微波电子线路：频率合成器

1、微波电子线路:频率合成器 2锁相环的基本组成与原理一、反馈控制电路目的： 使输出量随输入量的变化而变化。输入量不变时，抑制其它因素变化所引起的变化。特点： (1) 输出与输入之差为系统控制动作的起源。 (2) 负反馈以减小误差 (3) 对外部干扰和内部参数变化的影响具有抑制作用 (4) 有利于减小系统的非线性失真3锁相环的基本组成与原理二、控制系统与信号处理电路 对于同一个电路，从信号处理角度来讨论的输入输出及处理电路，于从控制角度所讨论的输入输出及处理电路是两个完全不同的概念：信号处理：对输入信号处理以得到有用的信息输出;反馈控制：对信号处理电路的某些参量进行控制，使信号处理电路的参数或指标

2、符合我们的要求。性能： 稳定性： t 系统作用 误差。系统收敛。 快速性：在尽量短的时间内消除误差。 准确性：使剩余误差尽量小。4锁相环的基本组成与原理锁相环的组成 锁相环是一种相位负反馈技术，通过比较输入信号与压控振荡器的输出信号的相位，取出与这两个信号的相位差成正比的电压作为误差电压来控制振荡器的频率，达到使其与输入信号频率相等的目的。5锁相环的基本组成与原理三、锁相环的组成及数学模型1、鉴相器检测出两个输入电压之间的瞬时相位差，并产生相应的输出电压vd(t)。 输入信号电压vi(t) 输出信号电压vo(t) 6锁相环的基本组成与原理输入固有角频差：输入信号频率偏离VCO自由振荡频率的值。

3、控制角频差：受控VCO的频率与其自由振荡频率之间的差值。瞬时角频差：受控VCO的瞬时频率与输入信号频率之间的差值。7锁相环的基本组成与原理实际中经常使用模拟乘法器鉴相器，它并不满足线性关系，而是一个正弦鉴相环节：当 时，正弦鉴相可以近似为线性。由于乘法器鉴相器的特性是非线性的，由此导致整个环路的特性为非线性的。理想鉴相器应该产生一个与输入信号相位差成正比的控制电压信号 ，其中Ad为鉴相灵敏度。8锁相环的基本组成与原理2、环路滤波器（Loop Lowpass Filter)目的：滤除鉴相器输出电压信号中的无用组合频率分量和其他干扰分量，改善控制电压频谱纯度，提高系统稳定性；方式：采用低通滤波器取

4、出鉴相器输出的平均分量。效果：通过使用不同的电路，可选择不同的滤波频率特性AF(p)（p是微分算子d/dt），从而对环路的动态性能和稳定性产生影响。9锁相环的基本组成与原理常用的环路滤波器有如下几种形式： (a) 简单RC滤波器 (b)无源比例积分滤波器10锁相环的基本组成与原理 (c)有源比例积分滤波器环路滤波器的主要指标：带宽、直流增益和高频增益。简单RC滤波器：直流增益为1，高频增益为0；无源比例积分器：直流增益为1，高频增益趋于t2/(t1+t2);有源比例积分器：直流增益趋于无穷，高频增益趋于t2/t111锁相环的基本组成与原理3、压控振荡器产生频率随控制电压变化的振荡电压。压控振荡

5、器的输出频率受控制电压vc的控制而变化。一般情况下认为wvc特性是线性的。P是微分算子，1/p表示积分12锁相环的基本组成与原理四、环路基本方程13锁相环的基本组成与原理环路基本方程给出了以下基本关系： 瞬时频差控制频差固有频差若固有角频差 Dwi(t)=Dwi 为常数，即vi(t)为恒定频率的输入信号，则环路在进入锁定的过程中，瞬时角频差不断减小，而控制角频差不断增大，但二者的和恒等于Dwi，直到瞬时角频差pje(t)=0，而控制角频差增大到Dwi时，VCO振荡角频率等于输入信号角频率(wo=wi)，环路进入锁定。环路锁定时，相位误差je(t)为一固定值，称之为剩余相位误差或稳态相位误差。1

6、4锁相环的跟踪特性跟踪：处于锁定状态的环路，若输入信号频率或相位发生变化，环路通过自身调节，来维持锁定状态的过程.捕捉：处于失锁状态的环路，通过自身的调节作用，从失锁变为锁定的过程。同步带 (Tracking Range, Hold in Range)能够维持锁定所允许的输入信号频率偏离wr的最大值|Dwi|捕捉带 (Capture Range, Pull in Range)能够进入锁定所允许的最大|Dwi|15锁相环的跟踪特性一、静态特性 1、锁定时瞬时频差为零进入鉴相器的两个信号频率相等2、稳态相位误差锁定时两个输入信号的相位误差是一个常数，称为稳态相位误差。该误差产生控制电压vc去控制V

7、CO的频率，使之与输入信号频率相等。锁定时16锁相环的跟踪特性说明： (a)为使稳态相位误差减小，需要增加环路直流总增益AS0，或减小输入固有角频差Dwi。 (b)当Dwi增大时，je增大，即Dwi越大，将VCO振荡频率调整到等于输入信号频率所需的控制电压越大，因而产生该电压的je也越大。 (c)当DwiAS0时，je不存在，表明环路不存在使它锁定的稳态相位误差，也就是输入固有角频差过大，环路无法锁定。17锁相环的跟踪特性3、同步带 能够维持环路锁定所允许的最大输入固有角频差，此时的Dwi记做DwH 。 该结论在假设VCO的频率控制范围足够大的条件下才成立。满足条件时，同步带主要受鉴相器最大输

8、出电压限制。若DwH大于VCO的频率范围，那么即使有足够大的控制电压加到VCO上，也不能将VCO的输出频率wo调整到wi上。18锁相环的跟踪特性二、跟踪特性跟踪性能是表示环路跟随输入信号频率或相位变化而变化的能力.讨论跟踪特性时，由于误差相位je的值一般很小，可以近似用线性函数逼近鉴相器的鉴相特性，从而使用线性系统分析的方法来进行分析。19锁相环的跟踪特性线性化的PLL系统框图乘法器鉴相器线性化为：从而得到线性化的环路方程：对于用线性微分方程所表征的系统，可以采用传递函数的方法进行分析。20锁相环的跟踪特性开环传递函数闭环传递函数误差传递函数21锁相环的跟踪特性说明根据近似线性条件要求，相位误

9、差不得高于p/6传递函数描述的是相位传递过程，其中的s代表输入、输出信号相位变化的频率，而不是输入信号的载频H(s)具有低通特性He(s)具有高通特性传递函数的具体形式采用不同环路滤波器时，H(s)、He(s)和Ho(s)具有不同的形式22锁相环的跟踪特性一阶环路（环路滤波器为纯阻性网络 AF(p)=AF）的传递函数：二阶环路（采用理想运放构成的有源比例积分滤波器）的传递函数：23锁相环的跟踪特性跟踪特性表现为两种响应：瞬态响应输入信号的载频或者相位发生阶跃变化时，系统的输出响应，描述了环路恢复到锁定状态的整个跟踪过程着重关注：相位误差最大跳变；稳态相位误差；趋稳时间正弦稳态响应输入信号的频率

10、（或相位）为正弦变化时，系统的输出响应24锁相环的跟踪特性输入为相位阶跃信号：相位阶跃输入为频率阶跃信号：相应的一阶环路瞬时相差je(t) 分别为:频率阶跃2022/7/29Information&Communication Engineering Dept. XJTU25锁相环的跟踪特性对于相位阶跃，二阶环路瞬时相差je(t)为：26锁相环的跟踪特性二阶环路对相位阶跃的跟踪过程27锁相环的跟踪特性对于频率阶跃，二阶环路瞬时相差je(t)为：28锁相环的跟踪特性二阶环路对频率阶跃的跟踪过程29锁相环的跟踪特性 PLL的频率响应: 在ji的变化为正弦型（频率为W）的情况下， jo跟踪ji变化，也

11、为正弦型的。跟踪的性能取决于环路的闭环传递函数H(s)。从H(s)的表达式可以看出，主要取决于环路滤波器的频率特性。如果输入是一个调频信号，其频率和相位的表达式为：令wi等于VCO的自由振荡频率wr，则有：30锁相环的跟踪特性又由VCO的特性可知，有：比较这两个式子，可以得到：若vW落在H(s)的通频带内，则可以有效地被选频输出在vc处，相当于以一个十分容易实现的低通滤波器实现了窄带滤波加解调的作用。实际中可以用来实现调频信号解调。经过环路作用得到的响应为：31锁相环的应用锁相环路具有优良的应用性能：(1) 锁定时无频差假如锁相环路输入固定频率的载波信号,环路对它锁定之后,输出与输入之间只有某

12、一固定的相位差,频差则等于零.这是锁相环路区别于其它任何反馈控制系统的一大特点,用它可以实现无误差的频率跟踪. 32锁相环的应用(2)良好的窄带跟踪特性锁相环路在锁定输入载波信号的同时,可以对噪声进行过滤,完成窄带滤波器的作用.假如输入载波信号的频率发生漂移,通过合理的设计,锁相环路可以跟踪输入信号的频率漂移,同时仍维持窄带滤波作用.即变成一个窄带跟踪滤波器.例如,在几十兆赫的载频上可以实现几十赫兹的带宽,跟踪范围则可达到几十千赫兹.这是应用其它技术难于实现的.33锁相环的应用(3)良好的调制跟踪特性锁相环路也可以设计成跟踪输入信号的瞬时相位变化.这时环路既可以输出经过提纯的已调制信号,使得信

13、噪比比输入的已调信号明显提高,也可以作为解调器输出解调信号,且解调性能明显优于常规的解调器.(4)门限性能好锁相环路本质上是一个非线性系统,在较强的噪声作用下,同样也存在门限效应.但是,把用于调频解调器时比一般限幅-鉴频器的门限改善可达45dB左右.34锁相环的应用(5)易于集成化锁相环路的基本部件都易于采用模拟集成电路.环路实现数字化后,更易于采用数字集成电路.随着大规模集成技术的发展,已经可以将整个锁相环路,甚至连同应用中所需的其它外部电路集成在同一个基片上,制成所谓单片集成锁相环路.集成化锁相环路体积小,成本低,可靠性好,受到用户的欢迎.甚至在消费类电子产品如收音机、彩色电视接收机中也得

14、到广泛应用。35锁相环的应用一、锁相接收机外空间飞行器通信信号具有信号带宽窄（几十Hz）、载波漂移大（多普勒频移：kHz数量级）的特点。采用kHz滤波器会放进来大量的噪声，影响系统性能。=锁相接收机中频频率锁定在f4上，有用信号经鉴相器（乘法器）解调输出。环路滤波器选出输出中的慢变化载频漂移信号进行反馈控制，使得f2始终跟踪f1的变化，保持中频频率基本不变。36锁相环的应用二、锁相调频与解调由于环路滤波器的带宽远远小于调制信号的最低频率，故调制信号不参与环路的反馈控制作用。VCO中心频率漂移的缓慢变化被环路的控制作用消除，保证VCO输出的调频波的中心频率基本上维持在晶振频率上。37锁相环的应用

15、只要环路的闭环传递函数带宽大于调制信号的带宽，则可用来实现调频信号解调。VCO的控制电压与调制信号成正比。38锁相环的应用三、调幅信号锁相解调可以用PLL来恢复调幅信号同步解调所需的本地参考信号。39锁相环的应用四、锁相倍频（频率合成器）由于在鉴相器处有 wi=wo ,故有 wo=Nwi 。40频率合成器频率合成是指用一个或几个参考频率来综合出所需的、等间隔变化的输出频率的技术。输出信号的频率稳定度与参考信号的频率稳定度相同，输出频率值可以用数字的方法迅速地选择切换。频率合成器的技术指标频率范围：输出频率的最小值到最大值间fminfmax的变化范围。频率覆盖系数 k=fmax/fmin41频率

16、合成器频率分辨率（频率间隔）：输出频率的最小变化间隔fch。转换时间：频率范围内的任意两个输出频率相互切换所需的最长时间。频率稳定度：规定时间内输出频率的最大相对变化值。频谱纯度：输出信号中噪声和干扰信号分量与有用信号分量的比值。42频率合成器下图是一个实际测得的频率合成器频谱。从图(b)中可以看出，除主瓣外，还存在两个寄生的旁瓣和相位噪声的谱分量。43频率合成器锁相频率合成法锁相频率合成，是基于锁相环路的同步原理，从一个高准确度、高稳定度的参考晶体振荡器综合出大量离散频率的一种技术。锁相频率合成器，由基准频率产生器和锁相环路两部分构成。基准频率产生器为合成电路提供一个或几个高稳准的参考频率；

17、锁相环路利用其良好的窄带跟踪特性，使其频率准确地锁定在参考频率或其某次谐波上，并使被锁定的频率具有与参考频率一致的频率稳定度和较高的频谱纯度。44频率合成器一、整数分频频率合成器1、典型的锁相频率合成器鉴相器低通滤波器压控振荡器Nfrfo由于fo=Nfr，用输入控制码的方式来控制可变分频器的分频比N，可以有选择地输出所需的频率信号。该频率合成器的频率分辨率（频率间隔）为fr；频率范围由N的取值范围决定；频率稳定度与fr的频稳度相同.可变分频器程控分频器45频率合成器2、带高速前置分频器的锁相频率合成器鉴相器低通滤波器压控振荡器KfrfoN前置分频器减低了频率分辨率，但也降低了程控分频器的工作频

18、率，使其更易于实现。为了提高频率分辨率，可以在晶振之后添加参考分频器环节R，使输入鉴相器的参考频率为晶振输出频率的1/R。固定分频器前置分频器可变分频器程控分频器46频率合成器3、双模前置分频锁相频率合成器（吞脉冲锁相频率合成器）模式控制逻辑电路双模前置分频器P/(P+1)A计数器N计数器VCOPD预置：吞脉冲计数器A，程序计数器N，(NA)双模分频器以分频比(P+1)模式工作，每(P+1)个VCO脉冲，双模分频器向”A”和”N”输出一个脉冲，使其减1计数。当A=0时，控制逻辑输出换模信号，使双模分频器以分频比P模式工作。A停止计数，N继续减计数到0，换模，重置A和N。 特点： 两个可编程减法

19、计数器 N 和 A 一个高速双模分频器P/（P+1），其CP为VCO输出，其输出作为N、A的CP 一个模式控制逻辑电路双模前置分频器P/（P+1）模式控制逻辑电路N计数器A计数器吞脉冲可变分频器电路结构频率合成器双模前置分频器P/（P+1）模式控制逻辑电路N计数器A计数器工作原理 预置 N、A（NA），双模分频比为（P+1），VCO 开始输出 每输入（P+1）个VCO脉冲，双模分频器输出一个脉冲， 使 “A” 和 “N” 程序计数器均减 1 当“A”计数器减到 0 时，模式控制使双模变为P，且使“A” 停止计数， 此时VCO已输出 （P + 1）A 个脉冲 “N”计数器从（N A）继续做减法计

20、数，当再送入（N A）P 个 VCO 脉冲后，“N”计数器到 0，输出一脉冲到鉴相器PD 模式控制器使双模变为（P+1）， “A” 和 “N” 均置数，新一轮开始频率合成器 只有双模分频器是高速器件，“N”和“A”均低速器件结论： VCO总的分频数为输出频率：优点：与带高速前置分频器方案相比频率间隔仍为 ，没有扩大频率合成器吞脉冲锁相频率合成的集成电路芯片 MC145152 内部电路：晶体振荡器、参考分频器“N”和“A”计数器、控制逻辑电路鉴频鉴相器频率合成器51频率合成器二、分数频率合成器鉴相器LPFVCOP/(P+1)frfo模式控制通过改变时间T内两种模式的分配比例，就可以改变VCO的平

21、均分频比。优点：输出频率可以按照输入参考频率的分数倍变化，参考频率就可以远大于信道间隔。缺点：在输出信号旁边出现分数寄生频率点，VCO输出不是一个严格的周期信号。目的：减小频率间隔，但不降低鉴相频率锁相频率合成器当N为整数，则频率间隔若N为小数，在鉴相频率不变条件下，而频率间隔 是 的分数倍二、分数频率合成器频率合成器分数分频器的实现思路采用了一个双模分频器分频比受控变化则在时间间隔T内的平均分频比是5.5 在时间间隔T内50%时间按5分频50%时间按6分频频率合成器的输出频率则按参考频率的分数倍变化 改变这个时间分配的百分数即改变了VCO的平均分频比二、分数频率合成器频率合成器54频率合成器

22、小数分频频率合成器的原理方框图关键部件： 双模分频器 累加器 当BCD全加器溢出时，作为换模信号送入双模分频器， 双模分频器在持续时间 内，分频值是（P+1） VCO在10个 内共分频 改变F值，可改变分频比，且频率以0.1的分辨率步进工作原理 初始 双模分频器以P工作 VCO输出为累加器的CP为 ， 每来一个CP，累加 F（设F=0.1）55直接数字频率合成器直接数字频率合成器(DDS：Direct Digital Frequency Synthesis)DDS是一种基于全数字技术，从相位概念出发直接合成所需要波形的频率合成技术。DDS的基本原理是通过输出信号的采样值来得到输出信号。根据Ny

23、quist定理，只要采样频率大于信号带宽的两倍，就可以不失真地用样本值来恢复原信号。例如，对于一个频率为f0的正弦信号，从时间上把一个周期分为2n份，每份时长为T0/ 2n，令采样周期TskT0/ 2n， 当满足1 k 2n-1 时，有 （T0/ 2n） Ts （T0/ 2），通过恢复滤波器后，都可以有效地恢复原正弦信号。56直接数字频率合成器如果我们让采样时刻tn=n Ts与正弦信号的相位相对应的话，应当是jn=w0tn=2pf0n kT0/ 2n= nk2p/ 2n ,也就是说，在正弦信号的一个2p周期中，按jn采样2n2个样点也可以有效地恢复正弦信号。DDS的做法正是把正弦信号的一个周期按时间（相位）分为2n份，把相应的函数值存储在ROM中，通过改变读出时钟的频率fclk和样点相位间隔k，来得到不同的输出频率fout