笫8章 頻率合成技術(shù)

笫8章頻率合成技術(shù)

概述頻率合成的基本方法主要技術(shù)指標(biāo)相位噪聲直接頻率合成法鎖相頻率合成法鎖相頻率合成器的基本構(gòu)成鎖相頻率合成器方案設(shè)計(jì)中的一些考慮鎖相頻率合成器的實(shí)際構(gòu)成方案直接數(shù)字式頻率合成

頻率合成器集成電路（*）2001年9月--12月1《通信電路原理》--無(wú)九為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的無(wú)線電通信，減少各種外界因素對(duì)傳輸信號(hào)的干擾，近代通信系統(tǒng)往往要求通信機(jī)具有大量的、可供用戶(hù)選擇和迅速更換的載頻振蕩信號(hào)。概述頻率合成器能夠?qū)崿F(xiàn)上述要求。例如移動(dòng)通信：要求在150、400、900、1800MHz頻率附近提供上百個(gè)頻率點(diǎn)要求這些頻率點(diǎn)的載波振蕩頻率穩(wěn)定度與精度，都應(yīng)滿(mǎn)足系統(tǒng)的性能要求，并能迅速變換。晶體振蕩器無(wú)法滿(mǎn)足上述要求2001年9月--12月2《通信電路原理》--無(wú)九概述

頻率合成是指以一個(gè)或數(shù)個(gè)參考頻率源為基準(zhǔn)，在某一頻段內(nèi)，通過(guò)一定的變換與處理后綜合產(chǎn)生并輸出多個(gè)工作頻率點(diǎn)的過(guò)程?；谶@個(gè)原理制成的頻率源稱(chēng)為頻率合成器。制作高質(zhì)量頻率源成為軍用（電子對(duì)抗）、民用（通信、廣播電視、儀器等）研制工作的一項(xiàng)關(guān)鍵課題。

這些離散頻率的頻率穩(wěn)定度和精度均與基準(zhǔn)頻率相同。這些離散頻率能在很短時(shí)間內(nèi)，由某一頻率變換到另一頻率。頻率合成的基本方法主要有三類(lèi)，直接式頻率合成，鎖相頻率合成（亦稱(chēng)間接式頻率合成）及直接數(shù)字式頻率合成2001年9月--12月3《通信電路原理》--無(wú)九頻率合成器的主要技術(shù)指標(biāo)（1）工作頻率范圍頻率合成器最高與最低輸出頻率所確定的頻率范圍，稱(chēng)為頻率合成器的工作頻率范圍。（2）頻率間隔每個(gè)離散頻率（或信道）之間的最小間隔稱(chēng)為頻率間隔。又稱(chēng)分辨力。（3）頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間由一個(gè)工作頻率轉(zhuǎn)換到另一個(gè)工作頻率并使后者達(dá)到穩(wěn)定工作所需的時(shí)間。工作頻率范圍；頻率間隔；頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間；頻率穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度；頻譜純度。2001年9月--12月4《通信電路原理》--無(wú)九頻率合成器的主要技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）（4）頻率穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度頻率穩(wěn)定度是指在規(guī)定觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，合成器輸出頻率偏離標(biāo)稱(chēng)值的程度。準(zhǔn)確度則表示實(shí)際工作頻率與其標(biāo)稱(chēng)值之間的偏差.（5）頻譜純度頻譜純度是指輸出信號(hào)接近正弦波的程度?？梢杂幂敵龆说挠杏眯盘?hào)電平與各寄生頻率總電平之比的分貝數(shù)表示。有用信號(hào)頻率成分；各寄生信號(hào)頻率成分：有用信號(hào)的各次諧波成分；存在各種周期性干擾（混頻器的高次組合頻率）；干擾引起的隨機(jī)相移（相位噪聲）。穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度有著密切的關(guān)系，因?yàn)橹挥蓄l率穩(wěn)定度高，頻率準(zhǔn)確度才有意義2001年9月--12月5《通信電路原理》--無(wú)九輸出信號(hào)頻率及各種干擾成分返回2001年9月--12月6《通信電路原理》--無(wú)九頻譜純度對(duì)通信系統(tǒng)的影響頻率合成器輸出信號(hào)頻譜不純，對(duì)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)都會(huì)產(chǎn)生不良影響頻譜不純的發(fā)射信號(hào)將對(duì)鄰道信號(hào)產(chǎn)生干擾接收機(jī)的混頻器可將本振噪聲轉(zhuǎn)移到中頻段，將降低中頻信號(hào)的信噪比本振噪聲會(huì)干擾數(shù)字通信載波信號(hào)中的相位噪聲和本振中的相位噪聲直接影響數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率相位噪聲和雜散是頻率合成器（振蕩器）最重要的性能指標(biāo)之一2001年9月--12月7《通信電路原理》--無(wú)九相位噪聲－－頻率穩(wěn)定度在頻域中的表征。一般用偏離載頻f處單邊帶相位噪聲功率譜密度與信號(hào)總功率之比來(lái)表示，單位dB/Hz或dBc/Hz，如：某VCO離中心頻率10KHz的相噪-90dBc/Hz產(chǎn)生原因：由于相鄰信號(hào)的干擾，頻率合成器的輸出信號(hào)將不再是一個(gè)正弦波，而成為一調(diào)幅調(diào)相波。相位噪聲相位噪聲在振蕩器輸出信號(hào)中的表示由于振蕩器存在有源器件、電阻等噪聲及外部干擾，它們通過(guò)振蕩器這個(gè)非線性系統(tǒng)時(shí)，對(duì)它的輸出信號(hào)幅度和相位都可能進(jìn)行調(diào)制，實(shí)際振蕩器的輸出信號(hào)是調(diào)幅調(diào)相波。2001年9月--12月8《通信電路原理》--無(wú)九單頻信號(hào)的頻譜及相位噪聲2001年9月--12月9《通信電路原理》--無(wú)九相位噪聲在振蕩器輸出信號(hào)中的表示第一項(xiàng)為載波電壓Vomcosct,第二項(xiàng)為載波信號(hào)Vomsinct受到相位噪聲n(t)調(diào)制的雙邊帶信號(hào)。振蕩器輸出信號(hào)的頻譜是一根載波頻譜和被搬移到載波兩邊的相位噪聲頻譜的疊加。對(duì)于頻率合成器，寄生調(diào)幅的影響較小，只考慮相噪相位噪聲的特點(diǎn)：在=o處為無(wú)窮大，距離中心頻率越遠(yuǎn)，其值越小。噪聲頻譜與諧振回路有載Q值有關(guān)，Q值越大，曲線越尖銳，相位噪聲衰減得越快。－－提高振蕩回路的Q值是減小相噪的關(guān)鍵2001年9月--12月10《通信電路原理》--無(wú)九直接頻率合成法

采用對(duì)頻率具有加減乘除四則運(yùn)算功能的混頻器、倍頻器、分頻器和具有選頻功能的濾波器的不同組合來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率合成的方法，一般稱(chēng)為直接頻率合成法。倍頻器分頻器混頻器

頻率間隔為：

離散頻率數(shù)由倍頻器的可變倍頻次數(shù)M決定。主要缺點(diǎn)：有較多的非線性電路，可能產(chǎn)生寄生干擾，使輸出信號(hào)頻譜純度降低。接入了大量的、濾波性能要求較高的頻帶濾波器，從而使設(shè)備體積龐大，造價(jià)也十分昂貴。2001年9月--12月11《通信電路原理》--無(wú)九直接頻率合成（續(xù)）舉例1：已知基準(zhǔn)頻率=1MHz。分頻分頻分頻混頻混頻倍頻帶通濾波帶通濾波諧波發(fā)生器晶振缺點(diǎn)：頻率范圍有限；離散頻率數(shù)不能太多；輸出信號(hào)中的寄生頻率成分和相位噪聲顯著加大；設(shè)備變得龐大。2001年9月--12月12《通信電路原理》--無(wú)九

鎖相頻率合成法鎖相頻率合成器，由基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生器和鎖相環(huán)路兩部分組成基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生器為合成電路提供一個(gè)或幾個(gè)高穩(wěn)準(zhǔn)的參考頻率鎖相環(huán)路利用其良好的窄帶跟蹤特性，使頻率準(zhǔn)確地鎖定在參考頻率上，并使被鎖定的頻率具有與參考頻率一致的頻率穩(wěn)定度和較高的頻譜純度鎖相頻率合成器的性能，取決于這兩部分的性能，尤其是環(huán)路的跟蹤特性、濾波特性和噪聲特性主要優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；輸出頻率成分的頻譜純度高；易于得到大量的離散頻率；易于集成化。主要缺點(diǎn)：頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)；單環(huán)頻率合成器的頻率間隔不能做得很小。2001年9月--12月13《通信電路原理》--無(wú)九鎖相頻率合成法VCOLFPD程序分頻器頻道選擇（1）數(shù)字鎖相頻率合成器基本原理返回一返回二是參考頻率，由晶體振蕩器振蕩頻率分頻得到。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，鑒相器兩輸入信號(hào)的頻率相等。改變N即可獲得不同的輸出頻率。2001年9月--12月14《通信電路原理》--無(wú)九當(dāng)=100kHz，分頻比N在31～316范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出頻率范圍將為3.1～31.6MHz，頻率間隔為100KHz。

當(dāng)=100Hz，分頻比N=30000～39999時(shí)，輸出頻率將為3～3.9999MHz，頻率間隔為100Hz。例如，上圖中頻率合成器輸出頻率為：分頻比N范圍一定時(shí)，頻率間隔越大（分辨力越低），頻率合成器工作范圍越寬。數(shù)字鎖相頻率合成器（續(xù)1）2001年9月--12月15《通信電路原理》--無(wú)九數(shù)字鎖相頻率合成器（續(xù)2）－討論

(2)、參考頻率對(duì)環(huán)路性能的影響輸出頻率的分辨力，等于輸入鑒相器的參考頻率，即越小，輸出信號(hào)的頻率分辨力將越高。小環(huán)路頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間

大，

因此減小與減小及抑制VCO噪聲往往成了對(duì)頻率合成器提出的相互矛盾的要求。

對(duì)于輸出頻率較高，當(dāng)很小時(shí)，分頻比N的變化將很大，此時(shí)環(huán)路線性化傳遞函數(shù)也變化很大，如N＝1～1000，開(kāi)環(huán)增益有60dB變化，影響環(huán)路的動(dòng)態(tài)工作性能。上圖

小，對(duì)抑制VCO噪聲不利。(為抑制及其諧波環(huán)路帶寬應(yīng)小于）2001年9月--12月16《通信電路原理》--無(wú)九數(shù)字鎖相頻率合成器（續(xù)3）(3)、可編程分頻器工作速度的影響

對(duì)于一個(gè)分頻比固定的分頻器，目前已有工作在500MHz、800MHz甚至千兆赫的集成器件可供選用?？删幊谭诸l器的工作頻率則要低很多，TTL部件構(gòu)成的可編程分頻器，上限頻率約為幾十MHz，CMOS部件構(gòu)成的可編程分頻器，上限頻率則更低。而大多數(shù)通信系統(tǒng)的工作頻率則要上百、上千MHz。

可編程分頻器是數(shù)字鎖相頻率合成器的重要部件。

其分頻比的數(shù)目，決定了合成器輸出信道的數(shù)目。

程序分頻器的輸入頻率，也是合成器的輸出頻率。

存在合成器輸出頻率與可編程分頻器的工作速度之間的矛盾。上圖2001年9月--12月17《通信電路原理》--無(wú)九數(shù)字鎖相頻率合成器（續(xù)4）－－方案（1）、含前置分頻器的鎖相頻率合成器在主分頻器前，接入分頻比恒定的前置分頻器，以降低主分頻器（可編程分頻）的工作頻率。鑒相VCO低通主分頻器前置分頻器參考分頻器晶振當(dāng)改變N時(shí)，輸出頻率將為以為間隔的離散頻率系列?？梢?jiàn)本方案是以加大頻率間隔為代價(jià)，換取合成器工作在較高的頻段。2001年9月--12月18《通信電路原理》--無(wú)九數(shù)字鎖相頻率合成器（續(xù)5）（2）采用吞脈沖可變分頻器的鎖相頻率合成器1、吞脈沖可變分頻器組成框圖N大于A頻道選擇主計(jì)數(shù)器模式控制輔助計(jì)數(shù)器雙模前置分頻器“1”---計(jì)數(shù)“0”---停止“1”---“0”---返回去鑒相器來(lái)自VCO2001年9月--12月19《通信電路原理》--無(wú)九數(shù)字鎖相頻率合成器（續(xù)6）

模式控制電路為高電平時(shí)，雙模分頻器的分頻比為。

模式控制電路為低電平時(shí)，雙模分頻器的分頻比為。

N（主計(jì)數(shù)器）>A（輔助計(jì)數(shù)器）。

計(jì)數(shù)起始時(shí)，設(shè)模式控制電路輸出為高電平，則輸入端重復(fù)頻率為的脈沖輸入時(shí)，雙模分頻器和兩計(jì)數(shù)器同時(shí)計(jì)數(shù)，直到輔助計(jì)數(shù)器計(jì)滿(mǎn)A個(gè)脈沖，使模式控制電路輸出電平降為低電平，雙模分頻器分頻比變?yōu)椤翽。

此后繼續(xù)輸入脈沖，雙模分頻器與主分頻器繼續(xù)工作，直到主計(jì)數(shù)器計(jì)滿(mǎn)N，模式控制電路重新恢復(fù)高電平，雙模分頻器恢復(fù)÷（P+1）分頻比，各部件進(jìn)入第二個(gè)計(jì)數(shù)周期為止。

在一個(gè)計(jì)數(shù)周期內(nèi)，總計(jì)脈沖量為：上圖2001年9月--12月20《通信電路原理》--無(wú)九數(shù)字鎖相頻率合成器（續(xù)7）

吞脈沖分頻比為：

采用吞脈沖分頻器構(gòu)成頻率合成器時(shí)，其最小頻率間隔可以做到等于，而輸出頻率則為：頻率分辨力仍為，環(huán)路頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間沒(méi)有變化。這是因?yàn)樯鲜街杏泻晚?xiàng)（A為分頻比的個(gè)位）

。2001年9月--12月21《通信電路原理》--無(wú)九數(shù)字鎖相頻率合成器（續(xù)7）2、采用吞脈沖可變分頻器的鎖相頻率合成器鑒相VCO低通晶振雙模前置分頻器主計(jì)數(shù)器輔助計(jì)數(shù)器模式控制參考分頻器“1”---“0”---頻道選擇頻道選擇2001年9月--12月22《通信電路原理》--無(wú)九方案（3）、多環(huán)頻率合成器－解決單環(huán)頻率間隔受限PD1LF1VCO1可變÷N1÷100（-）PD3LF3VCO3PD2LF2VCO2可變÷N2頻率間隔為fi/1002001年9月--12月23《通信電路原理》--無(wú)九實(shí)用頻率合成器芯片－－并行碼輸入編程2001年9月--12月24《通信電路原理》--無(wú)九采用MC145152的頻率合成器電路R＝20482001年9月--12月25《通信電路原理》--無(wú)九西門(mén)子手機(jī)芯片PMB2307R三總線控制的頻率合成器芯片－－2001年9月--12月26《通信電路原理》--無(wú)九PMB2307頻率合成器電路2001年9月--12月27《通信電路原理》--無(wú)九舉例2：若含吞脈沖分頻器的鎖相頻率合成器，其雙模分頻器的分頻數(shù)為÷41/40，主計(jì)數(shù)的N=3～1023，輔助計(jì)數(shù)器的A=3～127，已知參考頻率=5KHz，要使輸出頻率=136.550MHz，兩計(jì)數(shù)器N和A應(yīng)預(yù)置于何值？2001年9月--12月28《通信電路原理》--無(wú)九

舉例可列出：27310=40N+A頻率點(diǎn)數(shù)：4萬(wàn)多。解：由和可得出合成器環(huán)路分頻器的分頻數(shù)應(yīng)為：先忽略A，求得：N=27310/40=682.75，取N=682則余數(shù)A值為：A=27310-40×682=30即當(dāng)=5kHz時(shí)，將÷N、÷A兩計(jì)數(shù)器分別置于N=682和A=30，即可使輸出頻率=136.550MHz。2001年9月--12月29《通信電路原理》--無(wú)九直接數(shù)字頻率合成（DDS）通過(guò)對(duì)相位的運(yùn)算進(jìn)行頻率合成。

主要優(yōu)點(diǎn)：相位連續(xù)；分辨力高（可達(dá)0.001Hz）；工作頻率范圍寬，容易做到極低的頻率；轉(zhuǎn)換頻率的時(shí)間短（幾乎是即時(shí)的頻率轉(zhuǎn)換），以及成本低、控制靈活等。主要缺點(diǎn)：輸出頻率上限不太高，受限于器件可用的最高時(shí)鐘頻率；總輸出噪聲電平較高。（DirectDigtialFrequencySynthesis簡(jiǎn)稱(chēng)DDFS或DDS）是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種將先進(jìn)的數(shù)字處理理論與方法引入信號(hào)合成領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)（第三代）。主要的理論依據(jù)是時(shí)域抽樣定理。2001年9月--12月30《通信電路原理》--無(wú)九直接數(shù)字頻率合成基本原理（1）時(shí)域抽樣定理，即Nyquist定理

對(duì)于任意一個(gè)頻帶小于的連續(xù)信號(hào)s(t)，如果以的間隔對(duì)它進(jìn)行等間隔地抽樣，則所得到的離散抽樣值包含著連續(xù)信號(hào)s(t)的全部信息，通過(guò)這些抽樣值可以恢復(fù)s(t)。余弦信號(hào)可表示為：抽樣信號(hào)為：如果能構(gòu)造一個(gè)抽樣信號(hào)，并使其通過(guò)一個(gè)理想的低通濾波器，就能得