笫8章 频率合成技术

笫8章频率合成技术

概述频率合成的基本方法主要技术指标相位噪声直接频率合成法锁相频率合成法锁相频率合成器的基本构成锁相频率合成器方案设计中的一些考虑锁相频率合成器的实际构成方案直接数字式频率合成

频率合成器集成电路（*）2001年9月--12月1《通信电路原理》--无九为了实现高质量的无线电通信，减少各种外界因素对传输信号的干扰，近代通信系统往往要求通信机具有大量的、可供用户选择和迅速更换的载频振荡信号。概述频率合成器能够实现上述要求。例如移动通信：要求在150、400、900、1800MHz频率附近提供上百个频率点要求这些频率点的载波振荡频率稳定度与精度，都应满足系统的性能要求，并能迅速变换。晶体振荡器无法满足上述要求2001年9月--12月2《通信电路原理》--无九概述

频率合成是指以一个或数个参考频率源为基准，在某一频段内，通过一定的变换与处理后综合产生并输出多个工作频率点的过程。基于这个原理制成的频率源称为频率合成器。制作高质量频率源成为军用（电子对抗）、民用（通信、广播电视、仪器等）研制工作的一项关键课题。

这些离散频率的频率稳定度和精度均与基准频率相同。这些离散频率能在很短时间内，由某一频率变换到另一频率。频率合成的基本方法主要有三类，直接式频率合成，锁相频率合成（亦称间接式频率合成）及直接数字式频率合成2001年9月--12月3《通信电路原理》--无九频率合成器的主要技术指标（1）工作频率范围频率合成器最高与最低输出频率所确定的频率范围，称为频率合成器的工作频率范围。（2）频率间隔每个离散频率（或信道）之间的最小间隔称为频率间隔。又称分辨力。（3）频率转换时间由一个工作频率转换到另一个工作频率并使后者达到稳定工作所需的时间。工作频率范围；频率间隔；频率转换时间；频率稳定度与准确度；频谱纯度。2001年9月--12月4《通信电路原理》--无九频率合成器的主要技术指标（续）（4）频率稳定度与准确度频率稳定度是指在规定观测时间内，合成器输出频率偏离标称值的程度。准确度则表示实际工作频率与其标称值之间的偏差.（5）频谱纯度频谱纯度是指输出信号接近正弦波的程度。可以用输出端的有用信号电平与各寄生频率总电平之比的分贝数表示。有用信号频率成分；各寄生信号频率成分：有用信号的各次谐波成分；存在各种周期性干扰（混频器的高次组合频率）；干扰引起的随机相移（相位噪声）。稳定度与准确度有着密切的关系，因为只有频率稳定度高，频率准确度才有意义2001年9月--12月5《通信电路原理》--无九输出信号频率及各种干扰成分返回2001年9月--12月6《通信电路原理》--无九频谱纯度对通信系统的影响频率合成器输出信号频谱不纯，对接收机和发射机都会产生不良影响频谱不纯的发射信号将对邻道信号产生干扰接收机的混频器可将本振噪声转移到中频段，将降低中频信号的信噪比本振噪声会干扰数字通信载波信号中的相位噪声和本振中的相位噪声直接影响数字相位调制系统的误码率相位噪声和杂散是频率合成器（振荡器）最重要的性能指标之一2001年9月--12月7《通信电路原理》--无九相位噪声－－频率稳定度在频域中的表征。一般用偏离载频f处单边带相位噪声功率谱密度与信号总功率之比来表示，单位dB/Hz或dBc/Hz，如：某VCO离中心频率10KHz的相噪-90dBc/Hz产生原因：由于相邻信号的干扰，频率合成器的输出信号将不再是一个正弦波，而成为一调幅调相波。相位噪声相位噪声在振荡器输出信号中的表示由于振荡器存在有源器件、电阻等噪声及外部干扰，它们通过振荡器这个非线性系统时，对它的输出信号幅度和相位都可能进行调制，实际振荡器的输出信号是调幅调相波。2001年9月--12月8《通信电路原理》--无九单频信号的频谱及相位噪声2001年9月--12月9《通信电路原理》--无九相位噪声在振荡器输出信号中的表示第一项为载波电压Vomcosct,第二项为载波信号Vomsinct受到相位噪声n(t)调制的双边带信号。振荡器输出信号的频谱是一根载波频谱和被搬移到载波两边的相位噪声频谱的叠加。对于频率合成器，寄生调幅的影响较小，只考虑相噪相位噪声的特点：在=o处为无穷大，距离中心频率越远，其值越小。噪声频谱与谐振回路有载Q值有关，Q值越大，曲线越尖锐，相位噪声衰减得越快。－－提高振荡回路的Q值是减小相噪的关键2001年9月--12月10《通信电路原理》--无九直接频率合成法

采用对频率具有加减乘除四则运算功能的混频器、倍频器、分频器和具有选频功能的滤波器的不同组合来实现频率合成的方法，一般称为直接频率合成法。倍频器分频器混频器

频率间隔为：

离散频率数由倍频器的可变倍频次数M决定。主要缺点：有较多的非线性电路，可能产生寄生干扰，使输出信号频谱纯度降低。接入了大量的、滤波性能要求较高的频带滤波器，从而使设备体积庞大，造价也十分昂贵。2001年9月--12月11《通信电路原理》--无九直接频率合成（续）举例1：已知基准频率=1MHz。分频分频分频混频混频倍频带通滤波带通滤波谐波发生器晶振缺点：频率范围有限；离散频率数不能太多；输出信号中的寄生频率成分和相位噪声显著加大；设备变得庞大。2001年9月--12月12《通信电路原理》--无九

锁相频率合成法锁相频率合成器，由基准频率产生器和锁相环路两部分组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锁相环路利用其良好的窄带跟踪特性，使频率准确地锁定在参考频率上，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锁相频率合成器的性能，取决于这两部分的性能，尤其是环路的跟踪特性、滤波特性和噪声特性主要优点：系统结构简单；输出频率成分的频谱纯度高；易于得到大量的离散频率；易于集成化。主要缺点：频率转换时间长；单环频率合成器的频率间隔不能做得很小。2001年9月--12月13《通信电路原理》--无九锁相频率合成法VCOLFPD程序分频器频道选择（1）数字锁相频率合成器基本原理返回一返回二是参考频率，由晶体振荡器振荡频率分频得到。当环路锁定时，鉴相器两输入信号的频率相等。改变N即可获得不同的输出频率。2001年9月--12月14《通信电路原理》--无九当=100kHz，分频比N在31～316范围内变化时，输出频率范围将为3.1～31.6MHz，频率间隔为100KHz。

当=100Hz，分频比N=30000～39999时，输出频率将为3～3.9999MHz，频率间隔为100Hz。例如，上图中频率合成器输出频率为：分频比N范围一定时，频率间隔越大（分辨力越低），频率合成器工作范围越宽。数字锁相频率合成器（续1）2001年9月--12月15《通信电路原理》--无九数字锁相频率合成器（续2）－讨论

(2)、参考频率对环路性能的影响输出频率的分辨力，等于输入鉴相器的参考频率，即越小，输出信号的频率分辨力将越高。小环路频率转换时间

大，

因此减小与减小及抑制VCO噪声往往成了对频率合成器提出的相互矛盾的要求。

对于输出频率较高，当很小时，分频比N的变化将很大，此时环路线性化传递函数也变化很大，如N＝1～1000，开环增益有60dB变化，影响环路的动态工作性能。上图

小，对抑制VCO噪声不利。(为抑制及其谐波环路带宽应小于）2001年9月--12月16《通信电路原理》--无九数字锁相频率合成器（续3）(3)、可编程分频器工作速度的影响

对于一个分频比固定的分频器，目前已有工作在500MHz、800MHz甚至千兆赫的集成器件可供选用。可编程分频器的工作频率则要低很多，TTL部件构成的可编程分频器，上限频率约为几十MHz，CMOS部件构成的可编程分频器，上限频率则更低。而大多数通信系统的工作频率则要上百、上千MHz。

可编程分频器是数字锁相频率合成器的重要部件。

其分频比的数目，决定了合成器输出信道的数目。

程序分频器的输入频率，也是合成器的输出频率。

存在合成器输出频率与可编程分频器的工作速度之间的矛盾。上图2001年9月--12月17《通信电路原理》--无九数字锁相频率合成器（续4）－－方案（1）、含前置分频器的锁相频率合成器在主分频器前，接入分频比恒定的前置分频器，以降低主分频器（可编程分频）的工作频率。鉴相VCO低通主分频器前置分频器参考分频器晶振当改变N时，输出频率将为以为间隔的离散频率系列。可见本方案是以加大频率间隔为代价，换取合成器工作在较高的频段。2001年9月--12月18《通信电路原理》--无九数字锁相频率合成器（续5）（2）采用吞脉冲可变分频器的锁相频率合成器1、吞脉冲可变分频器组成框图N大于A频道选择主计数器模式控制辅助计数器双模前置分频器“1”---计数“0”---停止“1”---“0”---返回去鉴相器来自VCO2001年9月--12月19《通信电路原理》--无九数字锁相频率合成器（续6）

模式控制电路为高电平时，双模分频器的分频比为。

模式控制电路为低电平时，双模分频器的分频比为。

N（主计数器）>A（辅助计数器）。

计数起始时，设模式控制电路输出为高电平，则输入端重复频率为的脉冲输入时，双模分频器和两计数器同时计数，直到辅助计数器计满A个脉冲，使模式控制电路输出电平降为低电平，双模分频器分频比变为÷P。

此后继续输入脉冲，双模分频器与主分频器继续工作，直到主计数器计满N，模式控制电路重新恢复高电平，双模分频器恢复÷（P+1）分频比，各部件进入第二个计数周期为止。

在一个计数周期内，总计脉冲量为：上图2001年9月--12月20《通信电路原理》--无九数字锁相频率合成器（续7）

吞脉冲分频比为：

采用吞脉冲分频器构成频率合成器时，其最小频率间隔可以做到等于，而输出频率则为：频率分辨力仍为，环路频率转换时间没有变化。这是因为上式中有和项（A为分频比的个位）

。2001年9月--12月21《通信电路原理》--无九数字锁相频率合成器（续7）2、采用吞脉冲可变分频器的锁相频率合成器鉴相VCO低通晶振双模前置分频器主计数器辅助计数器模式控制参考分频器“1”---“0”---频道选择频道选择2001年9月--12月22《通信电路原理》--无九方案（3）、多环频率合成器－解决单环频率间隔受限PD1LF1VCO1可变÷N1÷100（-）PD3LF3VCO3PD2LF2VCO2可变÷N2频率间隔为fi/1002001年9月--12月23《通信电路原理》--无九实用频率合成器芯片－－并行码输入编程2001年9月--12月24《通信电路原理》--无九采用MC145152的频率合成器电路R＝20482001年9月--12月25《通信电路原理》--无九西门子手机芯片PMB2307R三总线控制的频率合成器芯片－－2001年9月--12月26《通信电路原理》--无九PMB2307频率合成器电路2001年9月--12月27《通信电路原理》--无九举例2：若含吞脉冲分频器的锁相频率合成器，其双模分频器的分频数为÷41/40，主计数的N=3～1023，辅助计数器的A=3～127，已知参考频率=5KHz，要使输出频率=136.550MHz，两计数器N和A应预置于何值？2001年9月--12月28《通信电路原理》--无九

举例可列出：27310=40N+A频率点数：4万多。解：由和可得出合成器环路分频器的分频数应为：先忽略A，求得：N=27310/40=682.75，取N=682则余数A值为：A=27310-40×682=30即当=5kHz时，将÷N、÷A两计数器分别置于N=682和A=30，即可使输出频率=136.550MHz。2001年9月--12月29《通信电路原理》--无九直接数字频率合成（DDS）通过对相位的运算进行频率合成。

主要优点：相位连续；分辨力高（可达0.001Hz）；工作频率范围宽，容易做到极低的频率；转换频率的时间短（几乎是即时的频率转换），以及成本低、控制灵活等。主要缺点：输出频率上限不太高，受限于器件可用的最高时钟频率；总输出噪声电平较高。（DirectDigtialFrequencySynthesis简称DDFS或DDS）是近年来发展起来的一种将先进的数字处理理论与方法引入信号合成领域的一项新技术（第三代）。主要的理论依据是时域抽样定理。2001年9月--12月30《通信电路原理》--无九直接数字频率合成基本原理（1）时域抽样定理，即Nyquist定理

对于任意一个频带小于的连续信号s(t)，如果以的间隔对它进行等间隔地抽样，则所得到的离散抽样值包含着连续信号s(t)的全部信息，通过这些抽样值可以恢复s(t)。余弦信号可表示为：抽样信号为：如果能构造一个抽样信号，并使其通过一个理想的低通滤波器，就能得