频率合成技术

频率合成技术第1页，共51页，2023年，2月20日，星期四3上3下-3上-3下1上1下-2上-2下-1上-1下2上2下上下wfLfm-fm-fL2fs-

fL3fs-

fm由频移特性０第2页，共51页，2023年，2月20日，星期四(a)发送端原理方框图4.3~7.4kHz8.3~11.4kHz4kHz12kHz8kHz多路信号输出相乘带通低通话音输入1f1相乘带通低通话音输入2f2相乘带通低通话音输入3f3300~3400Hz300~3,400Hz300~3,400Hz4kHz8kHz12kHz基带语音信号300–3,400Hz4.3–7.4kHz8.3–11.4kHz12.3–15.4kHzf03路频分复用电话通信系统原理第3页，共51页，2023年，2月20日，星期四多路信号输入(b)接收端原理方框图话音输出1话音输出2话音输出3相乘低通带通f1相乘低通带通f1相乘低通带通f14.3~7.4kHz8.3~11.4kHz12.3~15.4kHz3400Hz3400Hz3400Hz8kHz12kHz4kHz第4页，共51页，2023年，2月20日，星期四搬移频率4,8,12kＨz等频率从何而来？－－频率合成器第5页，共51页，2023年，2月20日，星期四频率合成技术一．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第6页，共51页，2023年，2月20日，星期四一．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。第7页，共51页，2023年，2月20日，星期四二．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。第8页，共51页，2023年，2月20日，星期四从傅氏变换理解直接频率合成--傅氏变换的性质第9页，共51页，2023年，2月20日，星期四三．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.）

第10页，共51页，2023年，2月20日，星期四

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第11页，共51页，2023年，2月20日，星期四模拟乘法器作为鉴相器第12页，共51页，2023年，2月20日，星期四第13页，共51页，2023年，2月20日，星期四第14页，共51页，2023年，2月20日，星期四第15页，共51页，2023年，2月20日，星期四环路滤波器第16页，共51页，2023年，2月20日，星期四第17页，共51页，2023年，2月20日，星期四第18页，共51页，2023年，2月20日，星期四第19页，共51页，2023年，2月20日，星期四第20页，共51页，2023年，2月20日，星期四鉴相器PD环路滤波器LPF压控振荡源VCON分频器锁相环频率合成器框图第21页，共51页，2023年，2月20日，星期四第22页，共51页，2023年，2月20日，星期四第23页，共51页，2023年，2月20日，星期四第24页，共51页，2023年，2月20日，星期四四．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。

第25页，共51页，2023年，2月20日，星期四

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。

第26页，共51页，2023年，2月20日，星期四

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。

第27页，共51页，2023年，2月20日，星期四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。第28页，共51页，2023年，2月20日，星期四

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。第29页，共51页，2023年，2月20日，星期四DDS的主要应用领域

(１)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。第30页，共51页，2023年，2月20日，星期四(２)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。

第31页，共51页，2023年，2月20日，星期四(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。

第32页，共51页，2023年，2月20日，星期四(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。

第33页，共51页，2023年，2月20日，星期四第34页，共51页，2023年，2月20日，星期四第35页，共51页，2023年，2月20日，星期四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+1.76dBＤ为量化位数第36页，共51页，2023年，2月20日，星期四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Ⅰ、Ⅱ(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。第37页，共51页，2023年，2月20日，星期四固态调频发射机锁相环频率合成器方框图第38页，共51页，2023年，2月20日，星期四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。第39页，共51页，2023年，2月20日，星期四

DDS核心原理图第40页，共51页，2023年，2月20日，星期四用硬件描述语言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;entityddstextis

generic(width:integer:=8);(m:instdlogicvector(width-1downto0);sin,acc:outstdlogicvector(7downto0);clk:instdlogic);endddstext;architectureddsgenofddstextis

signals,acc8:stdlogicvector

(width-1downto0);signalmsbs:stdlogicvector

(7downto0);beginadd1:lpmaddsubgenericmap(lpmwidth=>width,lpmrepresentation=>"signed",lpmdirection=>"add",lpmpipeline=>0)portmap(dataa=>m,第41页，共51页，2023年，2月20日，星期四datab=>acc8,result=>s);reg1:lpmffgenericmap(lpmwidth=>width)portmap(data=>s,q=>acc8,clock=>clk);select1:process(acc8)variablei:integer;beginforiin7downto0loopmsbs(i)<=acc8(i);endloop;endprocessselect1;acc<=msbs;room1:lpmromgenericmap(lpmwidth=>8,lpmwidthad=>8,lpmfile=>"sine.mif")portmap(address=>msbs,inclock=>clk,outclock=>clk,q=>sin);endddsgen;第42页，共51页，2023年，2月20日，星期四第43页，共51页，2023年，2月20日，星期四第44页，共51页，2023年，2月20日，星期四数字电路实现分频第45页，共51页，2023年，2月20日，星期四工作原理：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。第46页，共51页，2023年，2月20日，星期四华润: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PE3236一致第47页，共51页，2023年，2月20日，星期四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