频率合成技术

（2）设置前置混频器的频率合成器 ） 图6.8.2为设置前置混频器的频率合成器 为设置前置混频器的频率合成器
图6.8.2 设置前置混频器的频率合成器
由图知， 由图知，电路是对压控振荡器的输出频率进行混频 并取差频，从而降低可变分频器的输入信号的频率。 并取差频，从而降低可变分频器的输入信号的频率。 由图知， 由图知，可变分频器的输入信号的频率为 f o − f L
DDS具有极宽的工作频率范围 DDS输出频率的 具有极宽的工作频率范围。 ① DDS具有极宽的工作频率范围。DDS输出频率的 下限对应于频率控制字 K = 1 ，因而其最低频率为
f onim 1 = N fc 2
很大时， 式中， 为累加器的宽度或字长， N 式中， 为累加器的宽度或字长，当 N 很大时，最低输出 频率可达Hz甚至 频率可达 甚至mHz 数量级。最高频率受限于时钟频率 甚至 数量级。 和奈奎斯特抽样定理， 和奈奎斯特抽样定理，即每周期至少取样两次才能够重 建波形， 建波形，因此最大的合成频率为
2）频率间隔（分辨率） 相邻频率之间的最小间 ）频率间隔（分辨率） 隔为频率合成器的频率间隔。 隔为频率合成器的频率间隔。
用途不同，要求的频率间隔不同。 用途不同，要求的频率间隔不同。 如：对短波单边带通信来说，多取频率间隔为 对短波单边带通信来说， 100Hz有的甚至取为 有的甚至取为10Hz、1Hz乃至 乃至0.1Hz。 有的甚至取为 、 乃至 。 对超短波通信来说，频率间隔多取为 对超短波通信来说，频率间隔多取为50kHz或10kHz。 或 。 3）频率转换时间 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。 作频率并达到稳定工作所需要的时间。 4）频率稳定度与准确度 频率稳定度是指在规定的时间间隔内， 频率稳定度是指在规定的时间间隔内，合成器频 率偏离标称值的程度。 率偏离标称值的程度。
1、单环频率合成器 、 1）带有前置分频器的数字频率合成器 为带有前置分频器的数字频率合成器。 图6.8.1为带有前置分频器的数字频率合成器。固 为带有前置分频器的数字频率合成器 定分频器的工作频率一般高于可变分频器的工作频率。 定分频器的工作频率一般高于可变分频器的工作频率。
图6.8.1 带有前置分频器的数字频率合成器框图
频率准确度是指实际工作频率偏离标称值的数值， 频率准确度是指实际工作频率偏离标称值的数值， 即频率误差。 即频率误差。 5）频谱纯度 频谱纯度是指输出信号接近正弦波 ） 的程度，是频域指标。 的程度，是频域指标。 理想的正弦信号的频谱只有一根谱线，但实际的 理想的正弦信号的频谱只有一根谱线， 正弦信号由于噪声的影响不可能只有一根谱线。 正弦信号由于噪声的影响不可能只有一根谱线。在有 用信号频谱的两边，总有一些不需要的离散谱和连续 用信号频谱的两边， 谱，这些离散谱称为杂波，连续谱称为噪声。 这些离散谱称为杂波，连续谱称为噪声。 实现频率合成的方法：有直接合成法、 实现频率合成的方法：有直接合成法、间接合成 法（锁相环路法）以及直接数字频率合成法。 锁相环路法）以及直接数字频率合成法。
fa N A fA = = fi M M
频率分辨率为 ∆f A =
1 fi M
显然比单环合成器的频率分辨率提高了M倍 显然比单环合成器的频率分辨率提高了 倍。 因此一般称环路A为高分辨率环。 因此一般称环路 为高分辨率环。 为高分辨率环 设环路B的输出频率为 设环路 的输出频率为 f B f B = N B fi 频率分辨率为 ∆f B = f i 环路C是混频相加环，将环路 的输出频率和环路 环路 是混频相加环，将环路B的输出频率和环路 是混频相加环 ），并送到鉴相器和 C的输出频率混频之后得到（ f o − f B），并送到鉴相器和 的输出频率混频之后得到（ 的输出频率混频之后得到
f A 做相位比较，可得到输出频率 做相位比较，
NA fo = f A + f B = fi + N B fi M
图6.8.5 三环频率合成器框图
6.8.2 直接数字频率合成器
直接数字式频率合成器（ 直接数字式频率合成器（Digital Direct Synthesizer，简称为DDS）是以数字信号处理理论为 ，简称为 ） 基础，从信号的幅度相位关系出发进行频率合成的。 基础，从信号的幅度相位关系出发进行频率合成的。 与传统的频率合成器相比，DDS具有极高的分辨 与传统的频率合成器相比，DDS具有极高的分辨 率、快速的频率转换时间、很宽的相对带宽、任意波 快速的频率转换时间、很宽的相对带宽、 形的输出能力和数字调制等优点。 形的输出能力和数字调制等优点。
f −f 当环路锁定时， 当环路锁定时， f i = o L N
输出频率为 f o = f L +，这种方法提高了频率 合成器的输出频率，但并没有降低频率分辨率， 合成器的输出频率，但并没有降低频率分辨率，这种
Nf 频率合成器只是用混频器把频率 i 搬移到了 f L 频率两
2π 2N
rad,即最小的相位增量， ϕ f 对应的相位为 ∆ϕ f × 2π rad 即最小的相位增量， 即最小的相位增量 ∆ N
2
2N = ∆ϕ f
2π 完成一个周期的正弦波输出需要 ∆ϕ × 2π f
个参考
2N
时钟周期。 时钟周期。
所以一个参考时钟周期 Tc内输出频率的周期为
∆ϕ f 2N To = Tc 或 f o = N f c ∆ϕ f 2
（3）吞脉冲频率合成器 ） 吞脉冲频率合成器（ 吞脉冲频率合成器（双模前置分频器型单环频率合成 ）：将前置分频器用双模分频器 将前置分频器用双模分频器（ 器）：将前置分频器用双模分频器（Two-Modulus Divider）取代，以保持频率间隔为 fi 的前提下提高输 ）取代， 出频率。它的组成框图如图6.8.3所示。 所示。 出频率。它的组成框图如图 所示
输出频率与查询表ROM的输出位数 M 无关。在一定的时 的输出位数 无关。 输出频率与查询表 决定了合成信号的频率， 钟频率 f c下，相位增量 ∆ϕ f 决定了合成信号的频率，故 表示。 ∆ϕ f 被称为频率控制字，习惯上用 K 表示。因此合成信 被称为频率控制字， 号的频率为
K fo = N fc 2
f o max
1 = fc 2
0
实际应用中， 实际应用中，一般取 f o max = f c × 40 0
的频率分 ② DDS具有极高的频率分辨率∆fo 。DDS的频率分 具有极高的频率分辨率 辨率就是它的最低频率， 辨率就是它的最低频率，即
1 ∆f o = N f c 2
图6.8.6所示是直接数字式频率合成的基本原理框图。 6.8.6所示是直接数字式频率合成的基本原理框图。 所示是直接数字式频率合成的基本原理框图
图6.8.6 直接数字式频率合成原理框图
简单工作原理： 简单工作原理： 设时钟频率为 fc ，输出频率为fo，频率建立字 频率建立字FSW 用相位增量 表示。 用相位增量 ∆ϕ f 表示。 查询表ROM的输出位数为 的输出位数为 若累加器的宽度为 N 位，查询表 ， M ，则 2 N 就相当于 2π rad， 位中的最低有效位相当于 N
环路锁定时， 环路锁定时，输出频率为 f o = NPf i 当改变可变分频器时，就可以输出不同的合成频率。 当改变可变分频器时，就可以输出不同的合成频率。 频率合成器的频率分辨率为 ∆f = Pfi ，即频率分辨率降 低了P倍 可以把参考频率也降低 倍来克服这一缺点 倍来克服这一缺点， 低了 倍，可以把参考频率也降低P倍来克服这一缺点， 但降低鉴相器的参考频率会使锁相环路的许多性能变坏。 但降低鉴相器的参考频率会使锁相环路的许多性能变坏。 可见它是以加大频率间隔， 可见它是以加大频率间隔，降低分辨率为代价换取输出 频率的提高。解决这一问题的方法是采用下变频和双模 频率的提高。 前置分频法来保持频率分辨率不变。 前置分频法来保持频率分辨率不变。
6.8.1 锁相频率合成器
锁相频率合成是应用锁相环路的频率合成方法， 锁相频率合成是应用锁相环路的频率合成方法， 从一个高稳定度和高准确度的基准频率合成大量的离 散频率，基准频率产生器提供一个或几个参考频率， 散频率，基准频率产生器提供一个或几个参考频率， 锁相环路利用其良好的窄带跟踪特性， 锁相环路利用其良好的窄带跟踪特性，使压控振荡器 的输出频率准确地稳定在参考频率或某次谐波上。 的输出频率准确地稳定在参考频率或某次谐波上。
图6.8.3 吞脉冲频率合成器组成框图
在一个计数周期内， 在一个计数周期内，总计脉冲数即分频比为
N t = ( P + 1) A + P( N − A) = A + PN
频率合成器的输出频率为
f o = N t fi = ( A + PN ) fi
上式表明，与简单的频率合成器相比， 提高了P倍 上式表明，与简单的频率合成器相比，o 提高了 倍， f 其中A为个位分频器 为个位分频器， 而频率分辨率仍保持为 fi 。其中 为个位分频器，又称 尾数分频器。 尾数分频器。
6.8 频率合成技术
频率合成器的主要技术指标： 频率合成器的主要技术指标： 1）频率范围 频率合成器的输出频率最小值 f o min ） 和最大值 f o max 之间的变化范围，即频率合成器的工作 之间的变化范围， 频率范围。 频率范围。也可以用频率覆盖系数
k= f o max
f o min
表示。 表示。
边，因此环路性能和本地载频没有直接关系，环路的分 因此环路性能和本地载频没有直接关系， 析和参数的计算和基本单环合成器相同。 析和参数的计算和基本单环合成器相同。 在锁相环路中插入混频器和滤波器，使锁相环路的 在锁相环路中插入混频器和滤波器， 电路复杂，滤波器会使环路性能变坏， 电路复杂，滤波器会使环路性能变坏，混频过程必然会 产生组合频率分量，造成输出信号的频谱纯度下降。 产生组合频率分量，造成输出信号的频谱纯度下降。为 此，可以采用吞脉冲频率合成器。 可以采用吞脉冲频率合成器。
（4）集成频率合成器件， ）集成频率合成器件， 为采用MC145152和双模分频器 和双模分频器MC3393P 图6.8.4为采用 为采用 和双模分频器 构成的吞脉冲型频率合成器电路。 构成的吞脉冲型频率合成器电路。
图6.8.4 采用MC145152构成的吞脉冲型频率合成器
2、多环频率合成器 在不降低参考频率的情况下， 在不降低参考频率的情况下，提高频率分辨率的一个 方法就是采用多环频率合成的方法， 方法就是采用多环频率合成的方法，常见的有双环和三 环的频率合成器。 环的频率合成器。 所示是一个三环频率合成器框图， 图6.8.5所示是一个三环频率合成器框图，它由三个 所示是一个三环频率合成器框图 锁相环路和一个混频电路构成，设环路A输出频率为 锁相环路和一个混频电路构成，设环路A输出频率为 f a。 经过一个M倍的固定分频器后得到 经过一个 倍的固定分频器后得到 f A
直接数字式频率合成的的思路是： 直接数字式频率合成的的思路是： 根据奈奎斯特取样定理，从连续信号的相位出发， 根据奈奎斯特取样定理，从连续信号的相位出发， 对一个正弦信号取样、量化、编码，形成一个正弦函数 对一个正弦信号取样、量化、编码， 表，储存在只读存储器中，合成时通过改变相位累加器 储存在只读存储器中， 的频率控制字，改变相位增量， 的频率控制字，改变相位增量，相位增量的不同导致一 周期内的取样点不同，从而使得输出频率不同。 周期内的取样点不同，从而使得输出频率不同。
固定时， 当时钟频率 f c固定时，改变频率控制字 K ，可以改变 输出频率最低， 合成信号的频率 f o 。当 K = 1 时，输出频率最低，即
f onim
1 = ∆f o = N f c 2
式中 ∆f o 为DDS的频率分辨率。 的频率分辨率。 的频率分辨率 DDS与前两种频率合成器相比，其特点主要表现 与前两种频率合成器相比， 与前两种频率合成器相比 在以下几个方面： 在以下几个方面：