RF讲座三(PLL频率合成技术解析
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锁相技术及频率合成
技术优势与挑战
技术优势
PLL和FS的结合可以实现快速频率切 换、低相位噪声、高分辨率等优点。
技术挑战
需要解决PLL和FS之间的相位噪声传 递和杂散抑制等问题，以确保输出信 号的质量。
实际应用案例
通信系统中的频率合成
用于产生稳定的本振信号，确保接收和发射信号的稳定性和准确 性。
雷达系统中的频率合成
锁相技术原理
锁相技术的基本原理是利用负反馈控制，将外部输入信号与 内部振荡信号进行相位比较，并根据比较结果调整内部振荡 器的参数，使两者的相位保持一致。
当外部输入信号的频率与内部振荡信号的频率相差较小时， 锁相环能够自动跟踪输入信号的频率，并保持两者之间的相 位差恒定。
锁相技术的应用
锁相技术在通信、雷达、导航 、测量等领域得到广泛应用。
智能化
利用人工智能和机器学习技术，实 现锁相技术及频率合成的智能化控 制，提高系统的自适应性。
研究热点与前沿
宽频带、高精度频率合成
01
研究宽频带、高精度频率合成技术，以满足通信、雷达、电子
对抗等领域的需求。
快速频率跳变
02
研究快速频率跳变技术，实现快速切换和灵活的通信方式，提
高通信系统的抗干扰能力和保密性。
电子对抗
在电子对抗领域，锁相技术和频率合成技术用于生成干扰信号和探测信
号，对于提高电子设备的抗干扰能力和探测能力具有重要作用。
02
锁相技术概述
锁相技术定义
Байду номын сангаас
01
锁相技术是一种通过相位比较和 调整实现信号频率跟踪和锁定相 位的电子技术。
02
它利用外部输入信号与内部振荡 信号的相位比较，自动调整内部 振荡器的参数，使两者的相位保 持一致。
频率合成技术
频率合成技术
1、直接模拟频率合成
直接模拟频率合成技术是一种早期旳频率合成技术，它用一种或几 种参照频率源经谐波发生器变成一系列谐波，再经混频、分频、倍频和 滤波等处理产生大量旳离散频率，这种措施旳优点是频率转换时间短、 相位噪声低，但因为采用大量旳混频、分频、倍频和滤波等途径，使频 率合成器旳体积大、成本高、构造复杂、轻易产生杂散分量且难于克制。 不能实现单片集成，逐渐被锁相频率合成，直接数字频率合成技术替代。
K
累加寄存器输出旳累加相位数据相加，把相加后旳成果送至累加寄存器旳数据输入端。累 加寄存器将加法器在上一种时钟脉冲作用后所产生旳新相位数据反馈到加法器旳输入端， 以使加法器在下一种时钟脉冲旳作用下继续与频率控制字相加。这么，相位累加器在时钟 作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。由此能够看出，相位累加器在每一种时钟 脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出旳数据就是合成信号旳相位，相位 累加器旳溢出频率就是DDS输出旳信号频率。
DDS问世之初，构成DDS元器件旳速度旳限制和数字化引起旳噪声这两个主要缺 陷阻碍了DDS旳发展与实际应用。近几年超高速数字电路旳发展以及对DDS旳进一步 研究，DDS旳最高工作频率以及噪声性能已接近并到达锁相频率合成器相当旳水平。
2、锁相频率合成技术 （1）锁相环路工作原理
PD ————产生误差电压 ，LF ————产生控制电压， VCO ————产生瞬时输 出频率
PLL环路在某一原因作用下，利用输入与输出信号旳相位差产生误差电压，并滤除其 中非线性成份与噪声后旳纯净控制信号控制压控振荡器，使相位差朝着缩小固有角频 差方向变化，一旦相位差趋向很小常数（称为剩余相位差）时，则锁相环路被锁定了，
波形存储器设计主要考虑旳问题是其容量旳大小，利用波形幅值旳奇、偶对称特征，能够节省3/4 旳资源，这是非常可观旳。为了进一步优化速度旳设计，能够选择菜单Assign|Global Project Logic Synthesis旳选项Optimize10(速度)，并设定Global Project logic Synthesis Style为FAST，经寄存器性 能分析最高频率到达100MHz以上。用FPGA实现旳DDS能工作在如此之高旳频率主要依赖于FPGA先 进旳构造特点。
1、直接模拟频率合成
直接模拟频率合成技术是一种早期旳频率合成技术，它用一种或几 种参照频率源经谐波发生器变成一系列谐波，再经混频、分频、倍频和 滤波等处理产生大量旳离散频率，这种措施旳优点是频率转换时间短、 相位噪声低，但因为采用大量旳混频、分频、倍频和滤波等途径，使频 率合成器旳体积大、成本高、构造复杂、轻易产生杂散分量且难于克制。 不能实现单片集成，逐渐被锁相频率合成，直接数字频率合成技术替代。
K
累加寄存器输出旳累加相位数据相加，把相加后旳成果送至累加寄存器旳数据输入端。累 加寄存器将加法器在上一种时钟脉冲作用后所产生旳新相位数据反馈到加法器旳输入端， 以使加法器在下一种时钟脉冲旳作用下继续与频率控制字相加。这么，相位累加器在时钟 作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。由此能够看出，相位累加器在每一种时钟 脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出旳数据就是合成信号旳相位，相位 累加器旳溢出频率就是DDS输出旳信号频率。
DDS问世之初，构成DDS元器件旳速度旳限制和数字化引起旳噪声这两个主要缺 陷阻碍了DDS旳发展与实际应用。近几年超高速数字电路旳发展以及对DDS旳进一步 研究，DDS旳最高工作频率以及噪声性能已接近并到达锁相频率合成器相当旳水平。
2、锁相频率合成技术 （1）锁相环路工作原理
PD ————产生误差电压 ，LF ————产生控制电压， VCO ————产生瞬时输 出频率
PLL环路在某一原因作用下，利用输入与输出信号旳相位差产生误差电压，并滤除其 中非线性成份与噪声后旳纯净控制信号控制压控振荡器，使相位差朝着缩小固有角频 差方向变化，一旦相位差趋向很小常数（称为剩余相位差）时，则锁相环路被锁定了，
波形存储器设计主要考虑旳问题是其容量旳大小，利用波形幅值旳奇、偶对称特征，能够节省3/4 旳资源，这是非常可观旳。为了进一步优化速度旳设计，能够选择菜单Assign|Global Project Logic Synthesis旳选项Optimize10(速度)，并设定Global Project logic Synthesis Style为FAST，经寄存器性 能分析最高频率到达100MHz以上。用FPGA实现旳DDS能工作在如此之高旳频率主要依赖于FPGA先 进旳构造特点。
pll频率合成技术简介
900.2 •
第 5 次
平均值
瞬时相位误差会产生大量的小数杂散，并出现在偏移中心频率 Nfractional x PDF 之处
Page 24
小数分频杂散抑制方法1——增加▽∑级数
• 1阶调制器 • N 计数器交替采用 900 与 901 这两个数值 • 2阶调制器 • N 计数器交替采用 898、899、900 及 901 这 4 个数值 • 3阶调制器 • N 计数器交替采用 896、895、898、899、900、901、902 及 904 这几个数值 • 理论上，3阶 delta sigma 锁相环的杂散应少于2阶 delta sigma 锁 相环
Page 23
小数分频
• 1阶delta sigma 锁相环 • • • 没有补偿的传统式小数锁相环 N 计数器交替采用 2 个数值 例如，N 计数器交替采用 900 及 901 这两个数值，最后得出 900.2 的数值
900
900 900 900
第 1 次
第 2 次 第 3 次 第 4 次
901
Page 19
系统关键性能——相位余量和环路带宽
• 环路带宽定义： 环路带宽越大→锁定时间越短→带外杂散抑制小
环路带宽一般选在：PLL噪声=VCO噪声（理想状态）
• 相位余量定义： 相位余量越大→锁定时间越长 相位余量越大→系统越稳定 平衡锁定时间和稳定性，相位余量一般选在48°
Page 20
小数分频
Page 21
小数分频
fo fr R N
fｏ ＝N f PDF
• 整数分频锁相环:
fvco = (N)PDF, (N+1)PDF, (N+2)PDF, …..
步进取决于鉴相频率
第 5 次
平均值
瞬时相位误差会产生大量的小数杂散，并出现在偏移中心频率 Nfractional x PDF 之处
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小数分频杂散抑制方法1——增加▽∑级数
• 1阶调制器 • N 计数器交替采用 900 与 901 这两个数值 • 2阶调制器 • N 计数器交替采用 898、899、900 及 901 这 4 个数值 • 3阶调制器 • N 计数器交替采用 896、895、898、899、900、901、902 及 904 这几个数值 • 理论上，3阶 delta sigma 锁相环的杂散应少于2阶 delta sigma 锁 相环
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小数分频
• 1阶delta sigma 锁相环 • • • 没有补偿的传统式小数锁相环 N 计数器交替采用 2 个数值 例如，N 计数器交替采用 900 及 901 这两个数值，最后得出 900.2 的数值
900
900 900 900
第 1 次
第 2 次 第 3 次 第 4 次
901
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系统关键性能——相位余量和环路带宽
• 环路带宽定义： 环路带宽越大→锁定时间越短→带外杂散抑制小
环路带宽一般选在：PLL噪声=VCO噪声（理想状态）
• 相位余量定义： 相位余量越大→锁定时间越长 相位余量越大→系统越稳定 平衡锁定时间和稳定性，相位余量一般选在48°
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小数分频
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小数分频
fo fr R N
fｏ ＝N f PDF
• 整数分频锁相环:
fvco = (N)PDF, (N+1)PDF, (N+2)PDF, …..
步进取决于鉴相频率
频率合成技术-锁相环路的应用
稳定的载波。
雷达系统中的锁相环路
相位和频率控制
雷达系统中的锁相环路用于精确 控制发射信号的相位和频率，确 保雷达波束的定向和稳定。
目标检测与跟踪
通过锁相环路对回波信号进行处 理，实现目标检测与跟踪，提高 雷达系统的定位精度。
抗干扰能力
锁相环路有助于提高雷达系统的 抗干扰能力，降低杂波和噪声对 目标检测的影响。
频率合成技术的应用领域
通信领域
用于产生本振信号、调 制解调信号等，提高通 信系统的性能和稳定性。
雷达领域
用于产生高精度、高稳 定度的雷达信号，提高 雷达的探测精度和抗干
扰能力。
导航领域
用于产生高精度、高稳 定度的载波信号，提高 导航系统的定位精度和
稳定性。
电子对抗领域
用于产生干扰信号和侦 测信号，提高电子对抗 系统的干扰效果和侦测
锁相环路的局限性包括
跟踪速度较慢、容易受到外部干扰和 温度变化的影响等。
04
锁相环路的实际应用案例
通信系统中的锁相环路
信号解调与调制
01
锁相环路在通信系统中用于信号解调与调制，确保信号的准确
传输和解码。
载波恢复
02
在数字信号传输过程中，锁相环路用于恢复载波，以便正确解
调信号。
频率合成
03
锁相环路作为频率合成器，产生所需的频率，为通信系统提供
锁相环路在频率合成技术中的应用，主要是利用其跟踪和 锁定目标信号的频率和相位的能力，实现输出信号与目标 信号的同步。
锁相环路的频率合成方式
01
锁相环路的频率合成方式主要有三种：直接模拟合成、间接模拟合成 和数字合成。
直接模拟合成是通过模拟电路实现频率合成，具有较高的输出频率和 较低的杂散干扰，但体积较大，成本较高。
锁相环与频率合成技术
• 上式说明当uc（t）随时间而变时，压控振荡器的振荡频率ωu也随时间而变，
锁相环进入“频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的 状入信号要求分:（1）恒定输入环路，用于稳频，频率合成等系
统；（2）随动输入环路，用于跟踪解调系统。按环路组成部件分 (1)模拟锁相环路，环路部件全部采用模拟电路；（2）取样锁相环 路，采用取样保持鉴相器的锁相环路；（3）数字锁相环路，环路部 件部分或全部采用数字电路；（4）集成锁相环路，全部环路部件全 部做在一片单块集成电路中。
• • •
锁相环用于调频和解调时,环路的带宽应远大于调制信号的最高频率.
2 载波跟踪与AM波的同步检波
• 当输入信号无相位变化,环路只能跟踪输入
信号的载频信号.跟踪范围决定于环路的同 步带.可用于载波的再生,同步信号的提取. • 当输入信号为调幅信号,由于调幅信号无相 位变化,环路输出只能得到等幅波,然后与调 幅波在非线型器件进行乘积检波,通过低通 滤波,环路输出即可得到原调制信号.
锁相环与频率合成技术
• 目录 • 锁相环原理 • 鉴相器PD
• •
低通滤波器LF 压控振荡器VCO
• 锁相环的分类 • 锁相环的应用介绍
•
•
•
• •
锁相FM（PM）调制与解调 载波跟踪与AM波的同步检波 锁相环用于频率合成技术
“吞除脉冲”式数字锁相频率合成器的构成 吞除脉冲” 锁相环频率合成技术的特点
•
鉴相器PD
• 锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号
的相位差，并将检测出的相位差信号转换成uD（t）电压信号输出，该信号经 低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uC（t），对振荡器输出信号的 频率实施控制。
锁相与频率合成技术
1.PLL典型部件
1.鉴相器 鉴相器的种类有很多，但大致可以分为两类。 （1）模拟鉴相器→即以乘法器（混频器作鉴 相器）。
i ( p)
e (t )
V (t ) K
K V sin e (t )
a ( p)
1.PLL典型部件
V
2
2
e (t )
其有效鉴相区域为-π/2~ π/2，且近似线 性区域仅在0点附近。只具备鉴相功能 （必需同频）。目前已较少应用。
1 1 C2 ( ~ )C1 5 10
1 1 R2C2 ( ~ ) R1C1 5 10
1.PLL典型部件
KVCO KVCO N 1 1 R2 ( ~ ) R1 3 10
2. 频率合成
由较少的基准频率源（通常为晶振）合成输 出较多的频率点的信号。 一般分为两类： 1.直接合成
2.间接合成
1.PLL典型部件
（2）脉冲鉴相器→输入信号为脉冲信号。 典型的有异或门鉴相器与双D鉴相器，为大多 数集成芯片所采用。既具鉴相也具鉴频功能。
V
4
2
0
e (t )
2
4
1.PLL典型部件
鉴相区域为-2π~+2 π，在区域内呈线性。 输出大多为两路信号（脉冲），以脉冲宽 度差代表相差。
缩相与频率合成技术
缩相技术的特点
锁定时无剩余频差 良好的窄带载波跟踪性能 良好的宽带调制跟踪性能 门限性能好 易于集成 缩相电路的基本应用：缩相解调、载波提 取与位同步以及频率合成
缩相环的基本组成与原理
缩相环(PLL)由三个基本部件组成：鉴相器、环 路滤波器、压控振荡器
基于锁相环(PLL)L波段的频率合成技术
ａ
ｔ
ｂ● ａｎ．Ｏ１ｄ － Ｚ● ｎ ｎ
ａ ａ Ｏ ｎ
ｄ Ｈ ．１ Ｕ Ｔｅ
． Ｊ Ｃ
Ｕ ｈ
ａ ｎ
ｎ
Ｏ ｌ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ ｉＳ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｏｏ ｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｇ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｙｏ ｎｉｃ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｉｎ ｔｈｉＳ ｐａｐｅｒ，ａ ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ
ＶＡ
ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ （ＰＬＬ） Ｌ Ｚ Ｕ ｂ ａｎｄ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｉｔｓ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅ ｕｓｅｓ ＭＣ１４５１５２ ｔｏ Ｐ
中 能 够有效地 减少对 同步噪声的影 响 从 而使 电视同步 的性能 展 晨 从黑白电视水平同步电路中开始的 庙于其可以降低噪声
显著提升。锁相环路的低噪声跟踪功能 ，已经得到人们的重视 越 对同步的影响 使得电视图像的同步性能得到很大的提高。因此
来越快地发展 届 前已经广泛应用于各个领域。
频率源 通过 分频 倍 频和混频 以获 得更多的频 率。
获得 了广 泛的应 用。由于锁相 技术 广泛使 用在 电子技 术各个 领
频率合成技术与其他科学技术是一样的 砉陧 从实际需要中
２０ｌ６．０１
域 这 已经成为 常用的 电子 器件的一个 基本组成部 分。锁 相环是 ２．１ 锁相 环在频率合成 电路 中的应用
ｔ
ｂ● ａｎ．Ｏ１ｄ － Ｚ● ｎ ｎ
ａ ａ Ｏ ｎ
ｄ Ｈ ．１ Ｕ Ｔｅ
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ ｉＳ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｏｏ ｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｇ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｙｏ ｎｉｃ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｉｎ ｔｈｉＳ ｐａｐｅｒ，ａ ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ
ＶＡ
ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ （ＰＬＬ） Ｌ Ｚ Ｕ ｂ ａｎｄ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｉｔｓ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅ ｕｓｅｓ ＭＣ１４５１５２ ｔｏ Ｐ
中 能 够有效地 减少对 同步噪声的影 响 从 而使 电视同步 的性能 展 晨 从黑白电视水平同步电路中开始的 庙于其可以降低噪声
显著提升。锁相环路的低噪声跟踪功能 ，已经得到人们的重视 越 对同步的影响 使得电视图像的同步性能得到很大的提高。因此
来越快地发展 届 前已经广泛应用于各个领域。
频率源 通过 分频 倍 频和混频 以获 得更多的频 率。
获得 了广 泛的应 用。由于锁相 技术 广泛使 用在 电子技 术各个 领
频率合成技术与其他科学技术是一样的 砉陧 从实际需要中
２０ｌ６．０１
域 这 已经成为 常用的 电子 器件的一个 基本组成部 分。锁 相环是 ２．１ 锁相 环在频率合成 电路 中的应用
RF校准知识讲座
L0305
L0304 L0303
R030 8
D0301
RFT310 0
D0302
代码9主要与上图中所有元器件有关
射频部 3.2分L的NA增检益修
发射•部L分 NA9的增益 频 ？ 率合成部分7
接收部分8
• 答（1）首先查低噪声放大器 信号放大是否正常。
•
低噪放大约20dbm.
• （2） 再查低噪周围器件 是否合格。（利用频谱仪、 8285或8960来测试各器件频 率有无损耗等）
RFT310 0
IFR310 0
电源管理
二、代码8的检修
代码8（接收中频处理器故障）
正常工作时测试点电压值为1.5V~2.2V左右 出现代码8故障时测试点为0V 代码8一般为接收中频处理器附近的器件偏、少等引起的 。 常见的器件件有D0201、D0202 、C0202、C0203、 R0208等 L0201、L0202的电感值不匹配也会引起代码8 IFR3100和RFT3000压件也会造成代码8。 CPU焊接不良或器件不良也会导致代码8。
RF 校准维修知识
• 一、电路描述 • 二、校准项目 • 三、故障现象及维修
方法 • 四、呼叫测试
•讲师 ：
RF调整的介绍
RF调整的主要功能 将移动电话反向信道的基带CDMA信号通过
发射电路调制变换，以824MHz_849MHz从天线 端发射出去；将天线端接受的869MHz-894MHz 的基站发射的无线信号通过接受电路的解调处理， 得到前向通道的基带CDMA信号；同时为移动电 话提供稳定的可控的19.68MHz频率源。
射频声表滤波器和中频声表滤波器
• RF声表滤波器从接收到信号 中拾取需要的信号（869894MHZ）进行下变频。目的 允许需要的能量和信息的相 位、幅度、时钟保持不失真 。
PLL频率合成器的杂散性能分析
器,以提高其反向隔离度;③使用一个对应工作频
段的定向耦合器,但需要占用一定的PCB板空间。
112110
在离PLL芯片稍远一点的地方,这样在小电容和大
电容之间的走线将增加线上的电感,这种做法有助
于抑制高频噪声。同时在电源线上增加一个小电阻
有助于抑制低频噪声,这个电阻上的压降一般保持
器设计的首选。
PLL频率合成器的关键指标主要有
相位噪声、杂散抑制和换频时间等。由于换频时间
不具有普遍性
,仅在频率捷变系统中有严格的要求
,
另外关于相位噪声性能分析的资料较多
,因此本文
仅对频谱杂散进行详细分析。
1 杂散性能分析
111 杂散概念
杂散是指和输出信号没有谐波关系的一些无用
在载波频率的两端。工程上的解决方法主要是对参
考信号进行适当的滤波处理,以及保持一个合理的
输入电平。
11216 双PLL相互串扰引入的杂散
该类杂散通常出现在2个PLL电路靠的比较近
且同时工作的场合。某些情况下,这类杂散将会比
较大。其原因在于不合理的电源设计以及PCB布
局设计。2个PLL的充电泵同时工作时,它们将在
有
:必须保证
PLL芯片的输入信号电平在芯片标识
特性的范围以内
,同时尽可能在工作频率上实现阻
抗匹配
,并且使
VCO的谐波抑制小于
-20 dBc ,甚至
更低
,以减少前置分频器的计数错误。
11219 前置分频器输出引入的杂散
该类杂散通常离载波频率比较远
,偏移值为
:①在反馈路径上放一个有
采用PLL技术的合成频率源设计
●应用与设计１引言频率源是现代射频和微波电子系统的心脏，其性能直接影响整个电子系统的功能，成为非常重要的部件。
频率源分为二大类：自激振荡源和合成频率源。
常见的自激振荡源有晶体振荡器、腔体振荡器、介质振荡器、压控振荡器、ＹＩＧ振荡器和波形发生器等。
这些频率源的输出频率范围、调谐带宽、近端相噪等各不相同。
合成频率源的主要优点是频率稳定度高，尤其是相位噪声低，有的甚至比原子钟的相噪还低，使用灵活、控制方便、性能优越。
而缺点是成本高、技术难度大。
现代工程设计中对频率源的频率稳定度、精确度、频率范围等技术指标的要求越来越高。
要满足现代电子系统的这些要求在很多情况下必须使用频率合成技术。
频率合成是指将高精度和高稳定度的标准信号频率通过一系列的算术运算，产生具有相同稳定度和精确度的大量离散频率的技术。
锁相式频率源具有频率稳定度高、频谱纯、寄生杂波小及相位噪声低等优点，已被广泛用于各种通信和雷达系统。
笔者采用分频锁相频率合成技术设计了１．８ＧＨｚ锁相频率源。
２锁相环技术的原理实现频率合成的方法可分为直接合成法与间接合成法。
二种频率合成技术的特点见表１。
锁相环（ＰＬＬ）是由鉴相器（ＰＤ），环路滤波器采用ＰＬＬ技术的合成频率源设计钟催林，肖化武，李军红（南华大学电气工程学院，湖南衡阳４２１０００）摘要：介绍分频锁相频率合成技术。
通过对锁相环工作过程及相位噪声等的基本原理的分析，采用ＰＬＬ技术成功设计了１．８ＧＨｚ锁相频率源。
在该锁相源中分频鉴相器采用ＡＤＩ公司的ＡＤＦ４１１８，ＶＣＯ采用Ｍ／Ａ－ＣＯＭ公司的ＭＬ０８１１００－０１８５０，低通环路采用三阶ＲＣ低通滤波器。
其相位噪声为－７５ｄＢｃ／ｋＨｚ、杂散抑制为－８５ｄＢｃ。
实验测试获得了较好的技术指标，能满足现代移动通信Ｃ网和Ｇ网射频子系统对本振源的要求。
关键词：分频锁相；频率合成；相位噪声；本振源中图分类号：ＴＮ７４１文献标识码：Ａ文章编号：１００６－６９７７（２００６）０５－００１２－０３Ｄｅｓｉｇｎｏｆｓｙｎｔｈｅｓｉｓｆｒｅｑｕｅｎｃｅｓｏｕｒｃｅｕｓｉｎｇｐｈａｓｅ－ｌｏｃｋｅｄｌｏｏｐｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＺＨＯＮＧＣｕｉ－ｌｉｎ，ＸＩＡＯＨｕａ－ｗｕ，ＬＩＪｕｎ－ｈｏｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｎｇｙａｎｇ４２１０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｉｖｉｓｉｏｎｐｈａｓｅ－ｌｏｃｋｅｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｙｎｔｈｅｓｉｓｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｆｒｅ－ｑｕｅｎｃｙｓｏｕｒｃｅｗｉｔｈｔｈｅｐｈａｓｅ－ｌｏｃｋｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｄｅｓｉｇｎｅｄｔｈｒｏｕｇｈａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｐｈａｓｅ－ｌｏｃｋｅｄｌｏｏｐａｎｄｐｈａｓｅｎｏｉｓｅ．Ｉｎｔｈｅｓｏｕｒｃｅ，ＡＤＦ４１１８ｗａｓｔａｋｅｎａｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｉｖｉｓｉｏｎａｎｄｐｈａｓｅｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅ，ａｎｄＭＬ０８１１００－０１８５ｗａｓｔａｋｅｎａｓＶＣＯｄｅｖｉｃｅ，ｗｈｉｌｅｔｈｒｅｅ－ｏｒｄｅｒＲＣｆｉｌｔｅｒｗａｓｔａｋｅｎａｓｌｏｗ－ｐａｓｓｃｙｃｌｅｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｔｅｓｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｉｓｇｏｏｄ．ＴｈｅｓｏｕｒｃｅｃａｎｍｅｅｔｔｏｔｈｅｄｅｍａｎｄｓｏｆｌｏｃａｌｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｉｎｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｕｂｓｙｓｔｅｍｏｆｍｏｄｅｒｎｍｏｂｉｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＧＳＭａｎｄＣＤＭＡｎｅｔｗｏｒｋ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｉｖｉｓｏｎａｎｄｐｈａｓｅ－ｌｏｃｋｅｄ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｙｎｔｈｅｓｉｓ；ｐｈａｓｅｎｏｉｓｅ；ｌｏｃａｌｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓｏｕｒｃｅ图１锁相环路基本组成（ＬＦ）和压控振荡器（ＶＣＯ）组成的自动相位控制系统，如图１所示。
频率合成技术
fi
fi
÷N
fo=fi/N PD LPF VCO
（b）数字分频环 ）
（c）分频环简化图 ） 分频式锁相环原理图
第7页
电子测量原理
⑶混频式锁相环 混频环实现对频率的加减运算
fi1 PD fi2 M （－） （a）相加混频环 ） fi1 fi2 fo= fi1+ fi2 fi1 fi2 LPF fo-fi2 VCO fo= fi1+ fi2 f i1 fi2 PD M （＋） （b）相减混频环 ） fo= fi1- fi2 LPF fo+fi2 VCO fo= fi1- fi2
第4页
电子测量原理
二、锁相环（PLL）的基本概念 锁相环（PLL）
1. 锁相环基本工作原理及性能
锁相环是一个相位环负反馈控制系统。 锁相环是一个相位环负反馈控制系统。该环路由鉴相 PD）、环路滤波器（LPF）、电压控制振荡器（VCO） ）、环路滤波器 ）、电压控制振荡器 器（PD）、环路滤波器（LPF）、电压控制振荡器（VCO） 及基准晶体振荡器等部分组成 。
（a） 谐波倍频环 ）
（c）倍频环简化图 ） 倍频式锁相环原理图 第6页
电子测量原理
⑵分频式锁相环 分频环实现对输入频率的除法运算，与倍频环相似， 分频环实现对输入频率的除法运算，与倍频环相似，也有 两种基本形式。 两种基本形式。
fo=fi/N PD LPF 谐波 形成 （a）谐波分频环 ） fi ÷ N PLL fo=fi/N VCO
1MHz 晶振 谐波发生器（倍频） 谐波发生器（倍频） 分频（ 10） 分频（÷10） 8MHz 2MHz 6MHz 1MHz 混频（+） 混频（ 混频（ 混频（+）
混频（ 3MHz 混频（+） 9MHz 直接式频率合成原理框图
雷达频率综合器两种合成形式的探索
雷达频率综合器两种合成形式的探索摘要：雷达频率综合器是雷达系统中重要的组成部分，其性能直接影响到雷达的性能。
本文主要分析了雷达频率综合器的两种合成形式，并进行了理论分析和比较，从实际应用角度出发，详细分析了这两种合成形式各自的特点，同时指出了它们在使用上存在的问题。
为了方便理解，本文以DDS方式为例，对其进行详细分析，并将其与PLL方式进行比较。
最后给出了DDS和PLL两种合成形式的优缺点及应用领域。
关键词：雷达；频率综合器；两种形式表达；探索在众多的新技术中，频率综合技术是一项相对新兴的技术。
特别是频率综合方式和频率综合器的出现，更是充分发挥了其优点，特别是频率综合器在雷达方面的应用日益广泛。
1.雷达频率综合器雷达频率综合器（RadarFrequencySynthesis,RFS）是一种将锁相环技术、线性调频技术、相位噪声技术、频率合成技术等结合在一起，以获得高质量的频率源的电子设备。
它能够产生各种频率和带宽的信号，从而满足雷达系统的要求。
由于RFS具有很多优点，被广泛应用于通信、雷达、电子对抗等领域，同时也是通信系统中最常用的电子设备之一。
由于RFS工作频率范围很宽（从几GHz到几十GHz），其输出信号频率也随之变化，传统的线性调频技术和锁相环技术已经无法满足其需求。
为此人们采用了新技术：直接数字频率合成（DDS）技术。
DDS是利用数字化的方法对锁相环中的相位噪声和杂散进行改善，并使之达到更高的精度，使信号的质量大大提高。
DDS是一种基于模拟数字混合系统结构的频率合成技术，它采用直接数字频率合成（DDS）方式。
它是利用正弦波发生器产生正弦波，再通过数控振荡器（NCO）将其转化为方波信号，然后通过混频电路得到所需要的各种频率和带宽的信号。
2.DDS方式与PLL方式的比较DDS方式和PLL方式合成频率的特点是：频率合成速度快，可实现多路频率合成器；相位噪声低，相噪水平高；输出信号频率、相位、幅度可调；输出信号频谱宽。
RF讲座三(PLL频率合成技术.
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2.2 锁相环路的基本工作原理
输入信号 (参考信号) ui (t) uD (t)
鉴相器
wo uo (t)
环路 滤波器
uC (t)
压控 振荡器
输出
uo (t)
wo
wi
若wi ≠wo，则ui(t)和uo(t)之间产生相位变化 →uD(t) 与瞬 时误差相位成正比→uc(t)滤除了高频分量和噪声→ wo ， 去接近wi 最终使 wi = wo，相位误差为常数，环路锁定，这时 的相位误差称为剩余相位误差或稳态相位误差。 成都信息工程学院
4. 频率稳定度和准确度
频率稳定度指：在规定的观测时间内，合成器输出频率偏离
标称值的程度。一般用偏离值与输出频率的 相对值来表示。 频率准确度指：实际工作频率与标称频率值之差，又称频率 误差。
频率合成器中输出频率的稳定度主要取决于参考频率的稳定度。
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5. 频谱纯度
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1.2 频率合成器的分类
直接频率合成器
利用倍频、分频、混频等方法 直接产生。信号质量较差。
间接频率合成器（即锁相频率合成器）
利用锁相技术实现。结构简 单、输出频率成分频谱纯度 直接数字频率合成器DDS高，控制方便等优点。
基于全数字技术。输出频率可高达几百 MHz。它由参考时钟、相位累加器、只 读存储、DAC和滤波器等组成。 成都信息工程学院
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1.3 频率合成器的主要技术指标
1. 频率范围
输出最低频率fomin和最高频率fomax 之间的变化范围。
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2.2 锁相环路的基本工作原理
输入信号 (参考信号) ui (t) uD (t)
鉴相器
wo uo (t)
环路 滤波器
uC (t)
压控 振荡器
输出
uo (t)
wo
wi
若wi ≠wo，则ui(t)和uo(t)之间产生相位变化 →uD(t) 与瞬 时误差相位成正比→uc(t)滤除了高频分量和噪声→ wo ， 去接近wi 最终使 wi = wo，相位误差为常数，环路锁定，这时 的相位误差称为剩余相位误差或稳态相位误差。 成都信息工程学院
4. 频率稳定度和准确度
频率稳定度指：在规定的观测时间内，合成器输出频率偏离
标称值的程度。一般用偏离值与输出频率的 相对值来表示。 频率准确度指：实际工作频率与标称频率值之差，又称频率 误差。
频率合成器中输出频率的稳定度主要取决于参考频率的稳定度。
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5. 频谱纯度
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1.2 频率合成器的分类
直接频率合成器
利用倍频、分频、混频等方法 直接产生。信号质量较差。
间接频率合成器（即锁相频率合成器）
利用锁相技术实现。结构简 单、输出频率成分频谱纯度 直接数字频率合成器DDS高，控制方便等优点。
基于全数字技术。输出频率可高达几百 MHz。它由参考时钟、相位累加器、只 读存储、DAC和滤波器等组成。 成都信息工程学院
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1.3 频率合成器的主要技术指标
1. 频率范围
输出最低频率fomin和最高频率fomax 之间的变化范围。
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2.3 锁相环路的捕捉与跟踪
捕捉过程：由失锁进入锁定的过程（失锁 锁定） 环路捕捉带：能够由失锁进入锁定的最大输入固有频差， 常用 wp表示 跟踪过程：若环路初始状态是锁定的，因某种原因使频 率发生变化，环路通过自身的调节来维持锁 定的过程。由失锁进入锁定的过程（锁定 维持锁定) 跟踪带（同步带）：能够保持跟踪的输入信号频率与压 控振荡器频率最大频差范围，常用 wH表示 成都信息工程学院
指输出信号接近正弦波的程度。用有用信号电平与 各寄生频率分量总电平之比的分贝值表示。
PLL中主要来自VCO； DDS中来自内部器件的 非相干噪声。
多数来源于混频器。对称 分布于有用信号两侧
由放大器的非线 性特性产生
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二、PLL基本原理
2.1 锁相环路基本组成 2.2 锁相环路的基本工作原理 2.3 锁相环路的捕捉与跟踪 2.4 鉴相器（PD） 2.5 压控振荡器（VCO）
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1.3 频率合成器的主要技术指标
1. 频率范围
输出最低频率fomin和最高频率fomax 之间的变化范围。
实际中每个分波段由一个VCO来满足分波段频率范围
2. 频率间隔fo（又称分辨率）
相邻频率之间的最小间隔
如VHF波段的调频通信机频率间隔为 25kHz/12.5kHz/5kHz。目前PLL频率合成器可做到 100kHz/10Hz/1Hz ，而DDS合成器可做到1Hz以下
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1.1 频率合成器的作用
为实现高质量的无线通信，抗干扰，近代通信系统往 往要求通信机具有大量的、可供用户选择的、能迅速更换 的频率稳定度和精度很高的载波信号频率。 晶体振荡器虽然频率稳定度和精度很高，但其频率值只 能在很小范围内微调。 频率合成器作用：利用一个或多个基准频率，产生一系 列等间隔的离散频率。这些频率的频率稳定度和精度均和基 准频率的相同，且频率转换的时间很短。
2.6 环路滤波器（LF）
2.7 PLL特性和应用
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2.1 锁相环路基本组成
输入信号 (参考信号) ui (t) uD (t)
鉴相器
uo (t)
环路 滤波器
uC (t)
压控 振荡器
输出
uo (t)
wo
wi
鉴相器（PD）：用以比较ui、 uo相位，输出反映相 位误差的电压uD(t) 环路滤波器（LF）： 用以滤除误差信号中的高频分量和 噪声，提高系统稳定性。 压控振荡器（VCO）： 在uC(t)控制下输出相应频率 fo 成都信息工程学院
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1.2 频率合成器的分类
直接频率合成器
利用倍频、分频、混频等方法 直接产生。信号质量较差。
间接频率合成器（即锁相频率合成器）
利用锁相技术实现。结构简 单、输出频率成分频谱纯度 直接数字频率合成器DDS高，控制方便等优点。
基于全数字技术。输出频率可高达几百 MHz。它由参考时钟、相位累加器、只 读存储、DAC和滤波器等组成。 成都信息工程学院
uD
e (t ) i (t ) o (t )
2p
p
p/2
p/2
p
2p
uD (t ) Ad sin[ e (t )] Ade (t )
鉴相灵敏度，单位为V/rad
e
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数字鉴相器
CD4046为例来说明其原理
为数字PLL。内有两个PD、VCO、缓冲放大器、输 入信号放大与整形电路、内部稳压器等。 具有电源电压范围宽（5~15V）、功耗低、输入阻抗 高等优点。工作频率0~1MHz 内部VCO产生50%占空比的方波。输出电平可与TTL 电平或CMOS电平兼容。 具有相位锁定状态指示 成都信息工程学院
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捕捉带与同步带
uD(t) 当 wi 从低频至 高频缓慢变化时 O 当 wi 从高频至 低频缓慢变化时
未加控制电压 (即uD(t) = 0) 时的VCO振荡频率
wd wa
wP 失锁 锁 定
wo0 wc wb
锁 定
wi
捕捉带 wH
失锁
同步带
通常捕捉带小于同步带 成都信息工程学院
电子设计竞赛培训—高频组
专题三：PLL频率合成技术
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电子设计竞赛培训—高频组
一、频率合成技术概述
二、PLL基本原理 三、PLL频率合成器
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一、频率合成技术概述
1.1 频率合成器的作用 1.2 频率合成器的分类
1.3 频率合成器的主要技术指标
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2.2 锁相环路的基本工作原理
输入信号 (参考信号) ui (t) uD (t)
鉴相器
wo uo (t)
环路 滤波器
uC (t)
压控 振荡器
输出
uo (t)
wo
wi
若wi ≠wo，则ui(t)和uo(t)之间产生相位变化 →uD(t) 与瞬 时误差相位成正比→uc(t)滤除了高频分量和噪声→ wo ， 去接近wi 最终使 wi = wo，相位误差为常数，环路锁定，这时 的相位误差称为剩余相位误差或稳态相位误差。 成都信息工程学院
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3. 频率转换时间ts
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。它包含 电路延迟时间和PLL捕捉时间。
换频时间ts对不同的合成方式是完全不同的： 模拟直接合成法：ms级以下甚至到s级； DDS：纳秒级（1ns=10-9s） PLL频率合成：t s 25 f r
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在锁定（同步）状态下，始终有ωo = ωi。这时 如果用示波器观察 ui与uo，两个波形都是清晰 稳定的。
ui uo
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2.4 鉴相器（PD）
模拟鉴相器（乘积型鉴相器和叠加型鉴相器）
i (t)
+
o (t)
e (t)
uD (t) LPF ADsin[e (t)]
4. 频率稳定度和准确度
频率稳定度指：在规定的观测时间内，合成器输出频率偏离
标称值的程度。一般用偏离值与输出频率的 相对值来表示。 频率准确度指：实际工作频率与标称频率值之差，又称频率 误差。
频率合成器中输出频率的稳定度主要取决于参考频率的稳定度。
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பைடு நூலகம்
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5. 频谱纯度
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2.3 锁相环路的捕捉与跟踪
捕捉过程：由失锁进入锁定的过程（失锁 锁定） 环路捕捉带：能够由失锁进入锁定的最大输入固有频差， 常用 wp表示 跟踪过程：若环路初始状态是锁定的，因某种原因使频 率发生变化，环路通过自身的调节来维持锁 定的过程。由失锁进入锁定的过程（锁定 维持锁定) 跟踪带（同步带）：能够保持跟踪的输入信号频率与压 控振荡器频率最大频差范围，常用 wH表示 成都信息工程学院
指输出信号接近正弦波的程度。用有用信号电平与 各寄生频率分量总电平之比的分贝值表示。
PLL中主要来自VCO； DDS中来自内部器件的 非相干噪声。
多数来源于混频器。对称 分布于有用信号两侧
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2.1 锁相环路基本组成 2.2 锁相环路的基本工作原理 2.3 锁相环路的捕捉与跟踪 2.4 鉴相器（PD） 2.5 压控振荡器（VCO）
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1.3 频率合成器的主要技术指标
1. 频率范围
输出最低频率fomin和最高频率fomax 之间的变化范围。
实际中每个分波段由一个VCO来满足分波段频率范围
2. 频率间隔fo（又称分辨率）
相邻频率之间的最小间隔
如VHF波段的调频通信机频率间隔为 25kHz/12.5kHz/5kHz。目前PLL频率合成器可做到 100kHz/10Hz/1Hz ，而DDS合成器可做到1Hz以下
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1.1 频率合成器的作用
为实现高质量的无线通信，抗干扰，近代通信系统往 往要求通信机具有大量的、可供用户选择的、能迅速更换 的频率稳定度和精度很高的载波信号频率。 晶体振荡器虽然频率稳定度和精度很高，但其频率值只 能在很小范围内微调。 频率合成器作用：利用一个或多个基准频率，产生一系 列等间隔的离散频率。这些频率的频率稳定度和精度均和基 准频率的相同，且频率转换的时间很短。
2.6 环路滤波器（LF）
2.7 PLL特性和应用
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2.1 锁相环路基本组成
输入信号 (参考信号) ui (t) uD (t)
鉴相器
uo (t)
环路 滤波器
uC (t)
压控 振荡器
输出
uo (t)
wo
wi
鉴相器（PD）：用以比较ui、 uo相位，输出反映相 位误差的电压uD(t) 环路滤波器（LF）： 用以滤除误差信号中的高频分量和 噪声，提高系统稳定性。 压控振荡器（VCO）： 在uC(t)控制下输出相应频率 fo 成都信息工程学院
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1.2 频率合成器的分类
直接频率合成器
利用倍频、分频、混频等方法 直接产生。信号质量较差。
间接频率合成器（即锁相频率合成器）
利用锁相技术实现。结构简 单、输出频率成分频谱纯度 直接数字频率合成器DDS高，控制方便等优点。
基于全数字技术。输出频率可高达几百 MHz。它由参考时钟、相位累加器、只 读存储、DAC和滤波器等组成。 成都信息工程学院
uD
e (t ) i (t ) o (t )
2p
p
p/2
p/2
p
2p
uD (t ) Ad sin[ e (t )] Ade (t )
鉴相灵敏度，单位为V/rad
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数字鉴相器
CD4046为例来说明其原理
为数字PLL。内有两个PD、VCO、缓冲放大器、输 入信号放大与整形电路、内部稳压器等。 具有电源电压范围宽（5~15V）、功耗低、输入阻抗 高等优点。工作频率0~1MHz 内部VCO产生50%占空比的方波。输出电平可与TTL 电平或CMOS电平兼容。 具有相位锁定状态指示 成都信息工程学院
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捕捉带与同步带
uD(t) 当 wi 从低频至 高频缓慢变化时 O 当 wi 从高频至 低频缓慢变化时
未加控制电压 (即uD(t) = 0) 时的VCO振荡频率
wd wa
wP 失锁 锁 定
wo0 wc wb
锁 定
wi
捕捉带 wH
失锁
同步带
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一、频率合成技术概述
二、PLL基本原理 三、PLL频率合成器
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一、频率合成技术概述
1.1 频率合成器的作用 1.2 频率合成器的分类
1.3 频率合成器的主要技术指标
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2.2 锁相环路的基本工作原理
输入信号 (参考信号) ui (t) uD (t)
鉴相器
wo uo (t)
环路 滤波器
uC (t)
压控 振荡器
输出
uo (t)
wo
wi
若wi ≠wo，则ui(t)和uo(t)之间产生相位变化 →uD(t) 与瞬 时误差相位成正比→uc(t)滤除了高频分量和噪声→ wo ， 去接近wi 最终使 wi = wo，相位误差为常数，环路锁定，这时 的相位误差称为剩余相位误差或稳态相位误差。 成都信息工程学院
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3. 频率转换时间ts
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。它包含 电路延迟时间和PLL捕捉时间。
换频时间ts对不同的合成方式是完全不同的： 模拟直接合成法：ms级以下甚至到s级； DDS：纳秒级（1ns=10-9s） PLL频率合成：t s 25 f r
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在锁定（同步）状态下，始终有ωo = ωi。这时 如果用示波器观察 ui与uo，两个波形都是清晰 稳定的。
ui uo
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2.4 鉴相器（PD）
模拟鉴相器（乘积型鉴相器和叠加型鉴相器）
i (t)
+
o (t)
e (t)
uD (t) LPF ADsin[e (t)]
4. 频率稳定度和准确度
频率稳定度指：在规定的观测时间内，合成器输出频率偏离
标称值的程度。一般用偏离值与输出频率的 相对值来表示。 频率准确度指：实际工作频率与标称频率值之差，又称频率 误差。
频率合成器中输出频率的稳定度主要取决于参考频率的稳定度。
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