6.8 频率合成技术 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 minof
和最大值 maxof 之间的变化范围,即频率合成器的工作
频率范围。也可以用频率覆盖系数 max
min
o
o
fk f 表示。
2 )频率间隔(分辨率) 相邻频率之间的最小间隔为频率合成器的频率间隔。
如:对短波单边带通信来说,多取频率间隔为 100Hz 有的甚至取为 10Hz 、 1Hz 乃至 0.1Hz 。
对超短波通信来说,频率间隔多取为 50kHz 或 10kHz 。
用途不同,要求的频率间隔不同。
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。
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。
4 )频率稳定度与准确度
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。
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。
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。
理想的正弦信号的频谱只有一根谱线,但实际的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谱,这些离散谱称为杂波,连续谱称为噪声。
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,
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,
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。
1 、单环频率合成器
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
1 )带有前置分频器的数字频率合成器
当改变可变分频器时,就可以输出不同的合成频率。
环路锁定时,输出频率为 o if NPf
低了 P 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。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
和双模前置分频法来保持频率分辨率不变。
if Pf ,即频率分辨率降频率合成器的频率分辨率为
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。
由图知,可变分频器的输入信号的频率为 o Lf f
当环路锁定时, o Lif ff N
输出频率为 o L if f Nf
在锁相环路中插入混频器和滤波器,使锁相环
路的电路复杂,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。
为此,可以采用吞脉冲频率合成器。
边,因此环路性能和本地载频没有直接关系,环路的分
析和参数的计算和基本单环合成器相同。
合成器的输出频率,但并没有降低频率分辨率,这种
频率合成器只是用混频器把频率 iNf 搬移到了 Lf 频率两
可见这时频率分辨率仍然为 if ,这种方法提高了频率
( 3 )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器):将前置分频器用双模分频器( Two-Modulus D
ivider )取代,以保持频率间隔为 if 的前提下提高输出频率。它的组成框图如图 6.8.3 所示。
图 6.8.3 吞脉冲频率合成器组成框图
在一个计数周期内,总计脉冲数即分频比为
( 1) ( )tN P A P N A A PN
频率合成器的输出频率为
( )o t i if N f A PN f
上式表明,与简单的频率合成器相比, of 提高了 P 倍,
而频率分辨率仍保持为 if 。其中 A 为个位分频器,又称
尾数分频器。
在不降低参考频率的情况下,提高频率分辨率的一个
2、多环频率合成器
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。
图6.8.5所示是一个三环频率合成器框图,它由三个锁相环路和一个混频电路构成,设环路 A 输出频率为 。
af
经过一个 M 倍的固定分频器后得到 Af
a AA i
f Nf f
M M
频率分辨率为 1
A if fM
显然比单环合成器的频率分辨率提高了 M
倍。因此一般称环路 A 为高分辨率环。
设环路 B 的输出频率为 Bf
B B if N f
频率分辨率为 B if f
环路 C 是混频相加环,将环路 B 的输出频率和环路 C 的输出频率混频之后得到( o Bf f ),并送到鉴相器和
Af 做相位比较,可得到输出频率 A
o A B i B i
Nf f f f N f
M
6.8.2 直接数字频率合成器 直接数字式频率合成器( Digital Direct Sy
nthesizer ,简称为 DDS )是以数字信号处理理论为
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
率、快速的频率转换时间、很宽的相对带宽、任意波
形的输出能力和数字调制等优点。
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
函数表,储存在只读存储器中,合成时通过改变相位累
加器的频率控制字,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。
直接数字式频率合成的的思路是:
若累加器的宽度为 N 位,查询表 ROM 的输出位数为
M ,则 2N 就相当于 2 rad , 位中的最低有效位相当于 N
2
2N
rad, 即最小的相位增量, 对应的相位为 f 2
2f N
rad
时钟周期。
简单工作原理:
设时钟频率为 cf ,输出频率为 of ,频率建立字 FSW
用相位增量 f 表示。
完成一个周期的正弦波输出需要 2 222
N
fNf
个参考
所以一个参考时钟周期 cT内输出频率的周期为
2No c
f
T T
或
2f
o cNf f
输出频率与查询表 ROM 的输出位数
M无关。在一定的时
钟频率 cf 下,相位增量 f 决定了合成信号的频率,故
被称为频率控制字,习惯上用 f K表示。因此合成信
号的频率为
2o cN
Kf f
cf当时钟频率 固定时,改变频率控制字 K,可以改变
合成信号的频率 of 。当 1K 时,输出频率最低,即
1
2onim o cNf f f
式中 of 为 DDS 的频率分辨率。
DDS 与前两种频率合成器相比,其特点主要表现在以下几个方面:
1K ,因而其最低频率为 1
2onim cNf f
式中, N为累加器的宽度或字长,当 很大时,最低输出N
数量级。最高频率受限于时钟频率频率可达 Hz 甚至 mHz
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
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,因此最大的合成频率为
max
1
2o cf f
实际应用中,一般取 max040 0o cf f
辨率就是它的最低频率,即
1
2o cNf f
在时钟频率 cf 确定后,频率分辨率由相位累加器的字长
N 决定,只要 N足够大,就可以获得足够高的频率分辨率。例如当 50MHzcf , 48N 位, 可达到 of
60.18 10
是传统的频率合成器所不及的。
② DDS具有极高的频率分辨率 。 DDS 的频率分
of
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