频率合成技术.ppt

一个例子 通信系统的频分复用 fLfm fm fL 2fs fL 3fs fm 由频移特性 3路频分复用电话通信系统原理 搬移频率4 8 12k z等频率从何而来 频率合成器 频率合成技术 一 频率合成技术发展历史及概论二 直接频率合成技术 DS 三 锁相式 间接 频率合成技术 PLL IS 四 直接数字频率合成技术 DDS 五 频率合成实际应用举例六 对频率合成器件发展的意见 一 频率合成技术发展历史及概论 频率合成理论自20世纪30年代提出 发展至今 频率合成器已经是电子系统的心脏 是决定电子系统性能的关键设备 随着通信 数字电视 卫星定位 航空航天 雷达和电子对抗等技术的发展 对频率合成器提出了越来越高的要求 频率合成技术是将一个或多个高稳定 高精确度的标准频率经过一定变换 产生同样高稳定度和精确度的大量离散频率的技术 二 直接频率合成技术 DS 早期的频率合成器是利用混频器 分频器 倍频器 带通滤波器完成对标准参考频率 晶体振荡源 的四则运算 产生所需的离散频率 优点是频率转换时间短 小于100ns 并能产生任意小的频率增量 但是设备笨重 功耗大 不能实现单片集成 而且输出端的谐波 噪声及寄生频率难以抑制 从傅氏变换理解直接频率合成 傅氏变换的性质 三 锁相式 间接 频率合成技术 PLL IS 锁相环合成法是利用锁相环将频率锁定的性 获得与基频成一定倍数的所需频率 该方法结构简单 便于集成 由于有很好的窄带滤波特性使频谱纯度高 但存在高分辨率和快转换速度之间的矛盾 当一个输出频率转换为另一个输出频率时 由于环路的捕捉时间加长 导致频率转换时间加大 锁相式频率合成器可分为整数频率合成器和分数频率合成器 在压控振荡器与鉴相器之间的锁相环反馈回路上增加整数N分频器 就形成了一个整数频率合成器 锁相式整数频率合成器原理框图 模拟乘法器作为鉴相器 环路滤波器 锁相环频率合成器框图 四 直接数字频率合成技术 DDS 直接数字频率合成采用全数字方式实现频率合成 DDS 它直接对参考正弦时钟进行抽样和数字化 然后通过数字计算技术进行频率合成 DDS技术是美国学者J Tierncy等在1971年首次提出的 这是一种全数字技术 该技术从相位概念出发直接合成所需要的波形 它将先进的数字信号处理理论与方法引入信号合成领域 实现了合成信号的频率转换速度与频率准确度之间的统一 DDS的工作原理是基于相位与幅度的对应关系 通过改变频率控制字 K 来改变相位累加器 位数为N 的相位累加速度 然后在固定时钟的控制下取样 取样得到的相位值 取相位累加器的高M位 通过相位幅度转换得到相位值对应的幅度序列 幅度序列通过数模转换及低通滤波得到正弦波输出 DDS结构框图 相位累加器在每一个时钟上升沿以频率控制字K累加一次 当累加器计数大于2N时 相位累加器作一次模余运算 正弦查找表ROM在每一个时钟周期内 根据送给ROM的地址取出ROM中已存储的与该地址对应的正弦幅值并将该值送DAC DAC输出的阶梯波信号经LPF滤波后得到一个正弦信号 输出频率fo与时钟频率fc之间满足关系式 fo K 2N fc DDS具有频率转换速度快 频率分辨率高 频率分辨率 f Fref 2N 输出相位连续 可编程 全数字化易于集成 体积小 功耗低等优点 DDS的主要应用领域 DDS在跳频电台中的应用在现代通信 特别是战场通信环境下 由于存在各种干扰 要求通信系统具有很强的抗干扰 抗窃听 抗侦察 保密等功能 为此 跳频通信成为主要的通信手段 为了抵抗跟踪式干扰和转发式干扰 对跳频系统的跳速提出了更高的要求 直接频率合成技术虽然可以满足跳速快的要求 DDS在雷达系统中的应用雷达系统中采用DDS技术可以灵活地产生不同载波频率 不同脉冲宽度以及不同脉冲重复频率等参数构成的信号 为雷达系统的设计者提供了全新的思路 4 DDS在数字通信中的应用由于DDS采用数字结构 可以灵活地实现频移键控 相移键控和幅度调制等功能 使其在数字通信中得到广泛应用 5 DDS应用于任意波形发生器任意波形发生器是一种实时模仿的高精密信号发生器 是各种模拟分析研究的良好工具 其中最关键的核心部件即采用了DDS技术 在其波形存储器中不仅存入了正弦波形 还存入了方波 三角波 锯齿波等大量非正弦波形数据 因此它可以根据需要产生各种信号 设正弦波的样点值用D位二进制码表示 则信号功率与量化噪声总功率之比近似为 R S N 6 02D 1 76dB 为量化位数 频率合成器在固态调频发射机中的应用 由晶体振荡器所产生的1MHz基准频率 通过分频比为1 160的固定分频后产生6125kHz的基准频率fi 同时压控振荡器输出的信号经过前置分频器 分频比均为1 4 和可编程分频器 分频比为1 N 分频后产生信号fn 将信号fn和基准频率信号fi同时送至鉴相器进行比较 由鉴相器输出一个自动相位控制电压 经环路滤波器滤去高频分量后 去锁定压控振荡器的频率 固态调频发射机锁相环频率合成器方框图 可编程分频器的分频比为1 870 1 1080 其分频比1 N可由频率预置电路来选定 该频率合成器的频率间隔为Mfi 4 4 6125kHz 100kHz这也就是调频广播频道间隔 从87MHz开始 每隔100kHz 一直到108MHz 共选择210个调频频道频率 DDS核心原理图 用硬件描述语言VHDL设计中DDS的核心部分 所采用的集成开发环境为Altera公司的MAX plusII软件 源程序如下 libraryieee useieee stdlogic1164 all useieee stdlogicarith all entityddstextisgeneric width integer 8 m instdlogicvector width 1downto0 sin acc outstdlogicvector 7downto0 clk instdlogic endddstext architectureddsgenofddstextissignals acc8 stdlogicvector width 1downto0 signalmsbs stdlogicvector 7downto0 beginadd1 lpmaddsubgenericmap lpmwidth width lpmrepresentation signed lpmdirection add lpmpipeline 0 portmap dataa m datab acc8 result s reg1 lpmffgenericmap lpmwidth width portmap data s q acc8 clock clk select1 process acc8 variablei integer beginforiin7downto0loopmsbs i 8 lpmwidthad 8 lpmfile sine mif portmap address msbs inclock clk outclock clk q sin endddsgen 数字电路实现分频 工作原理 4个JK触发器都接成T 触发器 每来一个CP的下降沿时 FF0向相反的状态翻转一次 每当Q0由1变0 FF1向相反的状态翻转一次 每当Q1由1变0 FF2向相反的状态翻转一次 每当Q2由1变0 FF3向相反的状态翻转一次 华润 锁相环频率合成器CSCI145151与美国摩托罗拉公司的MC145151中电科技集团公司24所自主开发的SB3236锁相式频率合成器性能与美国Peregrine公司同类产品PE3236一致 SB3236是国内第一个单片高性能锁相式频率合成器产品 片内采用自主开发的RFIP核 是我国212GHz以上硅基高频集成电路重大技术突破 目前 国内还没有单片双环或者多环锁相式频率合成器 DDS频率合成器更是处于空白阶段 六 发展建议 高性能频率合成器广泛用于移动通信 无线局域网 无绳电话 手机 数字电视 卫星定位等系统 频率合成器不但市场巨大 而且在整机系统中 作用重大 直接关系到系统安全 频率合成器在通信中为系统提供需要的频率源 频率源的性能指标直接关系到整个系统的性能 如通信中的误码率 通信的抗干扰和精度 卫星定位精度的能力 正因为高性能频率合成器在整机系统上的广泛应用和其重要性 国外在高性能频率合成器的核心芯片上一直由大公司垄断 影响了我国通信产业的发展 在对锁相原理的数学理论描述方面 则可追溯到20世纪30年代 在已经建立的同步控制理论基础上 1932年 Bellescize提出了同步检波理论 第一次公开发表了对锁相环路 PLL 的数学描述 众所周知 同步检波的关键技术是要产生一个本振信号 该信号要与从接收端送到检波器的输入载波信号频率相同 否则检波器的输出信号会产生很大的误差 即接收端无法恢复出发送端所发送的信号 而一般的自动频率控制技术中 由于存在固有的频率误差而无法满足上述要求 由于要保持两个振荡信号频率相等 则必然要使这两个信号的相位差保持恒定 反之亦然 这种现象称之为频率同步或相位锁定 这也是锁相技术最基本的概念 也是锁相 技术的理论基础 但当时 这一理论并未得到普遍重视 直到1947年 锁相技术才第一次应用于电视机的水平扫描线的同步装置中 50年代 杰费和里希廷第一次发表了有关PLL线性理论分析的论文 解决了PLL最佳化设计的问题 60年代 维特比研究了无噪声PLL的非线性理论问题 发表了相干通信原理的论文 70年代 Lindsy和Charles在做了大量实验的基础上进行了有噪声一阶 二阶及高阶PLL的非线性理论分析 直到目前 各国学者仍在对锁相理论和应用进行着 广泛而深入的研究 由于技术上的复杂性和较高的生产成本 早期PLL的