笫8章頻率合成技術

概述頻率合成的基本方法主要技術指標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成鎖相頻率合成器方案設計中的一些考慮鎖相頻率合成器的實際構成方案直接數字式頻率合成

頻率合成器集成電路（*）2001年9月--12月1《通信電路原理》--無九為了實現高質量的無線電通信，減少各種外界因素對傳輸信號的干擾，近代通信系統往往要求通信機具有大量的、可供用戶選擇和迅速更換的載頻振蕩信號。概述頻率合成器能夠實現上述要求。例如移動通信：要求在150、400、900、1800MHz頻率附近提供上百個頻率點要求這些頻率點的載波振蕩頻率穩定度與精度，都應滿足系統的性能要求，并能迅速變換。晶體振蕩器無法滿足上述要求2001年9月--12月2《通信電路原理》--無九概述

頻率合成是指以一個或數個參考頻率源為基準，在某一頻段內，通過一定的變換與處理后綜合產生并輸出多個工作頻率點的過程。基于這個原理制成的頻率源稱為頻率合成器。制作高質量頻率源成為軍用（電子對抗）、民用（通信、廣播電視、儀器等）研制工作的一項關鍵課題。

這些離散頻率的頻率穩定度和精度均與基準頻率相同。這些離散頻率能在很短時間內，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，直接式頻率合成，鎖相頻率合成（亦稱間接式頻率合成）及直接數字式頻率合成2001年9月--12月3《通信電路原理》--無九頻率合成器的主要技術指標（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，稱為頻率合成器的工作頻率范圍。（2）頻率間隔每個離散頻率（或信道）之間的最小間隔稱為頻率間隔。又稱分辨力。（3）頻率轉換時間由一個工作頻率轉換到另一個工作頻率并使后者達到穩定工作所需的時間。工作頻率范圍；頻率間隔；頻率轉換時間；頻率穩定度與準確度；頻譜純度。2001年9月--12月4《通信電路原理》--無九頻率合成器的主要技術指標（續）（4）頻率穩定度與準確度頻率穩定度是指在規定觀測時間內，合成器輸出頻率偏離標稱值的程度。準確度則表示實際工作頻率與其標稱值之間的偏差.（5）頻譜純度頻譜純度是指輸出信號接近正弦波的程度?？梢杂幂敵龆说挠杏眯盘栯娖脚c各寄生頻率總電平之比的分貝數表示。有用信號頻率成分；各寄生信號頻率成分：有用信號的各次諧波成分；存在各種周期性干擾（混頻器的高次組合頻率）；干擾引起的隨機相移（相位噪聲）。穩定度與準確度有著密切的關系，因為只有頻率穩定度高，頻率準確度才有意義2001年9月--12月5《通信電路原理》--無九輸出信號頻率及各種干擾成分返回2001年9月--12月6《通信電路原理》--無九頻譜純度對通信系統的影響頻率合成器輸出信號頻譜不純，對接收機和發射機都會產生不良影響頻譜不純的發射信號將對鄰道信號產生干擾接收機的混頻器可將本振噪聲轉移到中頻段，將降低中頻信號的信噪比本振噪聲會干擾數字通信載波信號中的相位噪聲和本振中的相位噪聲直接影響數字相位調制系統的誤碼率相位噪聲和雜散是頻率合成器（振蕩器）最重要的性能指標之一2001年9月--12月7《通信電路原理》--無九相位噪聲－－頻率穩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總功率之比來表示，單位dB/Hz或dBc/Hz，如：某VCO離中心頻率10KHz的相噪-90dBc/Hz產生原因：由于相鄰信號的干擾，頻率合成器的輸出信號將不再是一個正弦波，而成為一調幅調相波。相位噪聲相位噪聲在振蕩器輸出信號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，它們通過振蕩器這個非線性系統時，對它的輸出信號幅度和相位都可能進行調制，實際振蕩器的輸出信號是調幅調相波。2001年9月--12月8《通信電路原理》--無九單頻信號的頻譜及相位噪聲2001年9月--12月9《通信電路原理》--無九相位噪聲在振蕩器輸出信號中的表示第一項為載波電壓Vomcosct,第二項為載波信號Vomsinct受到相位噪聲n(t)調制的雙邊帶信號。振蕩器輸出信號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。對于頻率合成器，寄生調幅的影響較小，只考慮相噪相位噪聲的特點：在=o處為無窮大，距離中心頻率越遠，其值越小。噪聲頻譜與諧振回路有載Q值有關，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值是減小相噪的關鍵2001年9月--12月10《通信電路原理》--無九直接頻率合成法

采用對頻率具有加減乘除四則運算功能的混頻器、倍頻器、分頻器和具有選頻功能的濾波器的不同組合來實現頻率合成的方法，一般稱為直接頻率合成法。倍頻器分頻器混頻器

頻率間隔為：

離散頻率數由倍頻器的可變倍頻次數M決定。主要缺點：有較多的非線性電路，可能產生寄生干擾，使輸出信號頻譜純度降低。接入了大量的、濾波性能要求較高的頻帶濾波器，從而使設備體積龐大，造價也十分昂貴。2001年9月--12月11《通信電路原理》--無九直接頻率合成（續）舉例1：已知基準頻率=1MHz。分頻分頻分頻混頻混頻倍頻帶通濾波帶通濾波諧波發生器晶振缺點：頻率范圍有限；離散頻率數不能太多；輸出信號中的寄生頻率成分和相位噪聲顯著加大；設備變得龐大。2001年9月--12月12《通信電路原理》--無九

鎖相頻率合成法鎖相頻率合成器，由基準頻率產生器和鎖相環路兩部分組成基準頻率產生器為合成電路提供一個或幾個高穩準的參考頻率鎖相環路利用其良好的窄帶跟蹤特性，使頻率準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，尤其是環路的跟蹤特性、濾波特性和噪聲特性主要優點：系統結構簡單；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：頻率轉換時間長；單環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》--無九鎖相頻率合成法VCOLFPD程序分頻器頻道選擇（1）數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。當環路鎖定時，鑒相器兩輸入信號的頻率相等。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》--無九當=100kHz，分頻比N在31～316范圍內變化時，輸出頻率范圍將為3.1～31.6MHz，頻率間隔為100KHz。

當=100Hz，分頻比N=30000～39999時，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，頻率間隔越大（分辨力越低），頻率合成器工作范圍越寬。數字鎖相頻率合成器（續1）2001年9月--12月15《通信電路原理》--無九數字鎖相頻率合成器（續2）－討論

(2)、參考頻率對環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，輸出信號的頻率分辨力將越高。小環路頻率轉換時間

大，

因此減小與減小及抑制VCO噪聲往往成了對頻率合成器提出的相互矛盾的要求。

對于輸出頻率較高，當很小時，分頻比N的變化將很大，此時環路線性化傳遞函數也變化很大，如N＝1～1000，開環增益有60dB變化，影響環路的動態工作性能。上圖

小，對抑制VCO噪聲不利。(為抑制及其諧波環路帶寬應小于）2001年9月--12月16《通信電路原理》--無九數字鎖相頻率合成器（續3）(3)、可編程分頻器工作速度的影響

對于一個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部件構成的可編程分頻器，上限頻率約為幾十MHz，CMOS部件構成的可編程分頻器，上限頻率則更低。而大多數通信系統的工作頻率則要上百、上千MHz。

可編程分頻器是數字鎖相頻率合成器的重要部件。

其分頻比的數目，決定了合成器輸出信道的數目。

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》--無九數字鎖相頻率合成器（續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改變N時，輸出頻率將為以為間隔的離散頻率系列?？梢姳痉桨甘且约哟箢l率間隔為代價，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》--無九數字鎖相頻率合成器（續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頻道選擇主計數器模式控制輔助計數器雙模前置分頻器“1”---計數“0”---停止“1”---“0”---返回去鑒相器來自VCO2001年9月--12月19《通信電路原理》--無九數字鎖相頻率合成器（續6）

模式控制電路為高電平時，雙模分頻器的分頻比為。

模式控制電路為低電平時，雙模分頻器的分頻比為。

N（主計數器）>A（輔助計數器）。

計數起始時，設模式控制電路輸出為高電平，則輸入端重復頻率為的脈沖輸入時，雙模分頻器和兩計數器同時計數，直到輔助計數器計滿A個脈沖，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為÷P。

此后繼續輸入脈沖，雙模分頻器與主分頻器繼續工作，直到主計數器計滿N，模式控制電路重新恢復高電平，雙模分頻器恢復÷（P+1）分頻比，各部件進入第二個計數周期為止。

在一個計數周期內，總計脈沖量為：上圖2001年9月--12月20《通信電路原理》--無九數字鎖相頻率合成器（續7）

吞脈沖分頻比為：

采用吞脈沖分頻器構成頻率合成器時，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，環路頻率轉換時間沒有變化。這是因為上式中有和項（A為分頻比的個位）

。2001年9月--12月21《通信電路原理》--無九數字鎖相頻率合成器（續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數器輔助計數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》--無九方案（3）、多環頻率合成器－解決單環頻率間隔受限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》--無九實用頻率合成器芯片－－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》--無九西門子手機芯片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》--無九PMB2307頻率合成器電路2001年9月--12月27《通信電路原理》--無九舉例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為÷41/40，主計數的N=3～1023，輔助計數器的A=3～127，已知參考頻率=5KHz，要使輸出頻率=136.550MHz，兩計數器N和A應預置于何值？2001年9月--12月28《通信電路原理》--無九

舉例可列出：27310=40N+A頻率點數：4萬多。解：由和可得出合成器環路分頻器的分頻數應為：先忽略A，求得：N=27310/40=682.75，取N=682則余數A值為：A=27310-40×682=30即當=5kHz時，將÷N、÷A兩計數器分別置于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》--無九直接數字頻率合成（DDS）通過對相位的運算進行頻率合成。

主要優點：相位連續；分辨力高（可達0.001Hz）；工作頻率范圍寬，容易做到極低的頻率；轉換頻率的時間短（幾乎是即時的頻率轉換），以及成本低、控制靈活等。主要缺點：輸出頻率上限不太高，受限于器件可用的最高時鐘頻率；總輸出噪聲電平較高。（DirectDigtialFrequencySynthesis簡稱DDFS或DDS）是近年來發展起來的一種將先進的數字處理理論與方法引入信號合成領域的一項新技術（第三代）。主要的理論依據是時域抽樣定理。2001年9月--12月30《通信電路原理》--無九直接數字頻率合成基本原理（1）時域抽樣定理，即Nyquist定理

對于任意一個頻帶小于的連續信號s(t)，如果以的間隔對它進行等間隔地抽樣，則所得到的離散抽樣值包含著連續信號s(t)的全部信息，通過這些抽樣值可以恢復s(t)。余弦信號可表示為：抽樣信號為：如果能構造一個抽樣信號，并使其通過一個理想的低通濾波器，就能得