笫8章 頻率合成技術(shù)

笫8章頻率合成技術(shù)

概述頻率合成的基本方法主要技術(shù)指標(biāo)相位噪聲直接頻率合成法鎖相頻率合成法鎖相頻率合成器的基本構(gòu)成鎖相頻率合成器方案設(shè)計中的一些考慮鎖相頻率合成器的實際構(gòu)成方案直接數(shù)字式頻率合成

頻率合成器集成電路（*）2001年9月--12月1《通信電路原理》--無九為了實現(xiàn)高質(zhì)量的無線電通信，減少各種外界因素對傳輸信號的干擾，近代通信系統(tǒng)往往要求通信機具有大量的、可供用戶選擇和迅速更換的載頻振蕩信號。概述頻率合成器能夠?qū)崿F(xiàn)上述要求。例如移動通信：要求在150、400、900、1800MHz頻率附近提供上百個頻率點要求這些頻率點的載波振蕩頻率穩(wěn)定度與精度，都應(yīng)滿足系統(tǒng)的性能要求，并能迅速變換。晶體振蕩器無法滿足上述要求2001年9月--12月2《通信電路原理》--無九概述

頻率合成是指以一個或數(shù)個參考頻率源為基準(zhǔn)，在某一頻段內(nèi)，通過一定的變換與處理后綜合產(chǎn)生并輸出多個工作頻率點的過程?；谶@個原理制成的頻率源稱為頻率合成器。制作高質(zhì)量頻率源成為軍用（電子對抗）、民用（通信、廣播電視、儀器等）研制工作的一項關(guān)鍵課題。

這些離散頻率的頻率穩(wěn)定度和精度均與基準(zhǔn)頻率相同。這些離散頻率能在很短時間內(nèi)，由某一頻率變換到另一頻率。頻率合成的基本方法主要有三類，直接式頻率合成，鎖相頻率合成（亦稱間接式頻率合成）及直接數(shù)字式頻率合成2001年9月--12月3《通信電路原理》--無九頻率合成器的主要技術(shù)指標(biāo)（1）工作頻率范圍頻率合成器最高與最低輸出頻率所確定的頻率范圍，稱為頻率合成器的工作頻率范圍。（2）頻率間隔每個離散頻率（或信道）之間的最小間隔稱為頻率間隔。又稱分辨力。（3）頻率轉(zhuǎn)換時間由一個工作頻率轉(zhuǎn)換到另一個工作頻率并使后者達到穩(wěn)定工作所需的時間。工作頻率范圍；頻率間隔；頻率轉(zhuǎn)換時間；頻率穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度；頻譜純度。2001年9月--12月4《通信電路原理》--無九頻率合成器的主要技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）（4）頻率穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度頻率穩(wěn)定度是指在規(guī)定觀測時間內(nèi)，合成器輸出頻率偏離標(biāo)稱值的程度。準(zhǔn)確度則表示實際工作頻率與其標(biāo)稱值之間的偏差.（5）頻譜純度頻譜純度是指輸出信號接近正弦波的程度?？梢杂幂敵龆说挠杏眯盘栯娖脚c各寄生頻率總電平之比的分貝數(shù)表示。有用信號頻率成分；各寄生信號頻率成分：有用信號的各次諧波成分；存在各種周期性干擾（混頻器的高次組合頻率）；干擾引起的隨機相移（相位噪聲）。穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度有著密切的關(guān)系，因為只有頻率穩(wěn)定度高，頻率準(zhǔn)確度才有意義2001年9月--12月5《通信電路原理》--無九輸出信號頻率及各種干擾成分返回2001年9月--12月6《通信電路原理》--無九頻譜純度對通信系統(tǒng)的影響頻率合成器輸出信號頻譜不純，對接收機和發(fā)射機都會產(chǎn)生不良影響頻譜不純的發(fā)射信號將對鄰道信號產(chǎn)生干擾接收機的混頻器可將本振噪聲轉(zhuǎn)移到中頻段，將降低中頻信號的信噪比本振噪聲會干擾數(shù)字通信載波信號中的相位噪聲和本振中的相位噪聲直接影響數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率相位噪聲和雜散是頻率合成器（振蕩器）最重要的性能指標(biāo)之一2001年9月--12月7《通信電路原理》--無九相位噪聲－－頻率穩(wěn)定度在頻域中的表征。一般用偏離載頻f處單邊帶相位噪聲功率譜密度與信號總功率之比來表示，單位dB/Hz或dBc/Hz，如：某VCO離中心頻率10KHz的相噪-90dBc/Hz產(chǎn)生原因：由于相鄰信號的干擾，頻率合成器的輸出信號將不再是一個正弦波，而成為一調(diào)幅調(diào)相波。相位噪聲相位噪聲在振蕩器輸出信號中的表示由于振蕩器存在有源器件、電阻等噪聲及外部干擾，它們通過振蕩器這個非線性系統(tǒng)時，對它的輸出信號幅度和相位都可能進行調(diào)制，實際振蕩器的輸出信號是調(diào)幅調(diào)相波。2001年9月--12月8《通信電路原理》--無九單頻信號的頻譜及相位噪聲2001年9月--12月9《通信電路原理》--無九相位噪聲在振蕩器輸出信號中的表示第一項為載波電壓Vomcosct,第二項為載波信號Vomsinct受到相位噪聲n(t)調(diào)制的雙邊帶信號。振蕩器輸出信號的頻譜是一根載波頻譜和被搬移到載波兩邊的相位噪聲頻譜的疊加。對于頻率合成器，寄生調(diào)幅的影響較小，只考慮相噪相位噪聲的特點：在=o處為無窮大，距離中心頻率越遠，其值越小。噪聲頻譜與諧振回路有載Q值有關(guān)，Q值越大，曲線越尖銳，相位噪聲衰減得越快。－－提高振蕩回路的Q值是減小相噪的關(guān)鍵2001年9月--12月10《通信電路原理》--無九直接頻率合成法

采用對頻率具有加減乘除四則運算功能的混頻器、倍頻器、分頻器和具有選頻功能的濾波器的不同組合來實現(xiàn)頻率合成的方法，一般稱為直接頻率合成法。倍頻器分頻器混頻器

頻率間隔為：

離散頻率數(shù)由倍頻器的可變倍頻次數(shù)M決定。主要缺點：有較多的非線性電路，可能產(chǎn)生寄生干擾，使輸出信號頻譜純度降低。接入了大量的、濾波性能要求較高的頻帶濾波器，從而使設(shè)備體積龐大，造價也十分昂貴。2001年9月--12月11《通信電路原理》--無九直接頻率合成（續(xù)）舉例1：已知基準(zhǔn)頻率=1MHz。分頻分頻分頻混頻混頻倍頻帶通濾波帶通濾波諧波發(fā)生器晶振缺點：頻率范圍有限；離散頻率數(shù)不能太多；輸出信號中的寄生頻率成分和相位噪聲顯著加大；設(shè)備變得龐大。2001年9月--12月12《通信電路原理》--無九

鎖相頻率合成法鎖相頻率合成器，由基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生器和鎖相環(huán)路兩部分組成基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生器為合成電路提供一個或幾個高穩(wěn)準(zhǔn)的參考頻率鎖相環(huán)路利用其良好的窄帶跟蹤特性，使頻率準(zhǔn)確地鎖定在參考頻率上，并使被鎖定的頻率具有與參考頻率一致的頻率穩(wěn)定度和較高的頻譜純度鎖相頻率合成器的性能，取決于這兩部分的性能，尤其是環(huán)路的跟蹤特性、濾波特性和噪聲特性主要優(yōu)點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單；輸出頻率成分的頻譜純度高；易于得到大量的離散頻率；易于集成化。主要缺點：頻率轉(zhuǎn)換時間長；單環(huán)頻率合成器的頻率間隔不能做得很小。2001年9月--12月13《通信電路原理》--無九鎖相頻率合成法VCOLFPD程序分頻器頻道選擇（1）數(shù)字鎖相頻率合成器基本原理返回一返回二是參考頻率，由晶體振蕩器振蕩頻率分頻得到。當(dāng)環(huán)路鎖定時，鑒相器兩輸入信號的頻率相等。改變N即可獲得不同的輸出頻率。2001年9月--12月14《通信電路原理》--無九當(dāng)=100kHz，分頻比N在31～316范圍內(nèi)變化時，輸出頻率范圍將為3.1～31.6MHz，頻率間隔為100KHz。

當(dāng)=100Hz，分頻比N=30000～39999時，輸出頻率將為3～3.9999MHz，頻率間隔為100Hz。例如，上圖中頻率合成器輸出頻率為：分頻比N范圍一定時，頻率間隔越大（分辨力越低），頻率合成器工作范圍越寬。數(shù)字鎖相頻率合成器（續(xù)1）2001年9月--12月15《通信電路原理》--無九數(shù)字鎖相頻率合成器（續(xù)2）－討論

(2)、參考頻率對環(huán)路性能的影響輸出頻率的分辨力，等于輸入鑒相器的參考頻率，即越小，輸出信號的頻率分辨力將越高。小環(huán)路頻率轉(zhuǎn)換時間

大，

因此減小與減小及抑制VCO噪聲往往成了對頻率合成器提出的相互矛盾的要求。

對于輸出頻率較高，當(dāng)很小時，分頻比N的變化將很大，此時環(huán)路線性化傳遞函數(shù)也變化很大，如N＝1～1000，開環(huán)增益有60dB變化，影響環(huán)路的動態(tài)工作性能。上圖

小，對抑制VCO噪聲不利。(為抑制及其諧波環(huán)路帶寬應(yīng)小于）2001年9月--12月16《通信電路原理》--無九數(shù)字鎖相頻率合成器（續(xù)3）(3)、可編程分頻器工作速度的影響

對于一個分頻比固定的分頻器，目前已有工作在500MHz、800MHz甚至千兆赫的集成器件可供選用?？删幊谭诸l器的工作頻率則要低很多，TTL部件構(gòu)成的可編程分頻器，上限頻率約為幾十MHz，CMOS部件構(gòu)成的可編程分頻器，上限頻率則更低。而大多數(shù)通信系統(tǒng)的工作頻率則要上百、上千MHz。

可編程分頻器是數(shù)字鎖相頻率合成器的重要部件。

其分頻比的數(shù)目，決定了合成器輸出信道的數(shù)目。

程序分頻器的輸入頻率，也是合成器的輸出頻率。

存在合成器輸出頻率與可編程分頻器的工作速度之間的矛盾。上圖2001年9月--12月17《通信電路原理》--無九數(shù)字鎖相頻率合成器（續(xù)4）－－方案（1）、含前置分頻器的鎖相頻率合成器在主分頻器前，接入分頻比恒定的前置分頻器，以降低主分頻器（可編程分頻）的工作頻率。鑒相VCO低通主分頻器前置分頻器參考分頻器晶振當(dāng)改變N時，輸出頻率將為以為間隔的離散頻率系列?？梢姳痉桨甘且约哟箢l率間隔為代價，換取合成器工作在較高的頻段。2001年9月--12月18《通信電路原理》--無九數(shù)字鎖相頻率合成器（續(xù)5）（2）采用吞脈沖可變分頻器的鎖相頻率合成器1、吞脈沖可變分頻器組成框圖N大于A頻道選擇主計數(shù)器模式控制輔助計數(shù)器雙模前置分頻器“1”---計數(shù)“0”---停止“1”---“0”---返回去鑒相器來自VCO2001年9月--12月19《通信電路原理》--無九數(shù)字鎖相頻率合成器（續(xù)6）

模式控制電路為高電平時，雙模分頻器的分頻比為。

模式控制電路為低電平時，雙模分頻器的分頻比為。

N（主計數(shù)器）>A（輔助計數(shù)器）。

計數(shù)起始時，設(shè)模式控制電路輸出為高電平，則輸入端重復(fù)頻率為的脈沖輸入時，雙模分頻器和兩計數(shù)器同時計數(shù)，直到輔助計數(shù)器計滿A個脈沖，使模式控制電路輸出電平降為低電平，雙模分頻器分頻比變?yōu)椤翽。

此后繼續(xù)輸入脈沖，雙模分頻器與主分頻器繼續(xù)工作，直到主計數(shù)器計滿N，模式控制電路重新恢復(fù)高電平，雙模分頻器恢復(fù)÷（P+1）分頻比，各部件進入第二個計數(shù)周期為止。

在一個計數(shù)周期內(nèi)，總計脈沖量為：上圖2001年9月--12月20《通信電路原理》--無九數(shù)字鎖相頻率合成器（續(xù)7）

吞脈沖分頻比為：

采用吞脈沖分頻器構(gòu)成頻率合成器時，其最小頻率間隔可以做到等于，而輸出頻率則為：頻率分辨力仍為，環(huán)路頻率轉(zhuǎn)換時間沒有變化。這是因為上式中有和項（A為分頻比的個位）

。2001年9月--12月21《通信電路原理》--無九數(shù)字鎖相頻率合成器（續(xù)7）2、采用吞脈沖可變分頻器的鎖相頻率合成器鑒相VCO低通晶振雙模前置分頻器主計數(shù)器輔助計數(shù)器模式控制參考分頻器“1”---“0”---頻道選擇頻道選擇2001年9月--12月22《通信電路原理》--無九方案（3）、多環(huán)頻率合成器－解決單環(huán)頻率間隔受限PD1LF1VCO1可變÷N1÷100（-）PD3LF3VCO3PD2LF2VCO2可變÷N2頻率間隔為fi/1002001年9月--12月23《通信電路原理》--無九實用頻率合成器芯片－－并行碼輸入編程2001年9月--12月24《通信電路原理》--無九采用MC145152的頻率合成器電路R＝20482001年9月--12月25《通信電路原理》--無九西門子手機芯片PMB2307R三總線控制的頻率合成器芯片－－2001年9月--12月26《通信電路原理》--無九PMB2307頻率合成器電路2001年9月--12月27《通信電路原理》--無九舉例2：若含吞脈沖分頻器的鎖相頻率合成器，其雙模分頻器的分頻數(shù)為÷41/40，主計數(shù)的N=3～1023，輔助計數(shù)器的A=3～127，已知參考頻率=5KHz，要使輸出頻率=136.550MHz，兩計數(shù)器N和A應(yīng)預(yù)置于何值？2001年9月--12月28《通信電路原理》--無九

舉例可列出：27310=40N+A頻率點數(shù)：4萬多。解：由和可得出合成器環(huán)路分頻器的分頻數(shù)應(yīng)為：先忽略A，求得：N=27310/40=682.75，取N=682則余數(shù)A值為：A=27310-40×682=30即當(dāng)=5kHz時，將÷N、÷A兩計數(shù)器分別置于N=682和A=30，即可使輸出頻率=136.550MHz。2001年9月--12月29《通信電路原理》--無九直接數(shù)字頻率合成（DDS）通過對相位的運算進行頻率合成。

主要優(yōu)點：相位連續(xù)；分辨力高（可達0.001Hz）；工作頻率范圍寬，容易做到極低的頻率；轉(zhuǎn)換頻率的時間短（幾乎是即時的頻率轉(zhuǎn)換），以及成本低、控制靈活等。主要缺點：輸出頻率上限不太高，受限于器件可用的最高時鐘頻率；總輸出噪聲電平較高。（DirectDigtialFrequencySynthesis簡稱DDFS或DDS）是近年來發(fā)展起來的一種將先進的數(shù)字處理理論與方法引入信號合成領(lǐng)域的一項新技術(shù)（第三代）。主要的理論依據(jù)是時域抽樣定理。2001年9月--12月30《通信電路原理》--無九直接數(shù)字頻率合成基本原理（1）時域抽樣定理，即Nyquist定理

對于任意一個頻帶小于的連續(xù)信號s(t)，如果以的間隔對它進行等間隔地抽樣，則所得到的離散抽樣值包含著連續(xù)信號s(t)的全部信息，通過這些抽樣值可以恢復(fù)s(t)。余弦信號可表示為：抽樣信號為：如果能構(gòu)造一個抽樣信號，并使其通過一個理想的低通濾波器，就能得