擴頻通信第4章2

1、雙通道 QPSK 接收機方案如圖 4-14(b所示。雙通道 QPSK 調制解調器和前 面所述的平衡 QPSK 調制解調器的工作原理是相似的。 跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng) (TDRSS中所用的擴頻信號之一就是采用這種類型的方案。 圖 4-14 雙信道 QPSK 直擴系統(tǒng)方框圖(a 發(fā)端方框圖; (b收端方框圖最后需要指出,上述所有 QPSK 調制解調器方案中的擴頻調制均可改用 OQPSK 調制。在 TDRSS 中就應用了 OQPSK 方案。4.3.4 MSK直接序列擴頻系統(tǒng)另一種實用的直接序列擴頻調制方案是最小頻移鍵控 MSK 。 圖 4-15所示為 并行 MSK 直接序列擴頻調制解調器方框圖。其發(fā)

2、射機輸出信號為2sin(sin ( ( 2cos(cos ( ( (0201t f t T t c t Ad t f t T t c t Ad t s c c + = (4-22 圖 4-15 MSK擴頻調制解調器方框圖 (a 發(fā)端調制方框圖; (b收端解調方框圖當載波和擴頻碼都取得同步時, MSK 直接序列擴頻信號可由圖 4-15(b所示 接收機解調,從而恢復原始數(shù)據(jù)。2c (a(b (as (b (t 2(t 圖 4-15所示并行 MSK 擴頻系統(tǒng)方案的缺點是其硬件設備相當復雜, 而串行 MSK 硬件設備要簡單很多,因此在 MSK 擴頻系統(tǒng)中,串行 MSK 直接序列擴頻 技術比較適用。圖

3、4-16所示為串行 MSK (即 SMSK 擴頻調制解調器原理方框圖。 圖 4-16(a和 (b為兩種發(fā)射機方案,兩者的區(qū)別只是信息信號調制器的位置不同,原理是 一樣的。它們都是在二相移相鍵控的基礎上,用變換濾波器來形成 MSK 信號, 在接收端,進行類似的處理,以便得到最佳解調性能。在發(fā)射機和接收機中的 MSK 變換濾波器是一個線性無源時不變?yōu)V波器, 該濾波器的設計是實現(xiàn) MSK 的 關鍵,但特別適合基于 DSP 處理的軟件無線電技術來實現(xiàn)。與并行 MSK 擴頻方案相比, SMSK 調制解調器只使用一個擴頻碼,而并行 MSK 調制解調器中要使用兩個獨立的擴頻碼, 但是, 在得到相同性能的條件

4、下, SMSK 擴頻碼速率要比并行 MSK 方案的碼速率提高一倍。 圖 4-16 串行 MSK 擴頻調制解調器(a 一種串行 MSK 擴頻調制器; (b 另一種串行 MSK 擴頻調制器(c 串行 MSK 擴頻信號解調器需要指出,在圖 4-16(a所示方案中,信息信號調制可能在輸出信號中產生 /2相位突變,它是由于每當信息信號是“ 1”時載波增加 /2相移造成的。在圖 4-16(b 所示方案中,在 MSK 變換之前,信息信號和擴頻碼進行模 2加,這時 由于是信息信號調制后才進行 MSK 變換,載波可不產生 /2的相位突變,并且 發(fā)射信號的功率譜與擴頻碼速率對載波進行 MSK 調制的功率譜相同。但

5、這時接 收機中只能近似恢復 BPSK 信息信號調制的巳調波形。 而對于高處理增益的系統(tǒng) 來講,這種近似是非常好的,因此這種電路非常實用。4.4 頻率跳變擴頻通信系統(tǒng)頻率跳變擴頻系統(tǒng)盡管和直接序列擴頻系統(tǒng)一樣, 采用很寬的頻帶來傳輸窄 帶的信息信號, 但由于其工作原理和直接序列系統(tǒng)完全不同, 因而其發(fā)射信號的 產生、頻譜結構等也與直接序列系統(tǒng)完全不同。4.4.1 跳頻系統(tǒng)的物理概念跳頻就是用偽隨機碼序列構成跳頻指令來控制頻率合成器輸出信號的頻率, 在多個頻率中進行選擇的移頻鍵控。在常規(guī)通信系統(tǒng)中, 2FSK 調制方式只有 2個頻率:f 1和 f 2分別代表信息信號的 1和 0。而跳頻系統(tǒng)則要求提

6、供幾百個、幾 千個甚至幾萬個離散的頻率供隨機選取。由偽隨機碼序列來構成跳頻指令 (又稱c A 0c(a 0c (bs (t 2cos(2f r -p/(4T c t +r (c跳頻圖案 ,來隨機選取發(fā)送信號的頻率。在接收端, 為了對輸入信號進行解擴 (對于跳頻系統(tǒng)的解擴通常稱為解跳 , 需要有與發(fā)端相同的本地參考偽隨機碼序列發(fā)生器構成的跳頻指令去控制本地 的頻率合成器, 使其輸出的跳頻信號能在混頻器中與接收到的跳頻信號差出一個 固定的中頻信號來。 經(jīng)中頻放大器放大及帶通濾波器濾波后, 得到一個受信息信 號調制的中頻信號, 然后送到信息解調器恢復出原來的信息信號。 頻率跳變擴頻 系統(tǒng)的簡單原理方

7、框圖見圖 4-17。 圖 4-17 跳頻系統(tǒng)原理方框圖(a 發(fā)射系統(tǒng);(b 接收系統(tǒng);下面簡單介紹頻率跳變擴頻系統(tǒng)的工作過程。在發(fā)送端偽隨機碼序列 (擴頻碼序列 發(fā)生器輸出的跳頻指令或圖案,去控制 頻率合成器輸出信號的頻率, 使其輸出信號的頻率隨機地跳躍變化, 如圖 4-18(a所示。 頻率合成器輸出的信號就是發(fā)射機的本振信號, 被信息信號調制后作為跳 頻信號輸出。 圖 4-18 跳頻時頻矩陣圖 (a頻率跳變示意圖; (b 跳頻時頻矩陣圖從時間 -頻率的對應關系來看,多頻率的移頻鍵控信號是由時頻矩陣組成, 每個頻率的持續(xù)時間為 T s ,并按照跳頻指令的規(guī)定在時頻矩陣內跳變,如圖 4-18(b

8、所示。圖 4-19給出了圖 4-17所示頻率跳變擴頻系統(tǒng)方框圖中各點波形示意圖。圖 4-19中 (1為送入發(fā)端頻率合成器的跳頻指令波形; (2為發(fā)端頻率合成器輸出的 頻移載波波形示意圖; (3為送入接收端頻率合成器的跳頻指令波形,該跳頻指 令由接收端的偽碼發(fā)生器產生; (4為接收端頻率合成器輸出的參考頻移載波波 形; (5為解跳后送入解調器的相干中頻波形。擴頻碼的碼速率 c R ,為了和信息碼的碼速率區(qū)別,擴頻碼的碼速率通常稱 為碼片速率或切普 (Chip速率,在跳頻系統(tǒng)中它決定了頻率跳變的快慢,也就是 系統(tǒng)的頻率跳變速率。 擴頻碼的碼元寬度 c T 稱為碼片, 包括兩部分內容, 一是頻(b

9、(a 跳頻序列 f 3, f 1, f 5, f 2, f 4 (a s s s s s f f f f f (b 率的轉換時間 t T ,另一是在該頻點的持續(xù)時間 稱為駐留時間 s T ,即 s t c T T T +=。在慢跳頻系統(tǒng)中,頻率的轉換時間可忽略,在快跳頻系統(tǒng)中,頻率 轉換時間的長短將成為系統(tǒng)成敗的關鍵因素。 在進行理論分析頻率跳變系統(tǒng)的性 能時,通常將 t T 的影響忽略,近似認為 s c T T =。 圖 4-19 頻率跳變系統(tǒng)各點信號波形示意圖從上述頻率跳變系統(tǒng)的物理概念可以看出, 頻率跳變系統(tǒng)也占用了比信息帶 寬要寬得多的傳輸頻帶。在某一瞬間看,跳頻系統(tǒng)只是在單一射頻載波

10、上通信。 但從總的通信時間上看, 跳頻信號用占據(jù)寬的射頻頻帶 (b NR B 2RF = 來換取強的 抗干擾能力。 它的擴頻處理增益等于系統(tǒng)可選用的頻率數(shù) N 。 例如一個具有可供 選用的頻率數(shù)為 N =1 000的頻率跳變系統(tǒng),它的擴頻處理增益 dB 30=P G 。任何 外來干擾信號只有在與有用信號的頻率相同, 且在有用信號的載波持續(xù)時間 (駐 留時間 s T 內才起作用。 而有用信號載波的頻率受擴頻偽隨機碼的控制, 當頻率 跳變后, 干擾信號就不再起作用了。 可以說頻率跳變信號的特點是在一個很寬的 寬帶范圍內采用 “躲避” 式的方法來抵抗干擾信號, 所以有人把頻率跳變系統(tǒng)稱 為“躲避”式

11、系統(tǒng)。在跳頻系統(tǒng)中, 由偽隨機碼發(fā)生器、 指令譯碼器和頻率合成器組成了頻率跳 變器, 是頻率跳變系統(tǒng)的核心器件。 可供選取的頻率數(shù)和頻率跳變速率決定了整 個系統(tǒng)的抗干擾能力, 同時也決定了偽隨機碼發(fā)生器和頻率合成器的指標。 在跳 頻系統(tǒng)中,信號頻譜的擴展是由可供選取的頻率數(shù) N 來決定的,而跳頻速率既 可等于信息的碼速率, 也可低于或高于信息碼速率, 視實際情況和具體要求而定。 f 1 f 2 f 3 f 4 (1 (2(4 f 1+f IIF f 2+f IIF f 3+f IIF f 4+f IIF (3 (5顯然, 跳頻系統(tǒng)對偽隨機碼發(fā)生器的要求沒有直接序列擴頻系統(tǒng)中要求的那 么高, 同

12、步要求也沒有直接序列擴頻系統(tǒng)中要求的那樣嚴格, 但對頻率合成器的 要求比較苛刻, 既要求頻率合成器輸出的頻譜純度高, 又要求可供選用的頻率數(shù) N 足夠大、頻率轉換時間短(跳變速率高 、頻率鎖定時間短和跳頻圖案(跳頻 指令比較復雜等。4.4.2 頻率跳變擴頻信號的頻譜結構這一節(jié)我們來分析頻率跳變擴頻系統(tǒng)跳頻器輸出信號的頻譜。 在第 1章我們 給出了頻率跳變系統(tǒng)頻率合成器輸出信號的時域表達式,重寫如下-=-*-+=m c N k c T k k mNT t kT t g t f A t a c ( (2cos (1 (4-23 設閘門函數(shù) (t g c T 的自相關函數(shù)為 (c T g R , 功

13、率譜密度函數(shù)為 (f S c t g 。 表示周期性的沖擊函數(shù)串(-=-m c mNT t 的傅立葉變換為 (-=-= -m c c m c NT m f NT mNT t 1 (4-24 因為 (1 (1=-*-=m c N k c T mNT t kT t gc (4-25 因此式 (4-25所示信號的功率譜密度函數(shù)為(1 (1f NT m f NT f S m c c N k g c T = -= (6-26 或改寫為( (1f NT m f f S T m c g c c T = -= (6-27 根據(jù)式 (4-23我們可以寫出 (t a 的功率譜密度函數(shù) (f S a(=-=-=+-

14、=+-*=+-* -= -*+-=Nk k k N k k k m N k k k c g cm c cN k g k k a f f f f N A f f f f f N A f f f f NT m f f S NT A NT m f NT f S f f f f A f S c T c T 12121212 ( (4 ( ( (4 ( (41 ( (4 (4-28 (t a 的功率譜密度函數(shù) (f S a 的單邊表達式為=-=Nk k a f f N A f S 12 (2 ( (4-29 由式 (4-29給出的頻率跳變擴頻系統(tǒng)頻率合成器輸出信號的頻譜示意圖,如 圖 4-20所示。 圖

15、 4-20中, +=f C f f k k 0, 1=k C , 2, , k , , N (N k 1 。97由圖 4-20可以看出,頻率跳變擴頻系統(tǒng)頻率合成器輸出信號的頻譜由 N 個 沖擊函數(shù) (單頻正弦波 組成, 各沖擊函數(shù)的強度均為 2/(2N A , 頻率間隔為 f 。 這個結果是我們預料之中的,由于信號的總功率為 2/2A ,因此每個跳頻載波的 功率值為 2/(2N A 。圖 4-20 頻率合成器輸出信號的頻譜圖 4-20告訴我們,頻率跳變擴頻系統(tǒng)中理想的頻率合成器輸出的頻譜應為 等間隔的一系列線譜,并且每個頻道均具有相同的輸出功率。當信息信號 (t d 是等概取值±1的

16、二進制數(shù)據(jù)信號,對載波進行 PSK 調制 時,發(fā)射機輸出的信號為(PSK 1( ( ( cos 2c N k k T c c k m s t d t a t Ad t f t g t kT t mNT =-=+-*- (4-30假設信息信號對載波采用 PSK 調制, (t d 的碼速率為 b R ,功率譜密度函數(shù) 為 (f S d 時,由式 (4-29和 (4-30可以得出 (PSK t s 的功率譜密度函數(shù) (PSK f S (單 邊=-=*=Nk k d a d f f S N A f S f S f S 12PSK (2( ( ( (4-31 根據(jù)式 (4-31可以畫出發(fā)射機輸出信號的頻

17、譜示意圖,見圖 4-21和圖 4-22。 圖 4-21為調制后各頻道間頻譜重疊的情況;圖 4-22為調制后各頻道間頻譜不重 疊的情況。圖 4-21頻率跳變系統(tǒng) PSK 調制信號頻譜示意圖(頻譜重疊當信息碼的碼速率為 b R 時,為了盡可能減少鄰道干擾,頻率間隔 f 應選擇 為 b R ,這樣中心頻率為 k f 的頻道頻譜的零值點正好處于與其左右相鄰的、中心 頻率為 b i k R f f f ±=±的頻道頻譜的峰值處,構成頻率的正交關系,如圖 4-21所示。 在這種情況下, 若可選取的跳頻頻率數(shù)為 N , 則跳頻信號的帶寬 b NR B =RF 。 f 0+N f f 0+

18、kf f 0+f fA 2/(2 98 圖 4-22頻率跳變系統(tǒng) PSK 調制信號頻譜示意圖(頻譜不重疊有時為了防止跳頻頻譜發(fā)生重疊, 要求每個頻道的帶寬應不小于信息信號的 帶寬, 如圖 4-22。 例如, 若允許射頻帶寬 MHz 10RF = B , 信息信號的速率是 1kb/s, 為確保鄰近頻道不發(fā)生串擾和頻譜重疊,每個頻道應至少有 2kHz 的帶寬。跳變 頻率的間隔應不小于 2kHz 。所以得到 kHz 2/MHz 100=5000個跳頻頻道數(shù)。需要 注意的是在此情況下,跳頻信號所占據(jù)的帶寬 b NR B 2RF =。在頻率跳變擴頻系統(tǒng)中, 信息信號的調制常采用 FSK (數(shù)字信號 或

19、FM (模 擬信號調制。以 FSK 調制為例,發(fā)射機輸出信號的時域表達式為(FSK 1( cos 2( c Nk k T c ck m s t A f d t F t g t kT t mNT =-=+-*- (4-32式中, F 為最大頻偏。由式 (4-32求 (FSK t s 的功率譜密度函數(shù),有一定的困難,并且無助于理解系 統(tǒng)的工作原理和工作過程。 我們根據(jù)系統(tǒng)的一般組成方式, 按照系統(tǒng)的工作流程 來推導 (FSK t s 的功率譜密度函數(shù)。頻率跳變系統(tǒng)發(fā)射信號的產生是通過信息信號的調制和載波的上變頻過程 來完成的,其原理方框圖參見圖 4-23。圖 4-23 頻率跳變系統(tǒng)發(fā)射信號的產生由

20、圖 4-23可看出, 信息信號 (t d 被調制到發(fā)信中頻 TIF f 上, 形成中心頻率為TIF f 的帶通信號 (t D(0TIF (2cos 2 (+=t F t d f t D (4-33設發(fā)射機的本振信號為(-=-*-'+-=m cNk c T kk mNT t kT t g t f f A t a c 1TIF (2cos ( (4-34令 0+'=kk ,則信號 (t D 和 (t a 經(jīng)過混頻器后為 0(t 99(-=-=-*-'+-+-*-+=m cNk c T kk m c Nk c T k k mNT t kT t g t F t d f f A

21、mNT t kT t g t F t d f A t D t a c c 10TIF 1 ( (22cos ( (2cos ( ( (4-35經(jīng)過帶通濾波器濾除差頻分量后,就得到了我們所需要的發(fā)射信號 (FSK t s , 見 (4-32式。設帶通信號 (t D 的功率譜密度函數(shù)為( ( (TIF FSK TIF FSK f f S f f S f S d d D -+-= (4-36混頻器輸出信號的功率譜為=-+-+-=*Nk k d k d Nk k d k d a D f f f S f f f S N A f f S f f S N A f S f S 1TIF FSK TIF FSK

22、 21FSK FSK 2 2( 2(4 ( (4 ( ( (4-37 帶通濾波器輸出信號 (FSK t s 的功率譜密度函數(shù) (FSK f S (單邊為=-=Nk k d f f S N A f S 1FSK 2FSK (2 ( (4-38FSK 屬于非線性調制,由于對 FSK 信號頻譜特性的研究比較困難,還沒有 一種通用的研究方法,因而信息信號對載波進行 FSK 調制的頻率跳變擴頻信號 頻譜特性的研究也比較困難。在一定條件下,如假設 FSK 信號的相位不連續(xù), FSK 信號就可以看作是兩個振幅鍵控信號的疊加,這樣我們可以根據(jù)式 (4-38近 似給出信號的功率譜密度函數(shù)示意圖, 參見圖 4-2

23、4。 圖中 b B 2為帶通信號 (t D 的 帶寬。由式 (4-31和 (4-36可以看出, 在頻率跳變系統(tǒng)中, 盡管采用不同的調制方式, 使得發(fā)射信號的頻譜不同,但他們具有一個共同的特點:信號的頻譜是由 N 個 頻譜結構完全相同的帶通信號的頻譜組成,每個帶通信號的中心頻率分別為 1f , 2f , N f ,而每個帶通信號的頻譜結構取決于信息信號的調制方式。圖 4-24 頻率跳變系統(tǒng)信號頻譜示意圖(FSK 調制假如頻率合成器輸出信號的頻率固定不變?yōu)?0f , N 個帶通信號的頻譜疊加在 一起。 由于各帶通信號的頻譜結構完全相同, 疊加后的頻譜結構沒有改變, 僅是 幅度增加了 N 倍。此時,

24、頻率跳變系統(tǒng)退化為常規(guī)的通信系統(tǒng)了,其信號的頻 譜結構和常規(guī)系統(tǒng)的頻譜結構也完全相同了, 這從另一方面驗證了上述結論是正 確的。雖然上述結論是通過比較 PSK 和 FSK 調制方式得出的, 但其具有普遍意義, 0100對任何調制方式都適用,不同的調制方式僅改變每個帶通信號的頻譜結構。在前面的敘述中, 對于頻率跳變系統(tǒng)的發(fā)射信號已多次提及, 并給出了頻率 跳變系統(tǒng)發(fā)射機的數(shù)學模型。 需要說明的是第 1章給出的頻率跳變系統(tǒng)的數(shù)學模 型是用來理論分析的數(shù)學抽象模型,在實際工程中僅作為系統(tǒng)設計的參考。頻率跳變系統(tǒng)信號的產生,很少采用信息信號直接去調制頻率跳變的載波, 原因有幾點:(1 當系統(tǒng)工作的射頻

25、頻率較高時,實際工程中在較高頻率上實現(xiàn) 信號的調制是有一定難度的。 (2 信息信號通過調制實現(xiàn)頻譜搬移的過程中,不 可避免的要產生一些帶外分量。 調制器根本無法抑制這些帶外分量, 通常是在調 制后加接帶通濾波器來控制已調信號的頻譜。 (3 調制器的特性或參數(shù)和工作頻 率有密切的關系, 載波在如此大的范圍內變化, 已調信號在各個頻道上的特性很 難保證完全一致。頻率跳變系統(tǒng)信號的產生,通常采用在發(fā)射機的中頻上進行信息信號的調 制, 再利用變頻器上變頻將中頻已調信號的頻譜搬移到射頻段, 變頻器的本振信 號由頻率合成器來提供, 參見圖 4-25。 由于頻率合成器輸出信號的頻率是跳變的, 上變頻器輸出的

26、帶通信號的中心頻率將隨著頻率合成器輸出信號頻率的變化而 變化,從而完成了射頻信號載波頻率的跳變。圖 4-25 頻率跳變系統(tǒng)信號產生原理方框圖由圖 4-25可看出,頻率跳變擴頻系統(tǒng)信號的產生和常規(guī)系統(tǒng)相比較,區(qū)別 在于參與變頻的本振信號的頻率是跳變的, 所以說跳頻器是頻率跳變擴頻通信系 統(tǒng)的核心器件。頻率跳變擴頻系統(tǒng)的跳頻器是由偽隨機碼發(fā)生器、 指令譯碼器和頻率合成器 組成。 可供選取的頻率數(shù)和頻率跳變速率是決定整個頻率跳變系統(tǒng)性能的主要技 術參數(shù)。對跳頻器的主要要求有:(1 頻率范圍頻率范圍是指頻率合成器的工作頻率范圍, 或頻率合成器輸出信號的頻率范 圍。通常要求在要求的頻率范圍內,在任何指定

27、的頻率(頻道上,頻率合成器 都能正常的工作, 并且其電氣性能都能滿足質量的要求。 頻率范圍越大, 可供選 取的頻率數(shù)就越多,跳頻信號的頻譜擴展的越寬,擴頻處理增益 P G 越大。(2 頻率間隔頻率合成器的輸出信號的頻譜是不連續(xù)。兩個相臨頻率之間的最小間隔 min F ,即頻率分別率,應滿足頻率跳變系統(tǒng)跳頻間隔 f 的要求。 101(3 頻率轉換時間頻率轉換時間是頻率合成器輸出信號的頻率改變后, 達到穩(wěn)定工作所需要的 時間 t T 。 在頻率跳變系統(tǒng)中, 對頻率轉換時間有嚴格的要求, 特別是在快速頻率 跳變系統(tǒng)中。 頻率轉換時間越短, 可允許的頻率跳變速率就越高, 就更適合高速 數(shù)據(jù)的傳輸,并有

28、效地抑制干擾,特別是人為轉發(fā)性干擾?？晒┻x取的頻率數(shù)和頻率跳變速率也決定了偽隨機碼發(fā)生器和頻率合成器 的結構和性能指標。(4 頻率穩(wěn)定度與準確度頻率穩(wěn)定度是指在指定的時間間隔內, 頻率合成器輸出信號的頻率偏離規(guī)定 值的數(shù)值。 頻率準確度是指輸出信號頻率的實際值偏離規(guī)定值的數(shù)值, 即頻率誤 差。 有些文獻將頻率穩(wěn)定度稱為相對頻率穩(wěn)定度, 頻率準確度稱為絕對頻率穩(wěn)定 度。在工程上通常將這兩個指標合并,統(tǒng)稱為頻率的穩(wěn)準度。(5 頻譜純度頻率合成器輸出信號的頻率不穩(wěn)定性在頻域表現(xiàn)為信號的頻譜不純。 一般要 求跳頻頻率合成器輸出的頻譜要純,具有低的噪聲性能,特別是低的相位噪聲。 相位噪聲是頻率合成器重要

29、的質量指標, 主要決定于環(huán)路中壓控振蕩器性能的優(yōu) 劣和環(huán)路的等效噪聲帶寬。 相位噪聲是頻率瞬間穩(wěn)定度的頻域表示, 在頻譜圖上 呈現(xiàn)為主譜兩側的連續(xù)噪聲頻譜。相位噪聲的大小可用頻率軸上距主譜 f 處 1Hz 帶寬內相位偏差的均方值來表示,也可用 f 處的噪聲功率譜密度來表示。從原理上說, 頻率跳變擴頻系統(tǒng)的可變頻率合成器與普通的頻率合成器沒什 么不同, 但有兩點區(qū)別。 一是輸出信號頻率受跳頻指令的控制, 二是能足夠快的 改變輸出信號的頻率, 使系統(tǒng)能很快地從一個頻率跳到另一個頻率, 躲避來自外 部的跟蹤式干擾。頻率跳變系統(tǒng)使用的頻率合成器有直接式頻率合成器 (用混頻、 分頻、 倍頻 來合成 和間

30、接式頻率合成器 (用鎖相環(huán) , 以及近幾年興起的直接數(shù)字合成 DDS 方式。(1 直接式頻率合成器最簡單的直接式頻率合成器是用一系列頻率信號 1f , 2f , m f 經(jīng)和頻和 差頻(利用混頻濾波的方法獲得大量的合成頻率。參見圖 4-26。圖 4-26給出了直接式頻率合成器由頻率 1f , 2f 和 3f 產生一系列頻率的原理 方框圖。 使用混頻方法必須用濾波器來取出和頻與差頻, 合成頻率數(shù)多, 濾波器 數(shù)就多, 以致濾波器數(shù)目太多在工程上無法實現(xiàn)。 所以實際上這種形式的頻率合 成器是很少使用的。一種既能產生很多頻率又能快速跳變的直接式頻率合成器如圖 4-27所示。 這是一種利用完全相同的混

31、頻 (和 與分頻 (除 基本單元級聯(lián)而成,能提供隨機選 取的上千個以至上百萬個跳變頻率, 圖 4-27所示的頻率合成器能輸出 4096個跳 變頻率。f1 濾波器 f1-f2 f1+f2 f1,f2,f1±f2 f2 濾波器 2f1-f2-f3 濾波器 濾波器 濾波器 2f1+f2-f3 f1-f3 f1,f3,f1±f3 f1+f3 濾波器 濾波器 f3 f2-f3 f 1,f3,f1±f3 f2+f3 濾波器 圖 4-26 直接式頻率合成器 混頻(和與分頻(除基本單元如圖 4-27(b所示,能提供 k 個頻率的信號.當 輸入信號的頻率為 f 0 ,參考信號的頻率

32、為 f1 , f 2 , f 3 和 f 4 時,可提供的輸出信 號的頻率分別為 f 1 + f 0 / N 0 , f 2 + f 0 / N 0 , f k + f 0 / N 0 . 1 ÷4 200MHz c1 c2 2 3 c3 c4 基本 單元 4 9 c9 c10 基本 單元 c11 c12 f4 10 ÷4 11 12 輸出 平衡 混頻 器 帶通 濾波 器 平衡 混頻 器 帶通 濾波 器 門開關 f1 f2 f3 f4 f1 f2 f3 f4 門開關 f1 f2 f3 f1 f2 f3 f4 (a 晶體濾波器 f0 ÷N0 平衡 混頻器 帶通 濾波

33、器 5MHz 方波 142.5 147.5 平衡混頻器 f1 fk 37.5MHz 12 n 157.5 f4 門開關 n=log2k 152.5 f3 f1 f2 (b (c 圖 4-27 直接式頻率合成器例(N=4096 圖 4-27 中直接式頻率合成器能提供的輸出信號的頻率數(shù)目,與輸入?yún)⒖夹?號的頻率數(shù)目及混頻的次數(shù)有關,如果有 M 個混頻(和-分頻基本單元串聯(lián),參 考信號的頻率個數(shù)為 k,那最后輸出信號的頻率總數(shù)為 102 N = kM (4-39 每增加一級混頻(和-分頻基本單元, 輸出信號的頻率間隔就減少為前一級頻 率間隔的 1 / N 0 .假設參考信號的頻率間隔 F = f i

34、 +1 f i (i=1,2,k-1,輸 出信號的最小頻率間隔為 F (4-40 N 0M 1 圖 4-27 所示的直接式頻率合成器,參考頻率為 f1 =142.5MHz, f 2 = 147.5MHz, f 3 =152.5MHz, f 4 =157.5MHz,k=4, F =5MHz.基本單元中 f = 分頻器的分頻比為 N 0 = 4 . 整個頻率合成器由 6 個基本單元串聯(lián)而成, M = 6 , 即 輸 出 頻 率 的 總 數(shù) 為 N = k M = 4 6 = 4096 . 輸 出 頻 率 的 最 小 頻 率 間 隔 為 f = F / N 0M 1 = 5MHz/4 6-1 = 0

35、.00488MHz = 4.88kHz . 一種實現(xiàn)基本單位的門開關電路如圖 4-28 所示.從圖 4-28 可以看出,只要 隨機地改變頻率指令碼 c1 , c2 ,就可以隨機地改變輸出頻率. 基本單元的帶通濾波器用來抑制混頻產生的和頻之外的其它組合頻率, 以保 證輸出頻譜純度.濾波器的時延也影響頻率合成器的特性,級聯(lián)濾波器的總時延 將限制跳頻速率.帶通濾波器是直接式頻率合成器的一個關鍵部件. 開關轉換時間對所要求的跳變時間來說不是主要的. 影響跳頻時間最關鍵的 是帶通濾波器的延遲特性,級聯(lián)濾波器的總時延將限制跳頻器的頻率跳變速率, 從圖 4-27 可以看出,任一信號的輸出都必須通過 6 級濾

36、波器的級聯(lián). f4 f3 f2 f1 鎖 存 器 譯 碼 器 00 01 10 11 時鐘 開關 開關 開關 開關 加 法 器 c1,c2 為跳頻指令碼 c1 c2 圖 4-28 混頻-分頻基本單元門開關電路(k=4 表 4-1 列出了圖 4-27 所示頻率合成器各點的頻點數(shù)及頻率點的間隔. 表 4-1 圖 4-27 所示頻率臺成器各點頻譜及頻率點間隔 點 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 50 192.5207.5 48.12551.875 190.625209.375 47.6562552.09375 190.15625209.59375 47.53406252.398437 190.03406220.898437 47.508515209.974609 190.008515209.974609 47.50212852.493652 5000 1250 1250 312.5 312.5 78.125 78.125 19.53125 19.53125 4.8828125 頻率范圍(MHz 頻