频率合成技术详解

1、第十一章第十一章 频率合成技术频率合成技术本章包括：F频率合成器的主要技术指标 F频率直接合成法 F频率间接合成法 F集成频率合成器 11.1 频率合成器的主要技术指标11.1.1 频率合成方法 实现频率合成，有各种不同的方法，但 基本上可以归纳为 ：F直接合成法 F间接合成法（锁相环路法）F直接数字频率合成 11.1.2 频率合成器的主要性能指标1. 频率范围 指频率合成器输出频率最小值fomin和最大值fomax之间的变化范围，也可用频率覆盖系数k=fomax/fomin来表示。2. 波道数（频道数）与波道间隔（频率间隔） 波道数频率合成器所能提供的频率个数（点频 数） 波道间隔两个相邻频

2、道之间的频率差，也可称为频率合成器的频率分辨力 3. 波道（频率）转换时间 频率转换时间是指频率合成器从某一频率转换为另一频率所需要的时间。它包括波道置定时间及环路捕捉时间（当采用锁相环时）。 4. 频率长期稳定度 长期稳定是指一天以上时间范围内的频率不稳定性，它主要是由振荡器元器件老化，环境温度、湿度变化等因素造成的。长期稳定度取决于所使用的标准频率源的频率稳定度。5. 噪声性能 频率合成器的噪声性能既可用时域指标表示也可用频域指标表示。（1）频谱纯度 这是频域指标。理想的正弦信号的频谱只一根谱线，实际的频谱如图11-1所示： 信号噪声杂波（2）短期频率稳定度和瞬时频率稳定度 这是时域指标。

3、 短期频率稳定度：从秒级到一天的时间间隔内的频率不稳定性。 瞬时频率稳定度：从毫秒到秒量级的时间间隔内的频率不稳定性， 最常用的时域指标阿仑方差11.2 频率直接合成法频率直接合成法 所谓频率直接合成法是将两个基准频率直接在混频器中进行混频，以获得所需要的新频率。分为：F非相干式直接合成F相干式直接合成 F频率漂移抵消法（或称外差补偿法） 11.2.1非相干式直接合成器 图11-2为这种合成方法的原理图，图中f1与f2为两个石英晶体振荡器的频率，并可根据需要选用。 11.2.2相干式直接合成器 这种方法常用来产生频率合成器中的辅助频率。图11-4是相干式直接合成器的一个实例 分频 10 滤波

4、0.3509 MHz 混频 + 开关 3.509 MHz 3.2MHz 混频 + 滤波 开关 3.4509 MHz 3.1MHz 输 出 33.9999M Hz D C 33.999 M Hz 分频 10 滤波 0.309 MHz 混频 + 开关 3.09 MHz 2.7MHz B 33.99 M Hz 分频 10 滤波 0.39 MHz 混频 + 开关 3.9 MHz 3.6MHz A 33.9 M Hz 分频 10 3M Hz 3.6 3.5 3.4 3.3 3.2 3.1 3.0 2.9 2.8 2.7 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 由谐波发生器送来的频率 开关位置 以上两种直

5、接合成法的优点是：比较稳定可靠，能做到任意小的频率增量，波道转换速度快（可小于0.5s）它的缺点是：要采用大量的滤波器、混频器等，成本高，体积大。又由于混频器存在谐波成分，易产生寄生调制，影响频率稳定度 11.2.3频率漂移抵消法（外差补偿法） 这种频率合成法的工作原理可参阅图11-5 f01,f02 fon fi1=fL-fom fi2=fL-fil =fom fL fL 石英晶体 振荡器 第一 混频器 第二 混频器 可变 振荡器 设可变振荡器的频率误差为f，则第一混频器的输出频率为 第二混频器的输出频率为 由此可见，输出频率fi2的准确度仅取决于标准频率fom，而与可变振荡器的频率误差f（

6、不稳定度）无关。 omLiffff)(1omomLLiLiffffffffff)()()(1211.3 频率间接合成法（锁相环路法）F脉冲控制锁相法 F模拟锁相环路法 F数字锁相环路法 11.3.1脉冲控制锁相法 这种方法是将参考晶振频率通过脉冲形成电路，产生丰富的谐波，选出适当的谐波频率，来与VCO的频率在鉴相器中进行相位比较。这种方法没有采用降频电路，图11-6就是它的原理性方框图 晶振脉冲形成鉴相(PD)低通(LPF)压控振(VCO)fVfVfRnfR11.3.2模拟锁相环路法（间接合成制减法降频） 模拟锁相环路法一般又分为多环式与单环式两种。图11-7是多环式减法降频方框图示例3.63

7、.53.43.33.23.13.02.92.82.79876543210由来谐的波参发考生频器率送开 关 位 置VCOPDVCOPD10VCOPD10VCOPD103.4509MHz3.1MHz0.3509 MHz0.3509 MHz3.509MHz0.309MHz3.09MHz0.39MHz3.9MHz输出(33.9999MHz)33.999MHz33.99MHz33.9MHz103MHzDCBA3.2MHz2.7MHz3.6MHz0.309MHz0.39MHz0.3MHz图例 混频器(取减法) 10进分频器 压控振荡器 鉴相器 低通滤波器 带通滤波器10VC OPD开 关开 关开 关开 关

8、这种方案的优点是： 1）与直接合成法相似，这种方法也能得到任意小的频率间隔。 2）鉴相器的工作频率不高，频率变化范围也不太大（本例为300400kHz），比较容易实现。 3）有点类似于直接合成器，但不需要直接合成法所用的昂贵的晶体滤波器。本法的缺点是： 1）每次循环只能分辨10个频率，在1MHz范围内辨认到100Hz，要重复四次，电路超小型化和集成化比较复杂。 2）与直接合成法一样，频率上限受10进分频器的限制，一般只能限在10 MHz以内。 下面再看看单环式减法降频，图11-8是这种方案的方框图示例 PD 输出 (33.9999MHz)(9001000)kHz(290300)kHz(9091

9、)kHz29kHz29kHz90.9kHz290.9kHz950.9kHz由参考晶体振荡器来3.02.92.8.2.22.1700690680.620610209208207.20120061.961.8!61.161.0DCABVCO单环减法降频的优点是： 1）由于没有用十进分频器，因而频率上限可以大大提高 2）同时它也具有多环减法降频的第2）、3）所述的优点 本法的缺点是： 1）频率间隔最小值有限制，本例为100Hz，要进一步减小频率间隔已很困难 2）方案中所需的等差列数频率相互间的规律性较差，因此这些等差列数频率发生器比较复杂，生产一致性较差，造价较高11.3.3数字锁相环路法（间接合成

10、制除法降频） 这是在移动电台中广泛采用的一种频率合成方式。 原理：应用数字逻辑电路把VCO频率一次或多次降低至鉴相器频率上，再与参考频率在鉴相电路中进行比较，所产生的误差信号用来控制VCO的频率，使之锁定在参考频率上。 图11-9表示这一方案的基本原理方框图，图中数字为举例说明 PD 输出 (33.9999MHz) 可变分频次数 N=3000039999 100Hz VCO 晶振 N N N 实际上，由于分频比很大，因此它往往分为固定分频与可变分频两个部分。晶体参考振荡频率也需经过适当的分频器降至鉴相器工作频率上。因此，方框图可改为如图11-10的形式。 输 出 70100MHz1000Hz7

11、0100Hz固定分频 M=164.3756.25MHz可变分频 N=43756250VCOMNPD参考分频晶振 为了获得实际概念，图11-11示出某一单边带短波通信机中所用的单环式数字频率合成器的方框图 100kHz(可变分频)(固定分频)34MHz搜索1.4MHz5V9V15V5MHz晶振5045025kHz5MHz25kHz参考分频器压控器缓冲输出 37.000 45.399 45.400 55.399 55.400 65.399 MHz 37.000 65.399MHz输出 (频 率 间 隔1kHz)2前量分频鉴相器开关abcde 变 容 二 极 管 控 制 线18.532.6995MH

12、z N=37000 65699500Hz(程序频率fN)500Hz(参考频率fR)a 10MHzb 1MHzc 100MHzd 10MHze 1MHzN程序分频1.4MHz振荡器稳压电源34MHz振荡器单环式数字频率合成器存在如下问题： 1）鉴相器频率低，一般只为1001000Hz，因此，环路中的低通滤波器通频带一定要做得很窄。 2）这里的除法降频与前面的减法降频相比，由于分频比为N，因此环路增益下降为原来的1/N，这就要求提高VCO的增益。 在要求工作频率高、波道间隔小时，为了获得较好的性能，有时还是要采用多环式数字频率合成器。图11-12即是一个双环数字式频率合成器的例子 97.4198.

13、28kHz10PD11010kHzfR=100kHzfR1=10kHz10III输出每步100HzfR2=9.7419.828kHz1.722.59kHz700799kHz100kHzN1=700799fV1=7.007.99MHzN2=308407fV1=3.00014.0000MHzN2N1VCOVCO2PD2N2参考频率 这种双环数字式频率合成器的优点是：体积小，结构简单，调试方便，同时由于分频比N下降，能够提高鉴相频率，环路通带被放宽，锁定时间缩短，相位抖动减小；由于振动而引起的恶化也大有改善，克服了单环的缺点。 当然，它的缺点是比单环式的电路复杂些。 根据类似的方法，也可以组成三环以

14、至三环以上的数字频率合成器。例如图11-13即是一个三环数字式频率合成器的例子 I5MHz参考2N12128带通滤波混频VCO1105MHz500带通滤波1019.9999MHz100199. 999MHz10kHz10kHz88178MHz环路滤波N21200021900VCO210kHz120129.99MHz10kHz环路滤波IIIII120219.99MHz1221. 999MHz10MHz10MHz210280MHz220.0299.9999MHzPD1环路滤波PD2N2880017800VCO2混频+PD210表表11-1 各种频率源的性能对比各种频率源的性能对比 型式项 目 LC

15、振荡器 晶体振荡器 频率直接合 成 器 锁相环路频率合成器 漂移抵消法合成器 频率稳定度 不优于10-5 110-6110-7有的已达10-8 同晶体振荡器 同晶体振荡器 同晶体振荡器 波道间隔 短波不小于20kHz,超短波不小于50kHz 任意,但受晶体数目的限制 可很小,短波可达100Hz,但受复杂性的限制 短波100Hz,甚至1Hz,超短波25kHz 可很小.但也受复杂性的限制 杂波电平 较小小比较大,与频率范围、波道数、滤波器有关 -40-60dB 带内小于-50dB,带外小于-110dB 相位抖动 /515 /功率消耗 小 小小数瓦 较大 体 积 小 小 大 集成电路化后可以小型化

16、较大 技术复杂程 度 简单 简单 较复杂 较复杂 复杂 附 注 波道间隔受度盘刻度与频率稳定度的限制 适用于波道数少的场合 对滤波器的要求严格 适用于数字化 适用于有冲击振动的条件下 11.4 集成频率合成器 集成频率合成器器则是一种专用锁相电路，它是发展最快、采用新工艺最多的专用集成电路。它将参考分频器、参考振荡器、数字鉴相器，各种逻辑控制电路等部件集成在一个或几个单元中，以构成集成频率合成器的电路系统。 目前，集成频率合成器按集成度可分为中规模和大规模两种；按电路速度可分为低速、中速和高速三种。随着频率合成技术和集成电路技术的迅速发展，单片集成频率合成器也正在向更大规模、更高速度方向发展。有些集成频率合成器系统中还引入微机部件，使得波道转换、频率和波段的显示实现了遥控和程控，从而使集成频率合成器逐渐取代分立元件组成的频率合成器，应用范围日益广泛。但目前VCO还没有集成到单片合成器中，主要是因为VCO的噪声指标不易做高。 MC145146是个可编程锁相环频率合成器大规模集成电路，其输出频率可由编置在微