频率合成技术

频率合成技术

一、频率合成技术简述

频率合成技术起步于上世纪30年代，至今已有七十年的历史。其原理是通过一个或多个参考信号源的线性运算，在某一频段内，产生多个离散频率点。基于此原理制成的频率源称为频率合成器。

频率合成器是现代电子系统的重要组成部分，是决定整个电子系统系统性能的关键设备，不仅在通信、雷达、电子对抗等军事领域，更在广播电视、遥控遥测、仪器仪表等民用领域得到了广泛的应用。随着电子技术在各领域内占有越来越重要的地位，现代雷达和精确制导等高精尖电子系统对频率合成器的各项指标提出了越来越高的要求，推动了频率合成技术的发展。

频率合成器的主要性能指标包括：

(1).输出频率范围，是频率合成器输出的最低频率和最高频率之间的变化范围。一般来说，输出的带宽越高越容易满足系统对于频率源的需求。

(2).频率分辨率，是输出频率两个相邻频率点之间的最小间隔。作为标准信号源的频率合成器，频率分辨率越精细越好。

(3).频率切换时间，是输出频率由一个频率切换到另一个指定的频率的时间，电子对抗时的频率跳变对此有着极高的要求。

(4).频谱纯度，频谱的噪声包括杂散分量和相位噪声两方面，杂散又称为寄生信号，主要由频率合成过程中的非线性失真产生；相位噪声是衡量输出信号相位抖动大小的参数。

(5).频率稳定度，是指在规定的时间间隔内，频率合成器输出频率偏离指定值的数值，由作为参考信号源的时钟和各种随机噪声决定。

(6).调制性能，频率合成器是否具有调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)功能。

初期的频率合成技术采用一组晶体组成的晶体振荡器，输出频率点由晶体个数决定，频率准确度和稳定度由晶体性能决定，频率切换由人工手动完成。随着时间的推移，频率合成技术理论的完善和微电子技术的发展，后来的科学家不断的提出了若干频率合成方法，现代的频率合成技术主要经历了三个阶段：直接模拟频率合成、间接频率合成和直接数字频率合成。

直接模拟频率合成(Direct Frequency Synthesis,DS)技术也是一种早期的频率

合成技术，使用一个或几个晶体振荡器作为参考频率源，通过分频、混频和倍频的方法对参考源频率进行加减乘除的运算，然后用滤波器处理杂散频率得到需求的不同频率。优点在于频率转换时间短、相位噪声低，但由于结构复杂造成频率合成器的体积大而笨重，转换过多容易产生杂散分量且难于抑制，功耗大而不稳定，最终成本高昂。采用这种技术的设备已经基本淘汰。

间接频率合成(Indirect Frequency Synthesis,IS)技术，是上世纪40年根据控制理论的线性伺服环路发展起来的频率合成技术。又称为锁相式频率合成(Phase LockedLoop Frequency Synthesis,PLLFS)技术，原因在于它的工作原理是把一个或者多个基准频率源通过倍频、混频和分频等，产生大量的谐波或组合频率，使用锁相环由压控振荡器锁定某一频率间接产生所需要的频率。常用结构是数模混合的锁相环，主要包括数字鉴相器、分频器、模拟环路滤波和压控振荡器等电路。优点在于相噪低，杂散抑制高，输出频带范围大，频率稳定度高，并且因为避免大量使用滤波器，基于这种技术的频率合成器容易集成化。典型的单片PLL频率合成器包括Motorola公司的MC145151、MC145170，Qualcomm公司的Q3236和National Semiconductor公司的LMX2325、LMX2326等。但由于锁相环本身的惰性，输出信号的转换需要跟踪捕获过程，造成频率切换时间较长。

直接数字频率合成(Digtial Direct Frequency Synthesis,DDS)技术1971年首先由J.Tireney提出，是一种全新的频率合成方法，也是频率合成技术的一次革命。其原理为根据采样定理，利用全数字的方法产生与频率相对应的相位序列，并将此相位序列作为寻址转换成幅度序列，该幅度序列再经过数模转换和低通滤波以后就可得到所需要的特定模拟波形。现代的集成电路技术和数字信号处理技术的研究成果都在DDS上有所体现，并且它们的发展直接推动了DDS技术的发展，使得各种先进算法和结构层出不穷。这些都是DDS相对其它传统频率合成技术的极大优势。DDS的主要优点包括频率转换时间短、频率分辨率极高、任意波形输出、主要部件全数字化便于集成、可靠性高、方便调制等。各大公司纷纷研制和推出了基于直接数字合成技术的产品，其中AnalogDevice公司的AD983X,AD985X 和AD995X系列，Qualcomm公司的Q2334、Q2220等都是性价比较高的芯片。尤其是以GaAs和InP工艺制造的DDS芯片，输出频率可以达到GHz级，单单在性能上已经达到了前一代锁相环技术的标准。

二、PLL 系统

一个典型的锁相环（PLL ）系统，是由鉴相器（PD ），压控荡器（VCO ）和低通滤波器（LPF ）三个基本电路组成，如图1。

图1.PLL 基本原理框图

2.1鉴相器（PD ）

构成鉴相器的电路形式很多，这里只简单的介绍其中的一种。异或门鉴相器 异或门的逻辑真值表示于表1，图2是逻辑符号图。

图2逻辑符号图

从表1可知，如果输入端A 和B 分别送入占空比为50%的信号波形， 则当两者存在相位差Dθ时，输出端F 的波形的占空比与Δθ有关，见图3。将F 输出波形通过积分器平滑，则积分器输出波形的平均值，它同样与Δθ有关，这样，我们就可以利用异或门来进行相位到电压的转换，构成相位检出电路。于是经积分器积分后的平均值（直流分量）为：

U = Vdd * Δ θ/π (1)

不同的Δθ，有不同的直流分量U d 。Δθ与U 的关系可用图4来描述。从图中可知，两者呈简单线形关系：

U d = K d*Δθ (2)；K d为鉴相灵敏度。

图3.时序图图4. U d、Δθ关系图

2.2压控振荡器（VCO）

压控振荡器是振荡频率ω0受控制电压UF（t）控制的振荡器，即是一种电压——频率变换器。VCO的特性可以用瞬时频率ω0（t）与控制电压UF（t）之间的关系曲线来表示。未加控制电压时（但不能认为就是控制直流电压为0，因控制端电压应是直流电压和控制电压的叠加），VCO的振荡频率，称为自由振荡频率ωom，或中心频率，在VCO线性控制范围内，其瞬时角频率可表示为：

ωo（t）= ωom + K0 U F（t）

式中，K0——VCO控制特性曲线的斜率，常称为VCO的控制灵敏度，或称压控灵敏度。

2.3环路滤波器

这里仅讨论无源比例积分滤波器如图5。其传递函数为：

式中：τ1 = R1C；τ2 = R2C。

图5.无缘比例积分滤波器原理图