb np r o m o t e df h s t 盱a 1 1 d f a s t e r s i 弘a lg e i le 伯_ f o r ，w i l i c h c a nb ec a l l e dt h eh e a r to fe l e c 仃o n i cs y s t e i i l ，h 勰 p o w 曲le 仃b c to nt h ew h o i ee l e c 仃o l l i cs y s t e m i th a sb c c nah o tq u e s t i o no nh o w t o p r o d u c cas i g 衄1g e n e m t o ro fl o wc o s ，l l i 曲p e r f o r i i l 锄c ca n dk 曲s t a b i l i t y n l a ti st h e t e c h n o l o g yo f 舭q u e l l c ys y n t l l e s i z e t h ep e r f b r n l 锄c c 锄d c o s to ft h es i 驴a lg e n e r a t o r a r ed i r e c t l y 砌啪c e db yt h ed e s 啦m e t l l o do f t h e 舶q u 跚c ys y n t h e s i z e r s o “i ss t i n ab i gc h a l l e n g ef o r t h ed e s i g n e rt 0a c c o m p l i s h “i 1 1ap m p e rw a y r e c e m ”a r s ，t l l e 触 d e v e l o p i n gt e c h l l o l o 时o ft l l ep h a s e - l o c k e d 舶q u e n c ys y n 山e s i z e rh 硒b e c nb e i n go n e o f t h e l a i nd e s i 弘础d so f m es i 印a lg e n 龇rb yi t ss u p e f i o r i t ) ， p h a s e - l o c k e dl o o p ( p l l ) i san e g a t i v ef e e d b a c k l f d r i v e nc i r c u m1 k a p p i i c 砒i o no ft l l ep l li si l o tj u s tt l l e “q u c ys y n t h e s i z w h yw ec h o o p l l 邪a p r o p e rm e ( h o dt or e a l i z e 矗q u 印c ys y l l t l l e s i z e ri sb e c a u o fi t sh i 曲p e d o 彻a n c c f i r s t t h ep l l 舭q u e i l c ys y n 廿1 e s i z c rh a sav e r yb r o a d 丘蜘u e n c yf 趾g e s e c o n d ，i n b r o a da 矗w u e n c y 砌g e ，i tc 姐p r o d u c ca r i e so f 舭q u e n c yp o i n t s 诵t l lt h es 锄el l i 曲 p r c c i s i o n 趾ds c a b i l i z a t i o n 舔t l l er e f 毫r e n c e 疗e q u e n c y t l l i r d ，陀c e n t l y ，al o to fw a y s t 0 r e s o l v et l l e d i s a d v a n t a g e so ft h cp l l 丘伽u e n c ys y l l t l l e s i z e r 印p e 码跚c ha s ，t h e 印p e 揪o f 位l c t i 伽l a ln d i v i d e rs 0 1 v e st h ep r o b l e mo f f b q u e i l c yr c s o l u t i o n ，锄dt h e d e l 诅一s i g n l ap 眦e s s i i l gm e t h o dr e d u c e s 忙l e v e lo f p l m en o i s e k e ，w o r d s ；s i 弘a lg e n e m t o rf r e q u 蛐c ，rs y n t h e s 衄r n a s e l o c k e di o o p p h a s en o i s e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 三墨围谨 日期垫! 墨：! ：! ! 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：；坠! 塾遭日期塑旦查：! ：! 导师签名： 薹霆遗 日期lj 【肚量金b u 一， 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的意义和本文的结构 1 1 1 课题研究的目的和意义 信号发生器是任何电子系统必不可少，并且在很大程度上影响并决定着系统 的性能，可以称之为电子系统的心脏。在测试、通讯、雷达、导航、电子对抗、 航空、航天、教学、医疗、仪器仪表等众多领域得到广泛的应用。 在现代电子测试技术领域，从最基本的电子元器件性能测试，到大型电子装 备系统性能综合评估，都需要高性能的标准信号发生器。譬如，频谱分析仪中需 要本振源和跟踪源，网络分析仪中需要激励源，噪声分析仪中需要噪声源。在通 信、雷达、矢量网络分析仪和导航等设备中，频率合成器既是发射机的激励信号 源，又是接收机的本地振荡器。在电子对抗设备中，它可以作为干扰信号源。 一个电子系统性能的优劣，与它的信号发生器有着很大的关系。信号发生器 的各项指标，在一定程度上决定了整个电子系统的性能。例如，在通信接收机中， 使用低噪声，高稳定度的信号发生器可以直接提高接收机灵敏度，改善频率选择 性能，从而可以提高频带的利用率。在线性调频雷达系统中，增大发射的线性调 频信号的带宽，提高频率转换速度可以提高测量精度，而较大的时间带宽积，可 以减少发射机的发射功率。在移动通信系统中，要求合成器有较短的频率切换时 间，以保证语音通信的质量。再如，短波s s b 电台的频率要求在2 0 0 m h z 范围 内提供1 0 0 h z 频率间隔2 8 万个频率点，这时，信号发生器的频率切换时间和频 率分辨率就在设计中显得尤为重要了。 信号发生器的使用已渗透到研发、生产、试验、验收、维护等全寿命过程的 各个环节，随着电子技术的不断发展，各类电子系统对频率合成器的要求变得越 来越高，对其本身的信号发生器的稳定度、工作带宽、频率分辨率、相位噪声、 切换时间、体积功耗重量等提出了很高的要求。从而推动了频率合成技术的发展。 最近三十年来，随着科学技术的发展，频率合成技术大踏步前进，信号发生 器指标综合提高。七十年代，出现了第一台锁相频率合成源；八十年代，出现了 第一台微波合成扫频信号源；九十年代，直接数字合成频率源、锁相频率源全面 2 频率合成源的分析与实现技术研究 发展；进入新世纪，以d d f s 和d d f s p l l 为代表的第三代技术，代表着频率合 成技术的发展方向，随着数字技术的不断进步，正逐渐取代第二代技术，将成为 应用最广泛的主流频率合成技术。并朝着数字程控化、集成小型化和频率范围的 宽带化、频率间隔的细微化、频率转换的高速化的方向发展。 1 1 2 论文的结构 锁相环频率合成技术的设计和实现是本论文所要阐述的重点，论文的基本结 构如下： 第一章介绍了频率合成技术的一些基础知识，包括频率合成的概念、发展情 况和基本方法，最后，介绍了信号源的主要技术指标。 第二章介绍了锁相频率合成技术，介绍了锁相环的组成部件及其工作原理， 对锁相环进行了理论分析。 第三章分析了锁相环的一个重要性能相位噪声。相位噪声影响着信号的 频谱质量，进而影响着信号源的质量，这一部分讨论了相位噪声的来源以及如何 抑制相位噪声。 在以上基础上，第四章介绍了自己设计的一款基于锁相环技术的频率合成器。 1 2 频率合成的概念及其发展 简单来说，频率合成就是对一个或少数几个标准频率进行加、减、乘、除等 四则运算而产生其它频率的方法。其目的是为了得到满足需要的信号。 1 2 1 频率合成的概念 频率合成技术是将一个( 或多个) 基准频率信号变换为所需要的频率信号( 一 个或多个) 的技术。 信号发生器就是实现频率合成技术的具体设备。具体来说，就是利用一个或 多个高稳定度的高精度的基准频率信号获得不同频率信号的设备。产生的信号具 有同样高的频率稳定度和精度。 信号发生器的分类可以按频率分为：低频信号源、射频信号源，微波信号源、 第一章绪论 毫米波信号源等；可以按波形分为：正弦波发生器、函数和任意波形发生器、脉 冲发生器，随机信号发生器等；按调制特性来分为：连续波信号发生器、模拟调 制信号发生器、数字调制信号发生器；按扫描特性来分为：合成信号发生器、扫 频信号发生器、合成扫频信号发生器等。 频率合成技术可以为：直接模拟式频率合成技术( d s ) ，锁相式( 间接) 频 率合成技术( i s ) 和直接数字式频率合成技术( d d s ) 。 锁相技术是实现相位自动控制的一门科学。锁相环路( p l l ) 是一个能够跟 踪输入信号相位的自动控制系统。在锁相环路中，利用高稳定度高精度的晶体振 荡器产生基准频率输入信号，通过锁相环路的锁定，就可以在输出端得到很多离 散的频率信号，且这些频率信号与输入基准频率具有相同的稳定度和精度。基于 这种技术的频率合成器就是锁相式频率合成器。 1 2 2 频率合成技术的发展 频率合成技术的理论形成于二十世纪三十年代左右，到现在大概经历了三代 的发展过程。 频率合成的方法随着科学技术的发展不断出现新的革命性成果，自动控制理 论的发展带来了锁相环( p l l ) 频率合技术，数字电路的兴起又出现了一个新的 而且非常有生命力的频率合成技术直接数字频率合成技术( d d s ) ，从而形成 了当今三大频率合成技术：直接模拟式频率合成技术( d s ) ，锁相式频率合成技 术( i s ) 和直接数字式频率合成技术( d d s ) 。三者互有优缺点，相互结合弥补形 成了当今各种频率和成方案，构成了现代频率合成的完整体系。 1 2 2 1 第一代直接模拟频率合成( d a f s ) 技术 直接模拟频率合成( d i r e c t a n a l o gf 豫q u e n c ys y i l m e s i s ) 技术是一种早期的频 率合成技术，原理简单，易于实现。它由模拟振荡器产生参考频率源，再经谐波 发生器产生一系列谐波，然后经混频、分频和滤波等处理产生大量的离散频率， 最后，采用滤波的方法选取所需频率信号。根据所使用的参考频率的数目不同， 直接模拟频率合成可分为非相关合成方法和相关合成方法两种类型。非相关合成 方法使用多个晶体参考频率源，所需的各种频率分别由这些参考源提供。它的缺 点在于：制作具有相同频率稳定性和精度的多个晶体参考频率源，既复杂又困难， 4 频率合成源的分析与实现技术研究 而且成本很高。相关合成方法只用一个晶体参考频率源，所需的各种频率都由它 经过分频、混频和倍频后得到，因而合成器输出频率的稳定性和精度与参考源一 样。直接模拟频率合成方法的优点是频率转换时间短、相位噪声低，但由于采用 大量的混频、分频、倍频和滤波等模拟硬件设备，使频率合成器的体积大、成本 高、结构复杂、容易产生杂散分量，大多数硬件的非线性影响难于抑制。 1 2 2 2 第二代一基于锁相环( p l l ) 的间接频率合成技术 基于锁相环的间接频率合成技术，又称为锁相式频率合成技术，是在四十年 代初根据控制理论的线性伺服环路发展起来的，它利用锁相技术实现频率的加、 减、乘、除，即把一个或多个基准频率源，通过谐波发生器、混频和分频等一系 列非线性器件，产生大量的谐波或组合频率，然后用锁相环把压控振荡器的频率 锁定在某一组合频率上，由压控振荡器间接产生所需要的频率输出。 锁相环是间接频率合成技术中的一个关键部分，它是随着自动控制理论的发 展而形成的负反馈环路，是实现相位自动锁定的控制系统，其输出信号与参考信 号相位同步，简称p l l ( p h a l o c k e dl o o p ) 。其原理框图如图1 1 所示。 图1 1 锁相环原理图 1 2 2 3 第三代直接数字式频率合成技术 随着数字技术的发展，十九世纪七十年代，出现了直接数字频率合成( d i r e c t d i 百t a lf r e q u e n c ys y l l t h e s i s ) 技术，这是一种全新的频率合成技术，与传统一代二代 频率合成技术完全不同，在性能上具有独特的优点，也标志着频率合成技术的第 二次飞跃，从而形成了第三代频率合成技术。第三代频率合成技术包括直接数字 频率合成技术和d d f s 技术与锁相环( p l l ) 技术相结合的混合式频率合成技术。 ( 1 ) 直接数字频率合成( d d f s ) 技术 直接数字频率合成技术是一种全新的频率合成方法，是频率合成技术的一次 革命，直接数字频率合成的思想由美国学者j t i e m e y 。c m r a d e r 和b g o l d 三人于 1 9 7 1 年首次提出，但由于受当时微电子技术和数字信号处理技术的限制，d d f s 技 第一章绪论 5 术在当时并没有受到足够重视，而仅仅是在理论上进行了一些探讨，随着电子工 程领域的实际需要以及数字集成电路和微电子技术的发展，d d f s 技术在理论上的 探讨和在实际中的应用都得到了飞速的发展，并日益显露出它的优越性。 图1 2 直接数字频率合成原理图 直接数字频率合成是一种全数字化的频率合成技术，其基本原理如上图1 2 所 示，由相位累加器、波形存储器、d a 转换器和低通滤波器构成。时钟频率f b 给定 后，输出信号的频率取决于频率控制字k ，频率分辨率取决于累加器位数n ，相位 分辨率取决于波形存储器的地址线位数a ，幅度量化噪声取决于波形存储器的数据 位字长和d a 转换器的位数m ，这样合成信号的三个参量( 频率、相位和幅度) 便 均可由数字信号精确控制，从而达到了全数字化合成的目的。 d d f s 具有众多突出优点：极高的频率稳定度，极高的频率分辨率，超高速的 频率转换时间，变频相位连续，相位噪声低，全数字自动化控制，可以合成任意 波形，集成度高，容易实现小型化。d d f s 的突出优点使其已经成为雷达、通信、 电子等系统中信号源的首选，在线性调频、扩频和跳频系统、数字广播和高清晰 度电视等领域中得到广泛应用，在电子测量与现代化仪器仪表等领域中也有广阔 的应用前景，已经成为高性能信号发生器的核心技术。 d d f s 的全数字结构在给其带来一系列优点的同时，也带来了两个完全无法避 免的缺点：输出带宽受限和输出杂散较大。 由于d d f s 技术本质上为一分频技术，根据采样定理，其输出的最高频率理论 上不能超过时钟频率的1 2 ，而在实际应用中则一般采用时钟频率的4 0 ，所以输 出带宽受到很大限制。改善的方法主要有两种：一是增加钟频，二是采用d d f s 与 p l l 相结合的混合方法。 根据直接数字式频率合成的原理图可以看出，由于数字元件存储量或位数的 6 频率合成源的分析与实现技术研究 限制，导致三个主要的杂散源：一是相位截断，二是幅度量化，三是数模转换的 非理想性。改善的方法主要有两类：一是选用存储量大的存储器和位数多性能优 的数模转换器，二是采用注入抖动和噪声成型等技术降低杂散。 ( 2 ) d d f s p l l 混合式频率合成技术 随着直接数字频率合成和锁相环频率合成技术的发展，考虑到p l l 频率合成技 术具有频率分辨率低的缺点和输出频率范围广的优点，而d d f s 频率合成技术具有 频率分辨率高的优点和输出频率范围窄的缺点，为了使频率合成器既有很广的频 率输出范围，又有很高的频率分辨率，将d d f s 技术和p l l 技术结合起来，组成了 d d f s p l l 混合式频率合成技术。混合式频率合成技术中d d f s 和p l l 有多种组合 方式，常用的是直接法和混频法。直接法的原理如1 3 图所示，以d d f s 的输出作 为参考源直接驱动p l l ，设计简单，容易实现。 图1 3 直接组合法 混频法的原理如1 4 图所示，与直接法不同的是：d d f s 并非直接作为p l l 的参 考源，而是经过混频器插入p l l 环路中。 图1 4 混频法组合的混 频式频率和成原理图 显然，直接法原理简单，易于实现，但在直接法中，因为p l l 环相当于一个倍 频器，这样d d f s 的杂散分量经过p l l 环后就被恶化了n 倍，而在混频法中，d d f s 的输出只是线性叠加到p l l 环的输出，杂散分量并未被恶化。所以说在实际应用中 要综合考虑各种因素，选择合理的组合方式。混合式频率合成技术具有较好的综 合性能，综合了d d f s 和p l l 两者的优点，改善了缺点，是一种行之有效的频率合成 第一章绪论 技术，已经被应用于卫星通信设备中。 1 3 频率合成器的基本实现方法 如上所述，频率合成的方法主要有三种：直接模拟频率合成( d a f s ) 技术， 锁相环频率合成技术( i s ) 和直接数字式频率合成技术( d d s ) 。下面详细介绍一 下三者的原理、优缺点和实现方法。 1 3 1 直接模拟频率合成( d a f s ) 技术 直接模拟频率合成( d i r e c ta n a l o gf r e q u e n c ys y i l t l l e s i s ) 技术是出现最早的一 种频率合成技术，它是由谐波发生器、滤波器、倍频器、分频器、和混频器的某 种组合来实现频率的加减乘除，从而实现频率合成。它由模拟振荡器产生参考频 率源，再经谐波发生器产生一系列谐波，然后经混频、分频和滤波等处理产生大 量的离散频率。最后，通过滤波器选择所需要的频率。直接频率合成的最简单模 型为： 参考振荡器 ( 提供基准频率) 谐波发生器 ( 产生新的频率分量)。麟湍仁( 选择所需要的频率) l 图1 7 直接模拟式频率合成 根据所使用的参考频率的数目不同可分为非相关合成方法和相关合成方法两 种类型。非相关合成方法使用多个晶体参考频率源，所需的各种频率分别由这些 参考源提供。它的缺点在于，制作具有相同频率稳定性和精度的多个晶体参考频 率源，既复杂又困难，而且成本很高。相关合成方法只是用一个晶体参考频率源， 所需的各种频率都由它经过分频、混频和倍频后得到，因而合成器输出频率的稳 定性和精度与参考源一样。 直接模拟频率合成方法，基本原理简单，但也可以用很多巧妙的组合设计出 很多性能优越的信号源，而且易于实现。其突出的性能优点是频率转换时间短、 几乎任意高的频率分辨率、相位噪声低、工作频率高。但由于采用大量的混频、 分频、倍频和滤波等模拟硬件设备，使频率合成器的体积大、成本高、结构复杂、 容易产生杂散分量，大多数硬件的非线性影响难于抑制。这些缺点大大抵消了直 8 频率合成源的分析与实现技术研究 接模拟式频率合成在速度、灵活性等方面的优势。 1 3 2 间接频率合成技术( 锁相环( p l l ) 频率合成技术) 锁相环是间接频率合成技术中的一个关键部分，它是一个负反馈环路，是一 个实现相位自动锁定的控制系统，其输出信号与参考信号相位同步，简称 p l l ( p h a 辩l o c k e dl o o p ) 。其原理如图1 8 所示。 图1 8 锁相环原理图 锁相环主要由鉴相器、低通滤波器和压控振荡器三部分组成。鉴相器通过比 较压控振荡器的输出信号和参考信号从而产生相位控制信号。相位控制信号通过 低通滤波器后直接控制压控振荡器的输出。当输出信号与参考信号相位一致时， 锁相环输出信号锁定参考信号，环路进入“锁定”状态，此时输出信号取得和参 考信号一致的频率和相位。当环路已经处于锁定状态时，如果输入参考信号的频 率和相位发生变化，通过环路的控制作用，压控振荡器的频率和相位能不断跟踪 输入参考信号频率的变化而变化，使环路重新进入锁定状态，这种动态过程称为 环路的“跟踪”过程。 基于锁相环的间接频率合成技术，又称为锁相式频率合成技术，是在四十年 代初根据控制理论的线性伺服环路发展起来的，它利用锁相技术实现频率的加、 减、乘、除，即把一个或多个基准频率源，通过谐波发生器、混频和分频等一系 列非线性器件，产生大量的谐波或组合频率，然后用锁相环把压控振荡器的频率 锁定在某一组合频率上，由压控振荡器间接产生所需要的频率输出。 基于锁相环的间接频率合成技术根据所使用的锁相环部件是模拟式还是数字 式的不同，又分为间接模拟频率合成技术和间接数字频率合成技术。 1 间接模拟频率合成技术 间接模拟频率合成技术中锁相环的组成器件均为模拟器件，根据实现倍频的 环节所处的位置不同，一般分为图1 9 和图1 1 0 所示的两种合成方案。 第一章绪论9 图1 9 前置分频环节锁相环原理图 图1 9 中压控振荡器的输出信号与基准信号的谐波在鉴相器里进行相位比较， 当振荡频率调整到接近于基准信号的某次谐波频率时，环路就能自动地把振荡频 率锁定在这个谐波频率上。输出频率为： 五= 斯( n 为谐波次数) ( 卜1 ) 这种频率合成技术的最大优点是电路结构简单，可以得到较高指标。但是， 由于它是利用基准信号的谐波频率作为参考频率，故要求压控振荡器的精度必须 在o f 内，如果超出这个范围将会错误地锁定在邻近的谐波上，因而造成选择 频道困难。同时对调谐机构性能要求也较高，并且倍频次数越高，分辨力就越差了 因此这种方法提供的频道数是有限的。 图l l o 内置分频环节镄相环原理图 如图1 1 0 所示，在压控振荡器和鉴相器之间的锁相环反馈回路上增加一模拟 分频器，就形成了一个间接模拟频率合成器。输出信号频率和参考信号频率之间 的关系为： 五= 叼：( n 为分频器的分频系数) ( 卜2 ) 由上式可以看出，通过改变分频系数n ，压控振荡器就可以产生不同频率的 输出信号。间接模拟频率合成技术因为使用模拟分频器和模拟鉴相器，所以，虽 然，相位噪声较好，但电路复杂，体积较大，成本较高，在实际应用中使用不多。 2 间接数字频率合成技术 间接数字频率合成技术采用数字锁相环来代替间接模拟合成技术中的模拟锁 相环，数字锁相环就是在锁相环内使用数字分频器和数字鉴相器。根据数字分频 1 0 频率合成源的分析与实现技术研究 器分频效果的不同，间接数字频率合成技术又分为整数间接数字频率合成技术和 小数间接数字频率合成技术。 2 1 整数间接数字频率合成技术 如图1 1 l 所示，用数字鉴相器和数字分频器替换图1 1 0 中的模拟鉴相器和模 拟分频器，就形成了一个整数间接数字频率合成器。输出信号频率和参考信号频 率之间的关系同样为： 五= 蟛 ( 卜3 ) 图1 1 l 整数间接数字频率合成原理图 改变分频系数n 就可以产生不同频率的输出信号。而输出信号的频率一定是 参考信号频率的整数倍，整数频率合成技术的名字由此而来。由上式可以看出， 输出信号之间的最小频率间隔等于参考信号的频率，而这一点也正是整数间接数 字频率合成技术的局限所在。为获得较大范围的频率选择和较小的频率间隔，整 数间接数字频率合成技术通常采用固定前置分频器的单环方式，吞除脉冲方式或 者多环方式。在实际应用中，特别是在超高频工作情况下，多采用吞除脉冲式整 数间接数字频率合成技术，如下图1 1 2 所示。 图1 1 2 吞除脉冲式原理图 在n 分频器与压控振荡器之间插入高速双模前置分频器一p ( p + 1 ) ) 和吞除脉冲 计数器a ，最终得到输出信号频率为： 第一章绪论 l l 石= ( 一4 ) p + 么( p + 1 ) z - ( 1 - 4 ) 由上式可以看出，输出频率范围扩展了p 倍，而频率间隔仍然保持为较小的z 。 吞除脉冲式整数间接数字频率合成技术的最大特点是频率间隔较小、频率范围大。 2 。2 小数间接数字频率合成技术 小数间接数字频率合成技术是七十年代初期在吞除脉冲技术的基础上，应用 了计算机技术和微处理器技术而研究成功的。小数间接数字频率合成器的输出信 号不必是参考信号频率的整数倍，而可以是参考信号频率的小数倍。如图1 1 3 所示。 输出信号和参考信号的关系可以表示为： 石= ( + k 肘) + z ( 1 5 ) 图1 1 3 小数同接数字颏翠合成原理图 其中，k 和m 为整数，k 的取值范围为大于等于o 并且小于m ，m 决定了频率合 成的精度。小数频率合成技术输出信号的最小频率间隔即输出频率精度由参考信 号频率和分辨位数决定。一个1 8 位的小数频率合成器支持2 6 2 1 4 4 级输出间隔，如 果参考信号的频率为2 0 瑚z ，那么最小频率间隔则为2 0 m 2 6 2 1 4 4 = 7 6 2 9 h z 。由此 可见小数频率合成技术在支持较高频率的参考信号的同时可以获得很高的输出频 率精度。 整数频率合成技术中，为实现小的频率间隔和高的频率准确度，我们需要采 用频率低的参考信号和带宽窄的滤波器，这样，频率合成器的调整时间就很长。 而小数频率合成技术则可以在使用高频率的参考信号的同时获得高精度的输出信 号频率，放松了对滤波器带宽的限制。 另外，从理论上讲，参考信号的频率提高一倍，输出相位噪声下降6 d b 。小数 频率合成技术支持高频率的参考信号，因此它的相位噪声指标好于整数频率合成 技术。当然我们也可以通过减小滤波器带宽的方式来抑制相位噪声，但是这样会 延长滤波器的调整时间。基于锁相环的间接数字频率合成技术，由于锁相环路相 1 2 频率合成源的分析与实现技术研究 当于一个窄带跟踪滤波器，因此能很好地选择所需频率的信号，抑制杂散分量， 且避免了大量使用滤波器，十分有利于集成化和小型化。 此外，一个设计良好的压控振荡器具有高的短期频率稳定性，而标准频率源 具有高的长期频率稳定度，锁相式频率合成器把这二者结合在一起，使其合成信 号的长期稳定度和短期稳定度都很高。 但锁相式频率合成技术的缺点是频率转换时间较长，单环频率合成器的频率 间隔不可能做的很小，且系统内插入的压控振荡器带来的新的噪声也比较大。 1 3 3 直接数字频率合成( d d f s ) 技术 日益发展电子系统对信号源的性能提出了更高的要求，锁相环频率合成器和 直接模拟式频率合成的性能已经不能满足要求，随着数字技术的发展，1 9 7 1 年， 美国学者j t i c m e y ，c m r a d c r 和b g o l d 三人首次提出直接数字频率合成( d i f e c t d i g i t a lf r e q u e n c ys y l l t h e s i s ) 技术思想，但由于受当时微电子技术和数字信号处理 技术的限制，d d f s 技术在当时并没有受到足够重视，而仅仅是在理论上进行了 一些探讨，随着电子工程领域的实际需要以及数字集成电路和微电子技术的发展， 八十年代，进行了一些实验室性研究，九十年代，d d f s 得到推广和使用，如今， d d f s 得到了飞速的发展，并日益显露出它的优越性。 1 3 3 1 直接数字频率合成( d d f s ) 技术 直接数字频率合成技术是一种全新的频率合成方法，是频率合成技术的一次 革命，直接数字频率合成从相位概念出发，直接合成所需要的波形。原理图如下 图1 1 4 直接数字频率合成原理图 直接数字式频率合成的工作实质是以参考频率源为基准，对输出信号的相位 幅度进行有规律的控制再现来输出所需要的波形，其理论依据主要是采样定理。 第一章绪论 众所周知，采样定理，为模拟信号和数字信号之间的转换架起了一个桥梁，直接 数字频率合成就是根据采样定理，实现了从数字信号到模拟信号这一转换，从而 输出需要的波形。 考察一个简单正弦信号：矿o ) = 爿s 砸耐+ ) 其相位妒= 耐+ ，对其微分，可得= 却毋，我们假设输出一个固定频率， 即为常数，那么，= 却西= 妒，在这里，显然 口= k 2 石 ，= k 2 丌2 ( 1 6 ) 出= 1 z ( 1 7 ) 其中，k 为频率控制字，n 为累加器的位数，z 为参考频率，也就是输入的 时钟信号频率。综上可得： 五= 叫2 ，r = 磁m = z 2 ” ( 1 8 ) 上式即为直接数字频率合成( d d f s ) 的基本方程，由于时钟频率z 及相位累 加器位数n 都是确定值，故d d f s 的输出频率由频率控制字k 确定写入不同的频率 控制字，即可输出不同频率的正弦信号。 根据以上推导，可得到以下结论： 当k 越小，合成的频率越低，当最小频率为k = 1 时，五= z 2 ”。 当k 越大，合成的频率越高，但是，根据采样定理，理论上能够合成的最高频 率为采样时钟频率的一半，即一个周期内至少要采两个点，此时输出频率为 五一= z 2 ，但是，实际应用中一般工一= 4 0 z 。 频率分辨率为z = 工( k + 1 ) 一五( 足) = z 2 ”。 由上面推导可以看出d d f s 的特点： 1 f 艮高的频率分辨率， 。 设d d f s 的相位累加器n 长为3 2 位，时钟频率z 为1 6 m h z ，则： z = z 2 ”= 1 6 0 0 0 0 0 0 2 3 2 * o 0 0 4 ( 月2 ) ( 1 9 ) 如此高的频率分辨率是其他频率合成技术难以达到的 1 4 频率合成源的分析与实现技术研究 2 频率转换时间短 从原理框图上看出d d s 是一个开环系统，无反馈环节，因此合成频率转换时 间很快，可以达到1 1 s 级，能够满足实时性要求高的系统需要。 3 频率稳定度高 参考时钟由一个高稳定度的晶体振荡器提供。因此d d s 输出的合成信号的频 率稳定度和晶体振荡器是相同的 4 相位噪声低，线性特性好 输出频率由一个稳定的固定时钟产生，数字相位具有良好的线性特性，由于输 出频率五总低于时钟频率z ，输出频率的相位噪声相对于时钟频率的相位噪声以 2 0 l o g ( 工五) 加以改善。 5 输出信号相位连续 d d f s 的另一个特点是输出信号上没有叠加其他电流脉冲，输出变化是一个平 稳过渡过程，而且相位保持连续变化，这是其它频率合成技术所不具备的 6 良好的调制特性 在d d f s 模块中，输出波形的三个参数：频率、相位、和振幅都可以用数字来 定义，因而可以完成数字调制，改变频率控制字可以完成频率调制，改变瞬时相 位控制字可以完成相位调制。在r o m 和d a c 之间加数字乘法器可完成振幅调制。 事实上，厂家生产的d d s 模块大都可以直接完成数字调制功能。 d d f s 有两个不足之处与解决方法： 1 输出频率不能做到很高 根据上面原理分析可知，d d f s 的输出频率受限于参考频率。这是d d f s 的一 个主要缺点。根据资料，目前，a d 公司的芯片a d 9 8 5 8 工作频率可达到4 0 0 m h z ， 时钟要求1 g h z 。改善的方法主要有两种：一是增加钟频，二是采用d d f s 与p l l 相 结合的混合方法。 2 输出杂散较大 在d d s 中，离散杂散信号是影响频谱纯度的主要原因主要有三个杂散源： 一是相位截断，二是幅度量化，三是数模转换的非理想性。要提高d d s 的杂散性 能，可以通过以下措施来进行：设计性能良好的低通滤波器，最大限度滤除杂散信 号，增加d a c 的位数，增加相位累加器的有效相位位数，此外可以采用注入抖动 第一章绪论 和噪声成型等技术降低杂散。 1 4 信号源的主要性能指标 频率合成器的目标是合成所需要的理想信号，但是，在现实中，合成的信号 总有这样那样的不理想。信号源的性能指标就是为了描述理想信号和实际信号之 间的差异而定义的。 一个理想正弦波信号可以表示为： 【厂( f ) = ( 4 + 4 9 ) ) c o s 【( & ) o + q ) f + ( + 仍) 】 ( 1 l o ) 描述它的性能指标主要有：频率特性、幅度特性( 也称功率特性) 、频谱特性、 调制特性、扫描特性等。 1 4 1 频率特性 频率特性是描述信号源所产生信号频率的一个技术指标，是信号源里一个非 常重要的参量。主要有以下四个指标。 1 频率范围( f r e q u c yr a n g e ) 频率范围指信号发生器所产生的信号最高频率和最低频率之间的变化范围， 该范围既可连续亦可由若干频段或一系列离散频率来覆盖。例如2 5 0 m h z 1 g h z ， l h z 1 0 0 k h z 等。 2 频率分辨力( f f e q u 锄c yr e s o l 嘣o n ) 频率分辩力也称频率分辨率、频率间隔，信号发生器需要在指定频率范围内 产生大量离散频率。频率分辨力指的是两个相邻频点之间间隔，频率的最小增量。 例如1 m h z ，l l 【h z ，l h z ，l m h z 等。 3 频率准确度( f r e q u e n c y a c c u r a c y ) 信号发生器频率指示值和相应的真值的接近程度。分为绝对准确度和相对准 确度。绝对准确度是输出频率误差的实际大小，一般以k h z 、瑚z 等表示；相对准 确度是输出频率误差与理想输出频率的比值，一般以1 0 的幂次方表示，如1 1 0 6 ， 1 1 0 8 等。 4 频率转换时间( f 忙q u e n c y 刚t c h i n gt i i n e ) 1 6频率合成源的分析与实现技术研究 也称频率切换时间，指的是信号源从一个输出频率过渡到另一个输出频率并 达到稳定所需要的时间。一般为毫秒级，譬如小于5 0 1 1 ：l s ，对于对频率切换时间要 求较高的跳频通信系统，可达微秒量级。 以4 1 所的射频合成信号发生器a v l 4 8 5 为例，具体参数如下： 图1 5 信号发生器a v l 4 8 5 1 4 2 幅度特性 频率范围2 5 0 k h z 4 g h z 频率分辨力1 m h z 频率转换时间o n l s 频率稳定度( 内部时基) ： 频率：1 0 m h z 老化率( 典型值) ：l l o 纠天( 连续通电7 天后) 3 1 0 7 年 描述信号输出幅度的一个参量。主要有以下六个具体指标。 1 输出阻抗( o i i t p u ti m p e d a n c e ) 在信号发生器输出端往里看所呈现的阻抗。信号发生器的输出幅度读数定义 为输出阻抗匹配的条件下，所以必须注意输出阻抗匹配的问题。低频信号发生器 的输出阻抗通常为6 0 0 q ，射频、微波信号发生器通常只有5 0 q ，电视信号发生器 通常为7 5 q 。下图1 6 说明了为什么应用中必须考虑阻抗匹配的问题。 图1 6 阻抗匹配 2 源电压驻波比( s o u r c ev s w r ) 微波信号发生器由于外接负载特性变化而引起的射频输出端口驻波电压最大 第一章绪论 1 7 值和驻波电压最小值之比，它反映了信号发生器输出阻抗偏离标称阻抗的程度。 3 最大输出功率( m a x i m 啪o u t p u tp o w e r ) 信号发生器能提供给额定负载阻抗的最大功率。 4 输出功率范围( o u t p u tp o w e rr a i l g e ) 在给定频段内可以获得的可调功率范围。 5 功率准确度( l c v e la c c u f y ) 在规定功率范围上输出信号提供给额定负载阻抗实际功率偏离指示值的误 差。 6 功率平坦度( k v e lf l a n l e s s ) 在某一指定功率输出条件下输出信号提供给额定负载阻抗实际功率输出随输 出频率的相对起伏值。 7 功率电平转换时间( p o w e ri e v e ls 丽t c h i n g 垃n l e ) 从电平开始变化起，到电平接近新选定的额定值并且保持在所规定的误差范 围内的时间间隔。 8 输出功率分辨力( o u t p u tp o w e rr ；e s o l u t i o n ) 在给定输出功率范围内能够得到并重复产生的最小功率增量。 1 4 3 频谱特性 从频谱领域来描述信号频率的纯净程度，说明信号的杂波和干扰。 1 谐波( h a m l o i l i c ) 频率为基波频率整数倍的正弦波。 2 分谐波( s u b _ h 锄o i l i c ) 频率为基波频率整约数的正弦波。 3 非谐波( n o n - b a 彻。伍c ) 频率不等于基波频率整约数或整数的正弦波。 4 单边带相位噪声( s i n 班e s i d e b a n dp i l a n o i 辩) 单边带相位噪声是随机噪声对载波信号的调相产生的连续谱边带，用距离载 波某一偏离处单个边带中单位带宽内的噪声功率对载波功率的比表示。 5 剩余调频( r e s i d u a lf m ) 信号发生器输出的无调制连续波信号在规定带宽内的等效调频频偏。 频率合成源的分析与实现技术研究 1 4 4 扫描特性 1 扫描范围( s 、e 印舢g e ) 扫描的载波频率范围。 2 扫频宽度( s w e e p 、v i d t h ) 扫频所覆盖的最高频率和最低频率之差。 3 扫频时间( s 愀pt i i l l e ) 扫频时，信号发生器输出频率从一个规定值扫描到另一个规定值所需要时间 间隔。 4 最大扫频速度( m a x i i n 咖s n 优pm t e ) 在给定的单位时间内所能实现的最大扫宽。 5 扫频准确度( f r c q u e n c ys w e 印a c c u m c y ) 信号发生器工作在模拟扫频状态时，实际输出频率与理想输出频率的误差。 有绝对准确度和相对准确度两种表示方式，绝对准确度是在扫频时实际输出频率 与理想输出频率的最大绝对差；相对准确度是指在扫频时实际输出频率与理想输 出频率的最大绝对差与当前扫描宽度的比值。 6 驻留时间( d w e l l t i n l e ) 信号发生器在步进或列表扫描模式下在给定的扫描点上停留的时间。 7 触发模式( 1 h g g e r i n gm o d e s ) 信号发生器转换工作状态的触发条件，一般有内部自动、外部、总线、单次 等。 1 4 5 调制特性 分为模拟调制和数字调制。 1 模拟调制 分为调幅，调频，调相，脉冲调制等。 2 数字调制 分为a s k ，f s k ，p s k ，q a m 等。 第一章绪论 1 9 1 4 6 其他特性 1 外形尺寸、重量 例：外形尺寸：5 9 6 m m 4 7 7 咖1 4 9 i l ：l i n ( 长宽高) 。 最大重量：全配置2 0 蚝。 2 电源 例：供电电源为5 0 h z 单相2 2 0 v ，最大功耗为2 0 0 w ，稳态电压允许范围是 额定值土1 0 ，稳态频率允许范围是额定值5 。 3 环境适应性 例如：非工作温度：- 2 0 + 6