频率源综述

频率源综述

高树廷刘洪升

本文对频率源的类型和它们的基本原理

并对频率源的重要性

关键词

它的好坏直接影响雷达通

讯仪表等的性能指标它们的电子系

统性能好频谱分析仪这些仪表的关

键技术是有一个好的频率源有关单位就展开了频率合成技术的研制工作因技术难度大

到了80年代国内整机单位因工程需要这些研制班子经过

20多年的奋斗研制班子变动多次频率综

合技术与发达国家相比这足够证明频率源技术的难度

2.频率源简介

频率源是用来提供各种信号的电子设备随着

电子技术的发展即相位噪声越来越低

它们的频率稳定度一般在10-5以上`

¼´ÆµÂÊ×ÛºÏÆ÷¸ÃƵÂÊÔ´ÓÐÈçÏÂÌصã

Ä¿Ç°×îСƵÂʲ½½øÄÜ×öµ½uHZ

ÓÈÆä¶ÌÎÈ

c. 自动化使用灵活方便

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介质振荡器YIG振荡器和波形产生器

等调谐带宽表1给出他们的区别和特点

技术含量高

合成频率源主要优点是频率稳定度高甚至比原

子钟的相噪还低控制方便缺点造价高合成频率源

一般可分为四大形式直接数字式频综

它们的优缺点由表2给出

项目相噪杂散频率步进工作频率跳频速度调制能力体积重量成本直接模拟式很好较难抑制很难做小全频段快有限大高

直接数字式好很难抑制很小低快方便小较低间接模拟式好好较难做小全频段慢有限较小较高间接数字式较好较好较小较低慢有限小低

2.2 合成频率源的主要技术指标

合成频率源的输出频率范围输出波形和调制状态电源

下面仅对相噪频率步进和跳频时间四项

做一简介

相噪就是短期频率稳定度是输出频率两边富氏频率的

函数记为

-dBc/HZËüÖ±½ÓÓ°ÏìÏÖ´úµç×ÓϵͳµÄÐÔÄÜ

Ó°Ïì½ÓÊÕ»úµÄ¼ì²âÄÜÁ¦ÏàλÔëÉùµÄ´óСÓëÊä³öƵÂÊ

ÓйØ既按20lgN变坏

杂散又没有被充分的抑制掉

一般用偏离输出频率多少频率上的频谱功率表示它也是

合成频率源的一项重要技术指标一般要求-60dBc

频率步进是一个频率点一个频率点合成出来的

把起始频率到终止频率叫最大频率步进

也就是频率捷变时间这段时间叫

跳频时间一般用相位差定义

以上四项技术指标是合成频率源中最重要的技术指标

3.合成频率源的基本原理

合成频率源的合成方法不同分直接模拟式间接模拟式和间接数字式四种

简介如下

归纳起来都是对基准频率进行各种各样的加减乘

除倍频器可视为对频率相乘通过对

频率进行加减乘除产生出各种新频率经放

大器这种方法也是经典方法目前100MHZ

晶振市场上能买到-169dBc/HZ@10kHZ的产品杂散决定滤波器的好坏

和电磁兼容性设计的合理程度目前开关速度一般在几

十nus到几百nus¿ª¹ØµÄͨ¶Ï±ÈÏÖÔÚÒ»°ã¶¼ºÜºÃ

ÕâÖÖƵ×ÛÈç¹û²½½ø̫СÂ˲¨Æ÷Ò²ºÜÄÑÉè

¼Æ³É±¾¸ßÊÇÖ±½ÓÄ£ÄâʽƵ×ÛµÄÖ÷Ҫȱµã

DDS

DDSËüʹÓÃÊý×Ö¼¼ÊõÍê³ÉƵ

ÂʺͲ¨ÐεĺϳɾßÌå½²°Ñ²¨Ðεķù¶È²ÎÊýºÍÏàλÐÅÏ¢

¹¤×÷ʱ°´ÒªÇó¹æÂÉÈ¡³öÐÅÏ¢Êý¾ÝÔÙ¾-¹ýÂ˲¨¾ÍÍê³É

ÁËÖ±½ÓÊý×ÖʽµÄºÏ³É¾Í´æÔÚÁ¿»¯¾«¶ÈÎÊÌâ

免的数字量存在造成某些情况下不可避免的幅度失真和相位失真

采取相应措施但必定不能彻底消除

图1. DDS原理框图

这种用DDS技术做成的频综跳频速度快调制灵活目前输出频率不高基本原理框图如图1所示在时钟的控制下相位累加器在频率码控制下进行相位线形累加

经过D/A变换得到相对应的幅度阶梯波形

3.3间接模拟式基本原理

间接模拟式频率源主要是利用模拟锁相环锁定VCO来实现频率合成

所以间接式频率源跳频时间比直接式慢锁相环可等效为窄带滤波器基本原理框图如图2所示

所以相噪较好体积较大由图看出

将VCO频率平移到中频频段混频后信号经放大器再与晶振产生的一系列频率标准进行同频鉴相使VCO输出频率相位跟综晶振相位利用频率控制

实现不同频率锁定和频率捷变当VCO频率不高时也可以不使用倍频器和混频器

f c

倍频器

频率控制码

图2 间接模拟式频综原理图

3.4 间接数字式基本原理

间接数字频率源是由数字锁相环构成的就是在锁相环内插入数字分频器和数字鉴相器吞除脉冲分频器和小数分频器

成本低使用方便可靠

大量应用在通信技术中因为锁相环内使用了分频器

分频次数N越大一般按20lgN 变坏使用小频分频器相对比吞除脉冲分频器好一些

从图3中看出目的是把VCO频率除到鉴相器基准频率fr左右鉴相器输出通过积分滤波电路变成模拟电压控制VCO频率看出当N越大

经鉴相器后等效把VCO相位不稳定度放大了N倍

图3 间接数字式频率源原理框图

5.频率源的发展和重要性

频率源技术近30年发展很快低杂散技术和DDS 技术突飞猛进杂散几年就降低一个数量级在国内该技术发展并不理想耗资大

所以西方人40年代就提出的频率合成观念在国内目前还主要靠进口

频谱分析仪

还有合成频率源中的关键元器件

微波小体积滤波器近20年发展起来的DDS 合成技术更是如此该合成技术尽管目前还有一些缺点

解决了一些其它合成技术无法解决的技术难题 频率源的好坏直接影响微波系统高频系统的性能例如在雷达系统中接收机本振信号因此可以说频率源是现代微波和高频电子系统的心脏

频率源在现代电子系统中是非常重要的

它的关键技术就是低相噪设计和低杂散设计及实现这些

设计的电磁兼容保证措施

不论是方案设计还是电磁兼容设计甚至印制板设计

因为低相噪全面

考虑才能达到目的

只靠一个合理的方案和一个满足要求的低相噪晶振还是不行的

正确的印制板设计及精心的调试技术才能全面保证达到低相

噪不仅要有一个正确的方案合理的元器件选择高带外抑制的滤波器

7.结束语

本文对频率源的各个方面作了简介但是与国外相比我们落后很多比如仪器通信业等等

这对我国的现代化国内研制单位尽

管很多并没有真正掌握其关键技术知识面又较宽为我国的国防事业做出更多贡献

上述观点仅是自己的一点体会难免有错

参考文献

1

2002年度 中国兵器工业二零六研究所第八研究室

低噪声频率合成 3 高树廷 刘洪升 微波电磁兼容第六届全国学术会议 2002年银川

分频器