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锁相式频率合成器设计1第一章概述1．1频率合成技术及其发展随着通信、数字电视、卫星定位、航空航天和遥控遥测技术的不断发展,对频率源的频率稳定度、频谱纯度、频率范围和输出频率个数的要求越来越高。为了提高频率稳定度,经常采用晶体振荡器等方法来解决,但它不能满足频率个数多的要求,因此,目前大量采用频率合成技术。频率合成的方法主要有三种：直接合成模拟式频率合成、直接数字频率合成和锁相频率合成。通过对频率进行加、减、乘、除运算,可从一个高稳定度和高准确度的标准频率源,产生大量的具有同一稳定度和准确度的不同频率。频率合成器是从一个或多个参考频率中产生多种频率的器件。它是现代通讯系统必不可少的关键电路,广泛应用于数字通信、卫星通信、雷达、导航、航空航天、遥控遥测以及高速仪器仪表等领域。以通信为代表的信息产业是当代发展最快的行业,因此,频率合成器也得到了较快发展,形成了完善的系列品种,市场需求也特别大。频率合成器的技术复杂度很高,经过了直接合成模拟式频率综合器、锁相式频率综合器、直接数字式频率综合器（DDS）三个发展阶段。直接合成模拟式频率合成器是通过倍频器、分频器、混频器,对频率进行加、减、乘、除运算,得到各种所需频率。直接合成法的优点是频率转换时间短,并能产生任意小的频率增量。但用这种方法合成的频率范围将受到限制。更重要的是,直接合成模拟式频率合成器不能实现单片集成,而且输出端的谐波、噪声及寄生频率难以抑制。因此,直接合成模拟式频率综合器已逐渐被锁相式频率综合器、直接数字式频率综合器取代。使用PLL技术实现的锁相式频率合成器在性能上较之RC、LC振荡源有很大提高,但外围电路仍然较复杂,且容易受外界干扰,分辨率难以提高,其它指标也不理想。近年来,直接数字频率合成器(DDS)的出现,使频率合成技术大大前进了一步。频率控制是现代通信技术中很重要的一环,获取宽带、快速、精细、杂散小的频率控制信号一直是通信领域中的一个重要研究内容。DDS技术是从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术,具有频率分辨率高、频率变换速度快、相位可连续线性变化等优点,在基于数字信号处理的现代通信频率控制中已被广泛采用。1971年,美国学者J.Tierncy、C.M.Rader和B.Gold提出了以全数字技术,从相位概念出发,直接合成所需波形的一种新的频率合成原理。限于当时的技术和器件水平,它的性能指标不能与已有的技术相比,故未受到重视。近20年间,随着技术和器件水平的提高,直接数字频率合成技术得到了飞速的发展,成为现代频率合成技术中的佼佼者。DDS具有超高速的频率转换时间,极高的频率分辨率,低的相位噪声,变频相位连续,容易实现频率、相位、幅度调制,全数字化控制等突出优点,已成为移动通信、卫星定位、数字通信等系统中信号源的首选。目前,在各种无线系统中使用的频率合成器普遍采用锁相式频率合成器,通过CPU控制,可获得不同的频点。锁相式频率合成器含有参考振荡器与分频器、可控分频器、压控振荡器及鉴相器、前置分频器等功能单元。频率合成器的最终发展方向是锁相式频率合成器、双环或多环锁相式频率合成器、DDS频率合成器,以及PLL加DDS混合式频率合成器。因此,锁相锁相式频率合成器设计2式频率合成器和直接数字式频率综合器受到各界关注,并得到迅猛发展。锁相式频率合成器是采用锁相环(PLL)进行频率合成的一种频率合成器。它是目前频率合成器的主流,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。通过改变分频系数N,压控振荡器就可以产生不同频率的输出信号,而输出信号的频率是参考信号频率的整数倍,因此称为整数频率合成器。其输出信号之间的最小频率间隔等于参考信号的频率,而这一点也正是整数频率合成器的局限所在。构成锁相式整数频率合成器的关键部分是锁相环,它是一个相位误差控制系统,通过比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位差,产生误差控制电压,调整压控振荡器的频率,以达到与输入信号同频。在环路开始工作时,如果输入信号频率与压控振荡器频率不同,则由于两信号之间存在固有的频率差,它们之间的相位差势必一直在变化,致使鉴相器输出的误差电压在一定范围内变化。在这种误差电压的控制下,压控振荡器的频率也在变化。若压控振荡器的频率能够变化到与输入信号频率相等,在满足稳定性的条件下,就在这个频率上稳定下来。达到稳定后,输入信号和压控振荡器输出信号之间的频差为零,相差不再随时间变化,误差电压为一固定值,环路进入“锁定”状态。环路滤波器的作用是滤除误差电压中的高频成分和噪声,以保证环路所要求的性能,增加系统的稳定性。锁相式分数频率合成器的输出信号频率不必是参考信号频率的整数倍,而可以是参考信号频率的小数倍,因此称为锁相式分数频率合成器。小数频率合成器输出信号的最小频率间隔,即输出频率精度,由参考信号频率和分数频率合成器的分辨位数决定。锁相式整数频率合成器输出信号的最小频率间隔等于参考信号的频率。为了精确控制输出信号的频率,需要采用频率很低的参考信号。在频率合成器的设计中,滤波器带宽通常低于参考信号频率的十分之一。为了获得较高精度的输出信号频率,同时防止参考信号的泄漏,必须使用带宽很窄的滤波器。但是,滤波器的带宽越窄,频率合成器的调整时间就越长。而锁相式分数频率合成器则可以在使用高频率的参考信号的同时,获得高精度的输出信号频率,放松了对滤波器带宽的限制,从而有效地解决了上述问题。频率合成器的一个重要指标是相位噪声。在滤波器通带内,输出信号的相位噪声是参考信号的相位噪声的N倍。显而易见,在保持输出信号频率不变的情况下,提高参考信号的频率可以有效地降低输出信号的相位噪声。理论上,参考信号的频率提高一倍,输出相位噪声下降6dB。小数频率合成器支持高频率的参考信号,因此,它的相位噪声指标好于整数频率合成器。当然,也可以通过减小滤波器带宽的方式来抑制相位噪声,但是,这样会延长频率合成器的调整时间。相对于整数频率合成器,小数频率合成器有精度高、相位噪声低、调整时间短,且参考信号泄漏小等优点。到目前为止,Δ-Σ小数频率合成器是最成功的频率合成器实现方式。频率合成器在国外已经发展得比较成熟,形成了各种类型的锁相式整数频率合成器、锁相式分数频率合成器、直接数字频率合成器、双环或多环锁相式频率合成器、DDS与PLL混合式频率合成器等完整系列品种,满足了通信、数字电视等领域的需要,形成了巨大的频率合成器市场。频率合成器的发展趋势是频率更高、系统功能更强、制作工艺更先进、集成度更高、成本更低、功耗更低、系列品种更加完善。双环或多环锁相式频率合成器、DDS与锁相式混合的频率合成器已经实现单片集成。频率合成器已经与通信系统收发信机的射频电路集锁相式频率合成器设计3成在一起,形成了集接收机、发射机、频率合成器于一体的SOC芯片。1．2锁相技术的发展概况30年代：锁相技术起源，提出无线电调幅信号的锁相同步检波技术。锁相同步检波器要求锁相环路以输入的标准调幅波vi中，能输出准确跟踪载波分量的等幅波v0(t)而它们相位保持很小常数或零。将v0(t)相移π/2后作为同步检波的参考信号vr(t)，从而即可实现对标准调幅波的解调，实现检波。40年代：电视技术得到迅速发展，电视接收机从行扫描振荡器输出中取出部分作反馈信号，和从同步分离器来的同步信号经鉴相器进行相位比较，得到相位误差信号经积分器得到控制信号，控制行扫描振荡器，实现同步扫描。50年代：随空间技术的发展，由杰费·里希廷利用PLL作为导弹信标的跟踪滤波器获得成功，解决了PLL最佳化设计问题。采用锁相技术制作锁相跟踪接收机，实现将深埋在噪声中的卫星发射的信号检测出来。60年代：前半期，由于锁相技术中的个别部件的制作费用仍然十分昂贵，所以在使用范围上仍然受到较大限制。由维特毕研究了无噪声锁相环路的非线性理论问题，并发表了相干通信原理。后期开始相继研制出集成锁相环部件和单片集成锁相环路。70年代：由于半导体技术和集成电路技术的飞速发展，使锁相技术越来越广泛的应用于电子技术领域。由林特费·查里斯进行了有噪声的一阶，二阶及高阶锁相环的非线性理论析,并作了大量实验论证分析。1970年4月24日我国发射第一颗人造卫星，把东方红的乐曲传遍了全球。80—90年代：锁相环路理论与研究日臻完善，应用范围遍及整个电子技术领域，随着通信及电子系统的飞速发展，促使集成锁相环和数字锁相环突飞猛进，现在品种齐全繁多，提高系统的工作稳定性和可靠性和小型化，目前仍朝着集成化，数字化，多用化方向迅速发展。1．3锁相环路的工作特点锁相环路(PhaseLockLoop，PLL)是一种自动相位控制(APC)系统，是现代电子系统中应用广泛的一个基本部件。它的基本作用是在环路中产生一个振荡信号(有时也称本地振荡)，这个信号的频率受控制电压的作用，当环路锁定时，振荡信号的输出频率与输入信号的频率完全相等，两个信号的相位差保持恒定。实现了无频率误差的信号跟踪，合理地选择PLL的直流增益、振荡频率和相应带宽可有效地改善环路性能，达到理想的效果。正常工作时锁相环路具有以下基本特性：(1)良好的窄带特性：当环路处于锁定状态时，鉴相器输出的误差电压Ud(t)是一个能顺利通过环路滤波器的直流电压，如果此时输入信号中有干扰成分，则干扰信号与VCO的输出信号在鉴相器PD中比较所形成的误差电压受到环路滤波器的抑制(处于低通的通频带外)，于是VCO的输出信号中的干扰成分大为减少，此时环路相当于一个滤除噪声的高频窄带滤波器，其通频带可以做得很窄，如在几十兆赫兹至几百兆赫兹的中心频率上实现几赫兹至几十赫兹的窄带滤波。这种窄带滤波特性是LC，RC、石英晶体等滤波器很难达到的。(2)锁定后没有频差：在环路处于锁定状态时，环路的输出信号和输入信号的频率相等，锁相式频率合成器设计4没有剩余频差，只有剩余相位差。它比AFC系统更好地实现了频率控制，因而在自动频率控制、频率合等技术方面获得了广泛的应用。(3)自动跟踪特性：一个已经处于锁定状态的环路，当输入信号的频率稍有变化时，VCO的频率立即发生相应的变化，使输出频率与输入频率接近并最终达到相等。有时环路虽未达到锁定状态，经过自身的调节作用可以捕捉到输入信号并最终锁定。(4)易于集成化：组成锁相环路的基本部件都易于采用集成电路，随着集成技术的发展，整个环路包括一些放大元件、控制元件等均可集成在1块芯片上，目前常用的主要有L562，L565，L564，CD4046等集成锁相环。集成化可以减小设备体积、降低成本、提高设备的可靠性和稳定性，大大提高整机性能。由于锁相环路性能优越，现广泛用于无线电通信技术中，可实现滤波、模拟和数字信号的调制与解调、倍频、分频、混频、频率合成等方面。锁相式频率合成器设计5第二章锁相频率合成器的设计现代科技的发展对电子信号源提出了越来越高的要求,要求信号源的频带宽、频率分辨率高、频率稳定度高、能产生复杂的波形、相位噪声和杂散很低、能程控等。这些技术要求用普通的模拟电路技术是达不到的,频率合成技术是产生大量高精度频率信号的主要技术。频率合成器是一种相位锁定装置,是通讯、雷达、仪器仪表、高速计算机和导航设备中的一个重要组成部分。2．1锁相频率合成器工作原理基本的数字锁相式频率合成器如图2.1所示。当锁相环锁定后，相位检波器（鉴相器PD）的两个输入信号的频率是相同的，即fr=fd（1）VCO输出频率fo经N分频得到fd=fo/N（2）所以，输出频率是参考频率fr的整数倍，即fo=Nfr（3）图2.1基本锁相频率合成器这样，环路中带有分频器的锁相环就提供了一种从单个参考频率获得大量频率的方法。如果用一可编程分频器来实现分频比N，就很容易按增量fr来改变输出频率带有可编程分频器的锁相环为合成大量频率提供了一种有效的方法，合成频率都是参考频率的整数倍，而此参考频率就是此频率合成器的分辨率。基本数字锁相频率合成器存在以下几个问题。首先，从式（3）可知，频率分辨率等于fr，即输出频率只能以参考频率fr为增量来改变。为了提高频率合成