笫8章频率合成技术

1、 u直接数字式频率合成直接数字式频率合成u 频率合成器集成电路（频率合成器集成电路（*）l为了实现高质量的无线电通信，减少各种外界因素对为了实现高质量的无线电通信，减少各种外界因素对传输信号的干扰，近代通信系统往往要求通信机具有传输信号的干扰，近代通信系统往往要求通信机具有大量的、可供用户选择和迅速更换的载频振荡信号。大量的、可供用户选择和迅速更换的载频振荡信号。l频率合成器能够实现上述要求。频率合成器能够实现上述要求。例如移动通信：要求在例如移动通信：要求在150、400、900、1800MHz频率附近提供上百个频率点频率附近提供上百个频率点要求这些频率点的载波振荡频率稳定度与精度，要求这些

2、频率点的载波振荡频率稳定度与精度，都应满足系统的性能要求，并能迅速变换。都应满足系统的性能要求，并能迅速变换。l晶体振荡器无法满足上述要求晶体振荡器无法满足上述要求通过一定的变换与处理后通过一定的变换与处理后l 制作高质量频率源成为军用（电子对抗）、民用（通信制作高质量频率源成为军用（电子对抗）、民用（通信、广播、广播 电视、仪器等）研制工作的一项关键课题。电视、仪器等）研制工作的一项关键课题。 这些离散频率的频率稳定度和精度均与基准频率相同。这些离散频率的频率稳定度和精度均与基准频率相同。 这些离散频率能在很短时间内，由某一频率变换到另一频率。这些离散频率能在很短时间内，由某一频率变换到另一

3、频率。l频率合成器的主要技术指标频率合成器的主要技术指标（1）工作频率范围）工作频率范围频率合成器最高与最低输出频率所确定的频率范围，称为频率合成器最高与最低输出频率所确定的频率范围，称为频率合成器的工作频率范围。频率合成器的工作频率范围。（2）频率间隔）频率间隔每个离散频率（或信道）之间的每个离散频率（或信道）之间的最小间隔最小间隔称为频率间隔。称为频率间隔。又称分辨力。又称分辨力。（3）频率转换时间）频率转换时间由一个工作频率转换到另一个工作频率并使后者达到稳定由一个工作频率转换到另一个工作频率并使后者达到稳定工作所需的时间。工作所需的时间。工作频率范围；频率间隔；频率转换时间；工作频率范

4、围；频率间隔；频率转换时间；频率稳定度与准确度；频谱纯度。频率稳定度与准确度；频谱纯度。u频率合成器的主要技术指标（频率合成器的主要技术指标（4）频率稳定度与准确度）频率稳定度与准确度频率稳定度是指在规定观测时间内，合成器输出频率偏离频率稳定度是指在规定观测时间内，合成器输出频率偏离标称值的程度。标称值的程度。准确度则表示实际工作频率与其标称值之间的偏差准确度则表示实际工作频率与其标称值之间的偏差.（5）频谱纯度）频谱纯度频谱纯度是指输出信号接近正弦波的程度。可以用输出端频谱纯度是指输出信号接近正弦波的程度。可以用输出端的有用信号电平与各寄生频率总电平之比的分贝数表示。的有用信号电平与各寄生频

5、率总电平之比的分贝数表示。l有用信号频率成分有用信号频率成分；l各寄生信号频率成分：各寄生信号频率成分： 有用信号的各次谐波成分；有用信号的各次谐波成分；存在各种周期性干扰（混频器的高次组合频率）；存在各种周期性干扰（混频器的高次组合频率）；干扰引起的随机相移（相位噪声）。干扰引起的随机相移（相位噪声）。稳定度与准确度有着密切的关系，因为只有频率稳定度高，稳定度与准确度有着密切的关系，因为只有频率稳定度高，频率准确度才有意义频率准确度才有意义频率合成器输出信号频谱不纯，对接收机和发射机都会频率合成器输出信号频谱不纯，对接收机和发射机都会产生不良影响产生不良影响l频谱不纯的发射信号将对邻道信号产

6、生干扰频谱不纯的发射信号将对邻道信号产生干扰l接收机的混频器可将本振噪声转移到中频段，将降接收机的混频器可将本振噪声转移到中频段，将降低中频信号的信噪比低中频信号的信噪比l本振噪声会干扰数字通信本振噪声会干扰数字通信l载波信号中的相位噪声和本振中的相位噪声直接载波信号中的相位噪声和本振中的相位噪声直接影响数字相位调制系统的误码率影响数字相位调制系统的误码率相位噪声和杂散是频率合成器（振荡器）最重要的相位噪声和杂散是频率合成器（振荡器）最重要的性能指标之一性能指标之一由于振荡器存在有源器件、电阻等噪声及外部干扰，它们由于振荡器存在有源器件、电阻等噪声及外部干扰，它们通过振荡器这个非线性系统时，对

7、它的输出信号幅度和相通过振荡器这个非线性系统时，对它的输出信号幅度和相位都可能进行调制，实际振荡器的输出信号是调幅调相波。位都可能进行调制，实际振荡器的输出信号是调幅调相波。 tttaVtvncnomcos1 ttVtvncomcos ttVtVttVttVtvcnomcomncomncomsincos sinsincoscosn第一项为载波电压第一项为载波电压V Vomomcoscos c ct t, ,第二项为载波信号第二项为载波信号V Vomomsinsin c ct t受到受到相位噪声相位噪声 n n(t)(t)调制的双边带信号。振荡器输出信号的频谱是调制的双边带信号。振荡器输出信号的

8、频谱是一根载波频谱和被搬移到载波两边的相位噪声频谱的叠加。一根载波频谱和被搬移到载波两边的相位噪声频谱的叠加。n相位噪声的特点：相位噪声的特点：在在 = o处为无穷大，距离中心频率越远，其值越小。处为无穷大，距离中心频率越远，其值越小。噪声频噪声频谱与谐振回路有载谱与谐振回路有载Q值有关，值有关，Q值越大，曲线越尖锐，相位噪值越大，曲线越尖锐，相位噪声衰减得越快。声衰减得越快。提高振荡回路的提高振荡回路的Q值是减小相噪的关键值是减小相噪的关键u直接频率合成法直接频率合成法 采用对频率具有加减乘除四则运算功能的混频器、倍频采用对频率具有加减乘除四则运算功能的混频器、倍频器、分频器和具有选频功能的

9、滤波器的不同组合来实现频率合器、分频器和具有选频功能的滤波器的不同组合来实现频率合成的方法，一般称为直接频率合成法。成的方法，一般称为直接频率合成法。倍频器倍频器分频器分频器混频器混频器MNrfqfofrqofNMff 频率间隔为频率间隔为：rfN1 离散频率数由倍频器的可变倍频次数离散频率数由倍频器的可变倍频次数M决定决定。 主要缺点：有较多的非线性电路，可能产生寄生干扰，使输出主要缺点：有较多的非线性电路，可能产生寄生干扰，使输出信号频谱纯度降低。接入了大量的、滤波性能要求较高的频带信号频谱纯度降低。接入了大量的、滤波性能要求较高的频带滤波器，从而使设备体积庞大，造价也十分昂贵滤波器，从而

10、使设备体积庞大，造价也十分昂贵。直接频率合成（续直接频率合成（续）举例举例 1：已知基准频率：已知基准频率=1MHz。分频分频分频分频分频分频混频混频混频混频倍频倍频5101010带通带通滤波滤波带通带通滤波滤波谐波发生器谐波发生器晶振晶振MHZ5MHZ6MHZ1MHZ20MHZ16. 0MHZ16. 2MHZ6 .212 4 68MHZn 1MHZ6 . 013 5 7 9缺点：缺点： 频率范围有限；频率范围有限； 离散频率数不能太多；离散频率数不能太多； 输出信号中的寄生频率成输出信号中的寄生频率成分和相位噪声显著加大；分和相位噪声显著加大； 设备变得庞大。设备变得庞大。l锁相频率合成器，

11、由基准频率产生器和锁相环路两部锁相频率合成器，由基准频率产生器和锁相环路两部分组成分组成n基准频率产生器为合成电路提供一个或几个高稳准基准频率产生器为合成电路提供一个或几个高稳准的参考频率的参考频率n锁相环路利用其良好的窄带跟踪特性，使频率准确锁相环路利用其良好的窄带跟踪特性，使频率准确地锁定在参考频率上，并使被锁定的频率具有与参地锁定在参考频率上，并使被锁定的频率具有与参考频率一致的频率稳定度和较高的频谱纯度考频率一致的频率稳定度和较高的频谱纯度n锁相频率合成器的性能，取决于这两部分的性能，锁相频率合成器的性能，取决于这两部分的性能，尤其是环路的跟踪特性、滤波特性和噪声特性尤其是环路的跟踪特

12、性、滤波特性和噪声特性l 主要优点：系统结构简单；输出频率成分的频谱主要优点：系统结构简单；输出频率成分的频谱纯度高；易于得到大量的离散频率；易于集成化纯度高；易于得到大量的离散频率；易于集成化。l 主要缺点：频率转换时间长；单环频率合成器主要缺点：频率转换时间长；单环频率合成器的频率间隔不能做得很小。的频率间隔不能做得很小。锁相频率合成法锁相频率合成法rNff 0ofVCOLFPD程序分频器程序分频器NrfNfo频道选择频道选择（1）数字锁相频率合成器基本原理）数字锁相频率合成器基本原理返回一返回一返回二返回二rfl当当 = 100kHz，分频比分频比N在在31316范围内变化时，范围内变化

13、时，输出频率范围将为输出频率范围将为3.131.6MHz，频率间隔为频率间隔为100KHz。l 当当 = 100Hz，分频比分频比N=3000039999时，时， 输出频率将为输出频率将为33.9999MHz，频率间隔为频率间隔为100Hz。rfrfrNff 0例如，上图中频率合成器输出频率为：例如，上图中频率合成器输出频率为：数字锁相频率合成器（续数字锁相频率合成器（续1）数字锁相频率合成器（数字锁相频率合成器（）讨论）讨论rfrfrf (2)、 参考频率参考频率 对环路性能的影响对环路性能的影响rf 输出频率的分辨力，等于输入鉴相器的参考频率输出频率的分辨力，等于输入鉴相器的参考频率，即即

14、 越小，越小， 输出信号的频率分辨力将越高。输出信号的频率分辨力将越高。rf 小环路频率转换时间小环路频率转换时间 大大，strfrsft25 因此减小因此减小 与减小与减小 及及往往成了对往往成了对频率合成器提出的相互矛盾的要求。频率合成器提出的相互矛盾的要求。rfst 对于输出频率较高，当对于输出频率较高，当 很小时，分频比很小时，分频比N的变化将很大的变化将很大，此时环路线性化传递函数也变化很大，如，此时环路线性化传递函数也变化很大，如N11000，开，开环增益有环增益有60dB变化，影响环路的动态工作性能变化，影响环路的动态工作性能。上图上图rf数字锁相频率合成器（数字锁相频率合成器（

15、）(3)、可编程分频器工作速度的影响、可编程分频器工作速度的影响 对于一个分频比固定的分频器，目前已有工作在对于一个分频比固定的分频器，目前已有工作在500MHz、800MHz甚至千兆赫的集成器件可供选用。甚至千兆赫的集成器件可供选用。 可编程分频器的工作频率则要低很多，可编程分频器的工作频率则要低很多，TTL部件构成的部件构成的可编程分频器，上限频率约为几十可编程分频器，上限频率约为几十MHz，CMOS部件构部件构成的可编程分频器，上限频率则更低成的可编程分频器，上限频率则更低。而大多数通信系统的工作频率则要上百、上千而大多数通信系统的工作频率则要上百、上千MHz。 可编程分频器是数字锁相频

16、率合成器的重要部件。可编程分频器是数字锁相频率合成器的重要部件。 其分频比的数目，决定了合成器输出信道的数目。其分频比的数目，决定了合成器输出信道的数目。 程序分频器的输入频率，也是合成器的输出频率。程序分频器的输入频率，也是合成器的输出频率。 存在合成器输出频率与可编程分频器的工作速度之间存在合成器输出频率与可编程分频器的工作速度之间的矛盾的矛盾。上图上图数字锁相频率合成器（数字锁相频率合成器（1）、含前置分频器的锁相频率合成器）、含前置分频器的锁相频率合成器n在主分频器前，接入在主分频器前，接入分频比恒定分频比恒定的前置分频器，以降低主的前置分频器，以降低主分频器分频器（可编程分频）（可编

17、程分频）的工作频率。的工作频率。鉴相鉴相VCO低通低通RqfrfofNP主分频器主分频器 前置分频器前置分频器参考分频器参考分频器PNfo晶振晶振n当改变当改变N时，输出频率将为以时，输出频率将为以 为间隔的离散频率系列为间隔的离散频率系列。rPfn可见本方案是以加大频率间隔为代价，换取合成器工作在可见本方案是以加大频率间隔为代价，换取合成器工作在较高的频段。较高的频段。)(0rpfNf 数字锁相频率合成器（数字锁相频率合成器（）（2）采用吞脉冲可变分频器的锁相频率合成器）采用吞脉冲可变分频器的锁相频率合成器1、吞脉冲可变分频器组成框图、吞脉冲可变分频器组成框图N大于大于A频道选择频道选择主计

18、数器主计数器模式控制模式控制辅助计数辅助计数器器 双模前置双模前置分频器分频器NASRPP/ ) 1() 1( PP“1”-计计数数“0”-停停止止of0f“1”-“0”-返回返回数字锁相频率合成器（数字锁相频率合成器（） 模式控制电路为高电平时，双模分频器的分频比为模式控制电路为高电平时，双模分频器的分频比为 。) 1( P 模式控制电路为低电平时，双模分频器的分频比为模式控制电路为低电平时，双模分频器的分频比为 。P N（主计数器主计数器）A（辅助计数器辅助计数器）。 计数起始时，设模式控制电路输出为高电平，则输入端重复计数起始时，设模式控制电路输出为高电平，则输入端重复频率为频率为 的脉

19、冲输入时，双模分频器和两计数器同时计数，的脉冲输入时，双模分频器和两计数器同时计数，直到辅助计数器计满直到辅助计数器计满A个脉冲，个脉冲，使模式控制电路输出电平降为使模式控制电路输出电平降为低电平，双模分频器分频比变为低电平，双模分频器分频比变为P。of 此后继续输入脉冲，双模分频器与主分频器继续工作此后继续输入脉冲，双模分频器与主分频器继续工作，直到直到主计数器计满主计数器计满N，模式控制电路重新恢复高电平，双模分频器模式控制电路重新恢复高电平，双模分频器恢复（恢复（P+1）分频比，各部件进入第二个计数周期为止。分频比，各部件进入第二个计数周期为止。 在一个计数周期内，总计脉冲量为：在一个计

20、数周期内，总计脉冲量为：APNANPAPn)() 1(上图上图数字锁相频率合成器（数字锁相频率合成器（） 吞脉冲分频比为：吞脉冲分频比为： APNff100 采用吞脉冲分频器构成频率合成器时，其最小频率间隔可采用吞脉冲分频器构成频率合成器时，其最小频率间隔可以做到等于以做到等于 ，而输出频率，而输出频率 则为：则为：orff ofrofAPNfAPNf)()(0 频率分辨力仍为频率分辨力仍为 ，环路频率转换时间没有变化。这是，环路频率转换时间没有变化。这是因为上式中有和项（因为上式中有和项（A为分频比的个位）为分频比的个位） 。rf数字锁相频率合成器（数字锁相频率合成器（）2、采用吞脉冲可变分

21、频器的锁相频率合成器、采用吞脉冲可变分频器的锁相频率合成器鉴相鉴相VCO低通低通Rqfrfof晶振晶振双模前置双模前置分频器分频器PP/ ) 1(主计数器主计数器N辅助计数辅助计数器器 A模式控制模式控制SR参考分频器参考分频器“1”-“0”-) 1( PP频道选择频道选择频道选择频道选择PD1LF1VCO1可变N1if100（-）PD3LF3VCO3ifN11fifN2of1001001002121iiiofNNfNfNfPD2LF2VCO2可变N2RfAPNfAPNfoscro举例举例2：若含吞脉冲分频器的锁相频率合成器，其双模分频若含吞脉冲分频器的锁相频率合成器，其双模分频器的分频数为器

22、的分频数为41/40，主计数的，主计数的N=31023，辅助辅助计数器的计数器的A=3127，已知参考频率已知参考频率=5KHz，要使输要使输出频率出频率=136.550MHz，两计数器两计数器N和和A应预置于何值？应预置于何值？ 举例举例ofrf273105136550000ffffnrof可列出：可列出：27310 = 40N + AMHZffKHZffroro235.205)127102340()(615)3340()(maxmin频率点数：频率点数：4万多。万多。解解：由由 和和 可得出合成器环路分频器的分频数应为：可得出合成器环路分频器的分频数应为：先忽略先忽略A，求得：求得：N =

23、 27310/40 = 682.75，取取N = 682则余数则余数A值为：值为：A = 27310 - 40682 = 30即当即当 = 5kHz时，将时，将N、A两计数器分别置于两计数器分别置于N = 682和和A = 30，即可使输出频率即可使输出频率 = 136.550MHz。u直接数字频率合成（直接数字频率合成（DDS）n通过对相位的运算进行频率合成。通过对相位的运算进行频率合成。 主要优点：相位连续；分辨力高（可达主要优点：相位连续；分辨力高（可达0.001Hz）；）；工作工作频率范围宽，容易做到极低的频率；转换频率的时间短（几频率范围宽，容易做到极低的频率；转换频率的时间短（几乎

24、是即时的频率转换），以及成本低、控制灵活等。乎是即时的频率转换），以及成本低、控制灵活等。 主要缺点：输出频率上限不太高，受限于器件可用的最高主要缺点：输出频率上限不太高，受限于器件可用的最高时钟频率；总输出噪声电平较高。时钟频率；总输出噪声电平较高。（Direct Digtial Frequency Synthesis简称简称DDFS或或DDS）是近年来发展起来的一种将先进的数字处理理论与方法引入是近年来发展起来的一种将先进的数字处理理论与方法引入信号合成领域的一项新技术（第三代）。信号合成领域的一项新技术（第三代）。l直接数字频率合成基本原理直接数字频率合成基本原理（1）时域抽样定理，即）时域抽样定理，即Nyquist定理定理 对于任意一个频带小于对于任意一个频带小于 的连续信号的连续信号s(t)，如果以如果以 的间隔对它进行等间隔地抽样，则所得到的离散抽样值包含的间隔对它进行等间隔地抽样，则所得到的离散抽样值包含着连续信号着连续信号s(t)的全部信息，通过这些抽样值可以恢复的全部信息，通过这些抽样值可