频率合成技术

6.8频率合成技术频率合成器的主要技术指标：1）频率范围频率合成器的输出频率最小值minof和最大值maxof之间的变化范围，即频率合成器的工作频率范围。也可以用频率覆盖系数maxminoofkf表示。2）频率间隔（分辨率）相邻频率之间的最小间隔为频率合成器的频率间隔。如：对短波单边带通信来说，多取频率间隔为100Hz有的甚至取为10Hz、1Hz乃至0.1Hz。对超短波通信来说，频率间隔多取为50kHz或10kHz。用途不同，要求的频率间隔不同。3）频率转换时间从一个工作频率转换到另一个工作频率并达到稳定工作所需要的时间。频率稳定度是指在规定的时间间隔内，合成器频率偏离标称值的程度。4）频率稳定度与准确度5）频谱纯度频谱纯度是指输出信号接近正弦波的程度，是频域指标。频率准确度是指实际工作频率偏离标称值的数值，即频率误差。实现频率合成的方法：有直接合成法、间接合成法（锁相环路法）以及直接数字频率合成法。理想的正弦信号的频谱只有一根谱线，但实际的正弦信号由于噪声的影响不可能只有一根谱线。在有用信号频谱的两边，总有一些不需要的离散谱和连续谱，这些离散谱称为杂波，连续谱称为噪声。6.8.1锁相频率合成器锁相频率合成是应用锁相环路的频率合成方法，从一个高稳定度和高准确度的基准频率合成大量的离散频率，基准频率产生器提供一个或几个参考频率，锁相环路利用其良好的窄带跟踪特性，使压控振荡器的输出频率准确地稳定在参考频率或某次谐波上。1、单环频率合成器图6.8.1为带有前置分频器的数字频率合成器。固定分频器的工作频率一般高于可变分频器的工作频率。图6.8.1带有前置分频器的数字频率合成器框图1）带有前置分频器的数字频率合成器当改变可变分频器时，就可以输出不同的合成频率。环路锁定时，输出频率为oifNPf低了P倍，可以把参考频率也降低P倍来克服这一缺点，但降低鉴相器的参考频率会使锁相环路的许多性能变坏。可见它是以加大频率间隔，降低分辨率为代价换取输出频率的提高。解决这一问题的方法是采用下变频和双模前置分频法来保持频率分辨率不变。ifPf，即频率分辨率降频率合成器的频率分辨率为（2）设置前置混频器的频率合成器图6.8.2为设置前置混频器的频率合成器图6.8.2设置前置混频器的频率合成器由图知，电路是对压控振荡器的输出频率进行混频并取差频，从而降低可变分频器的输入信号的频率。由图知，可变分频器的输入信号的频率为oLff当环路锁定时，oLifffN输出频率为oLiffNf在锁相环路中插入混频器和滤波器，使锁相环路的电路复杂，滤波器会使环路性能变坏，混频过程必然会产生组合频率分量，造成输出信号的频谱纯度下降。为此，可以采用吞脉冲频率合成器。边，因此环路性能和本地载频没有直接关系，环路的分析和参数的计算和基本单环合成器相同。合成器的输出频率，但并没有降低频率分辨率，这种频率合成器只是用混频器把频率iNf搬移到了Lf频率两可见这时频率分辨率仍然为if，这种方法提高了频率（3）吞脉冲频率合成器吞脉冲频率合成器（双模前置分频器型单环频率合成器）：将前置分频器用双模分频器（Two-ModulusDivider）取代，以保持频率间隔为if的前提下提高输出频率。它的组成框图如图6.8.3所示。图6.8.3吞脉冲频率合成器组成框图在一个计数周期内，总计脉冲数即分频比为(1)()tNPAPNAAPN频率合成器的输出频率为()otiifNfAPNf上式表明，与简单的频率合成器相比，of提高了P倍，而频率分辨率仍保持为if。其中A为个位分频器，又称尾数分频器。（4）集成频率合成器件，图6.8.4为采用MC145152和双模分频器MC3393P构成的吞脉冲型频率合成器电路。图6.8.4采用MC145152构成的吞脉冲型频率合成器在不降低参考频率的情况下，提高频率分辨率的一个2、多环频率合成器方法就是采用多环频率合成的方法，常见的有双环和三环的频率合成器。图6.8.5所示是一个三环频率合成器框图，它由三个锁相环路和一个混频电路构成，设环路A输出频率为。af经过一个M倍的固定分频器后得到AfaAAifNffMM频率分辨率为1AiffM显然比单环合成器的频率分辨率提高了M倍。因此一般称环路A为高分辨率环。设环路B的输出频率为BfBBifNf频率分辨率为Biff环路C是混频相加环，将环路B的输出频率和环路C的输出频率混频之后得到（oBff），并送到鉴相器和Af做相位比较，可得到输出频率AoABiBiNffffNfM图6.8.5三环频率合成器框图6.8.2直接数字频率合成器直接数字式频率合成器（DigitalDirectSynthesizer，简称为DDS）是以数字信号处理理论为基础，从信号的幅度相位关系出发进行频率合成的。与传统的频率合成器相比，DDS具有极高的分辨率、快速的频率转换时间、很宽的相对带宽、任意波形的输出能力和数字调制等优点。根据奈奎斯特取样定理，从连续信号的相位出发，对一个正弦信号取样、量化、编码，形成一个正弦函数表，储存在只读存储器中，合成时通过改变相位累加器的频率控制字，改变相位增量，相位增量的不同导致一周期内的取样点不同，从而使得输出频率不同。直接数字式频率合成的的思路是：图6.8.6直接数字式频率合成原理框图图6.8.6所示是直接数字式频率合成的基本原理框图。若累加器的宽度为N位，查询表ROM的输出位数为M，则2N就相当于2rad，位中的最低有效位相当于N22Nrad,即最小的相位增量，对应的相位为f22fNrad时钟周期。简单工作原理：设时钟频率为cf，输出频率为of，频率建立字FSW用相位增量f表示。完成一个周期的正弦波输出需要2222NfNf个参考所以一个参考时钟周期cT内输出频率的周期为2NocfTT或2focNff输出频率与查询表ROM的输出位数M无关。在一定的时钟频率cf下，相位增量f决定了合成信号的频率，故被称为频率控制字，习惯上用fK表示。因此合成信号的频率为2ocNKffcf当时钟频率固定时，改变频率控制字K，可以改变合成信号的频率of。当1K时，输出频率最低，即12onimocNfff式中of为DDS的频率分辨率。DDS与前两种频率合成器相比，其特点主要表现在以下几个方面：1K，因而其最低频率为12onimcNff式中，N为累加器的宽度或字长，当很大时，最低输出N数量级。最高频率受限于时钟频率频率可达Hz甚至mHz①DDS具有极宽的工作频率范围。DDS输出频率的下限对应于频率控制字和奈奎斯特抽样定理，即每周期至少取样两次才能够重建波形，因此最大的合成频率为max12ocff实际应用中，一般取max0400ocff辨率就是它的最低频率，即12ocNff在时钟频率cf确定后，频率分辨率由相位累加器的字长N决定，只要N足够大，就可以获得足够高的频率分辨率。例如当50MHzcf，48N位，可达到of60.1810是传统的频率合成器所不及的。②DDS具有极高的频率分辨率。DDS的频率分of③DDS具有极短的频率转换时间。由于DDS是开环系统，无反馈环节，所以DDS的频率转换时间可以近似认为是即时的，高速DDS系统的频率转换时间可达纳秒量级。④任意波形输出能力。DDS可以合成任意波形。合成的主要方法就是找出相应波形幅度和相位的关系，最简单的方法是改变ROM查询表中的数据，很多DDS合成器可以输出正弦波、方波、三角波等任意波形。