大三上-通信電路原理課件

1笫8章

頻率合成技術(shù)

8.1概述8.1.1頻率合成的基本方法8.1.2主要技術(shù)指標(biāo)8.2直接頻率合成法

（*）

8.3鎖相頻率合成法8.3.1模擬鎖相頻率合成器8.3.2數(shù)字鎖相頻率合成器8.4直接數(shù)字式頻率合成（*）28.1概述近代通信系統(tǒng)要求通信機(jī)具有大量的、可供用戶選擇

和迅速更換的載頻振蕩信號(hào)。例如：短波通信，要求通信機(jī)能在2～30MHz頻段內(nèi)，提供以100Hz為間隔的28萬(wàn)個(gè)頻率點(diǎn)。移動(dòng)通信機(jī)要求能在150、400、900MHz頻率附近提供上百個(gè)頻率點(diǎn)等等。這些頻率點(diǎn)的載波振蕩頻率穩(wěn)定度與精度，都應(yīng)能滿足系

統(tǒng)的性能。這些離散頻率的頻率穩(wěn)定度和精度均相同。這些離散頻率在很短時(shí)間內(nèi)，可由某一頻率變換到另一頻率。38.1.1頻率合成的基本方法（1）直接頻率合成法由具有四則運(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，一般稱為直接頻率合成法。頻率間隔為：fr/N頻率數(shù)由倍頻器的可變倍頻次數(shù)M決定。主要缺點(diǎn)：因?yàn)橛休^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。直接頻率合成法；鎖相頻率合成法；直接數(shù)字頻率合成。4（2）鎖相頻率合成鎖相頻率合成又稱間接式頻率合成法。它是用一個(gè)或幾個(gè)參考頻率源，然后用鎖相環(huán)將壓控振蕩器的頻率鎖定在某一諧波或組合頻率上，由壓控振蕩器間接產(chǎn)生所需要的頻率輸出。鎖相環(huán)路具有良好的窄帶濾波特性，故其輸出信號(hào)質(zhì)量得到明顯的改善。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。8.1.1頻率合成的基本方法（續(xù)一）直接頻率合成法；鎖相頻率合成法；直接數(shù)字頻率合成。5（3）直接數(shù)字頻率合成（DDS）DDS（DirectDigtialFrequencySynthesis）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)。在存儲(chǔ)器存入合成波形的M個(gè)均勻間隔的樣值；以均勻速率把這些樣值輸出到DAC變換成模擬階梯信號(hào)；再經(jīng)低通濾波器平滑，便得到所需波形。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；總輸出噪聲電平可能很高。8.1.1頻率合成的基本方法（續(xù)二）直接頻率合成法；鎖相頻率合成法；直接數(shù)字頻率合成。68.1.2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。（2）頻率間隔：每個(gè)離散頻率之間的最小間隔稱為頻率間隔。（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。（4）頻率穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度（5）頻譜純度：頻譜純度是指輸出信號(hào)接近正弦波的程度。可以用輸出的有用信號(hào)電平與各寄生頻率總電平之比的分貝數(shù)表示。78.3.1模擬鎖相頻率合成器主要缺點(diǎn)：因?yàn)橛休^多的非線性電路，可能產(chǎn)生寄生干擾；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。8.3鎖相頻率合成法88.3.2數(shù)字鎖相頻率合成器（1）基本原理例如：當(dāng)fr

=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)fr

=100Hz，分頻比N=30000～39999時(shí)，輸出頻率將為3～3.9999MHz，頻率間隔為100Hz。返回一返回二98.3.2數(shù)字鎖相頻率合成器（續(xù)1）上圖輸出頻率的分辨力，等于輸入鑒相器的參考頻率，即fr越小，輸出信號(hào)的頻率分辨力將越高；環(huán)路頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間tS與fr有關(guān)，其間的關(guān)系可用下式經(jīng)驗(yàn)公式描述：因此減小fr

與減小tS

成為對(duì)頻率合成器提出的一對(duì)相互矛盾的要求；當(dāng)要求頻率間隔很小時(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，從而影響環(huán)路的動(dòng)態(tài)工作性能。原理圖的討論：參考頻率fr對(duì)環(huán)路性能的影響108.3.2數(shù)字鎖相頻率合成器（續(xù)2）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；可編程分頻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25MHz，CMOS部件構(gòu)成的可編程分頻器，上限頻率則為4MHz。事實(shí)上，大多數(shù)通信系統(tǒng)的工作頻率則要比上述數(shù)值大得多?？墒强删幊谭诸l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分頻器工作速度之間的矛盾。上圖可編程分頻器工作速度的影響118.3.2數(shù)字鎖相頻率合成器（續(xù)3）（2）含前置分頻器的鎖相頻率合成器由于前置分頻器可工作在較高的頻率，所以在主分頻器前，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；當(dāng)改變N時(shí)，輸出頻率將為以Pfr為間隔的離散頻率系列。可見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。128.3.2數(shù)字鎖相頻率合成器（續(xù)4）（3）采用吞脈沖可變分頻器的鎖相頻率合成器1。吞脈沖可變分頻器吞脈沖分頻器的構(gòu)成如下圖所示。分頻器包含雙模前置分頻器、主計(jì)數(shù)器、輔助計(jì)數(shù)器和模式控制電路幾部分。雙模分頻器具有÷P、和÷（P+1）兩種分頻模式。138.3.2數(shù)字鎖相頻率合成器（續(xù)5）上圖吞脈沖分頻器工作原理討論：模式控制電路為高電平時(shí)，雙模分頻器的分頻比為÷(P+1)；模式控制電路為低電平時(shí)，雙模分頻器的分頻比為÷P計(jì)數(shù)；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f0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，雙模分頻器與主計(jì)數(shù)器繼續(xù)工作，直到主計(jì)數(shù)器計(jì)滿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；148.3.2數(shù)字鎖相頻率合成器（續(xù)6）吞脈沖分頻器工作原理討論：在一個(gè)計(jì)數(shù)周期內(nèi)，總計(jì)脈沖量為：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fr=f0’，而輸出頻率f0則為：頻率分辨力仍為fr，環(huán)路頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間沒有變化。這是因?yàn)樯鲜街杏泻晚?xiàng)。158.3.2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16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)器的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？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)