清华大学：《通信电路原理》教学资源（PPT课件）第8章 频率合成技术

第8章频率合成技术 81概述 811频率合成的基本方法 812主要技术指标 8.13相位噪声 82直接频率合成法 83锁相频率合成法 8.3.1锁相频率合成器的基本构成 832锁相频率合成器方案设计中的一些考虑 833锁相频率合成器的实际构成方案 84直接数字式频率合成(*) 85频率合成器集成电路(*) 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 1 笫8章 频率合成技术 8.1 概 述 8.1.1 频率合成的基本方法 8.1.2 主要技术指标 8.1.3 相位噪声 8.2 直接频率合成法 8.3 锁相频率合成法 8.3.1 锁相频率合成器的基本构成 8.3.2 锁相频率合成器方案设计中的一些考虑 8.3.3 锁相频率合成器的实际构成方案 8.4 直接数字式频率合成（*） 8.5 频率合成器集成电路（*）

8概述 近代通信系统要求通信机: 具有大量的、可供用户选择和迅速更换的载频振荡信号。 例如,短波通信,要求通信机能在2~30MHz频段内,提供以 100Hz为间隔的28万个频率点。移动通信机要求能在150、400 900MHz频率附近提供上百个频率点等等。 这些频率点的载波振荡频率稳定度与精度,都应能满足系统 的性能要求。 频率合成的方法,可以使某一(或多个)基准频率,通过 定的变换与处理后,形成一系列等间隔的离散频率 这些离散频率的频率稳定度和精度均与基准频率相同 这些离散频率能在很短时间内,由某一频率变换到另一频率。 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 2 8.1 概 述 近代通信系统要求通信机： ▪ 具有大量的、可供用户选择和迅速更换的载频振荡信号。 例如，短波通信，要求通信机能在2～30MHz频段内，提供以 100Hz为间隔的28万个频率点。移动通信机要求能在150、400、 900MHz频率附近提供上百个频率点等等。 ▪ 这些频率点的载波振荡频率稳定度与精度，都应能满足系统 的性能要求。 ▪ 频率合成的方法，可以使某一（或多个）基准频率，通过一 定的变换与处理后，形成一系列等间隔的离散频率。 ▪ 这些离散频率的频率稳定度和精度均与基准频率相同。 ▪ 这些离散频率能在很短时间内，由某一频率变换到另一频率

811频率合成的基本方法 1)直接频率合成法 采用复杂的,由具有加减乘除四则运算功能的混频器、倍频 器、分频器和具有选频功能的滤波器的不同组合来实现频率合 成的方法,一般称为直接频率合成法 f-f+=f 倍频器 分频器 混频器 M N 频率间隔为:f q 离散频率数由倍频器的可变倍频次数M决定。 主要缺点:有较多的非线性电路,可能产生寄生干扰,使输出 信号频谱纯度降低。接入了大量的、滤波性能要求较高的频带 滤波器,从而使设备体积庞大,造价也十分昂贵 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 3 8.1.1 频率合成的基本方法 （1）直接频率合成法 ▪ 采用复杂的，由具有加减乘除四则运算功能的混频器、倍频 器、分频器和具有选频功能的滤波器的不同组合来实现频率合 成的方法，一般称为直接频率合成法。 倍频器 分频器 混频器  M N + r f q f o f o q r f N M f = f + ▪ 频率间隔为： r f N 1 ▪ 离散频率数由倍频器的可变倍频次数M决定。 ▪ 主要缺点：有较多的非线性电路，可能产生寄生干扰，使输出 信号频谱纯度降低。接入了大量的、滤波性能要求较高的频带 滤波器，从而使设备体积庞大，造价也十分昂贵

811频率合成的基本方法(续1) (2)锁相频率合成 锁相频率合成又称间接式频率合成 取样锁相环:它是用一个或几个参考频率源,然后用锁相环 将压控振荡器的频率锁定在某一谐波或组合频率上,由压控振 荡器间接产生所需要的频率输出。 锁相环路具有良好的窄带滤波特性,故其输出信号质量得到 明显的改善 主要优点:系统结构简单;输出频率成分的频谱纯度高; 易于得到大量的离散频率;易于集成化。 主要缺点:频率转换时间长;单环频率合成器的频率间隔 不能做得很小。 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 4 8.1.1 频率合成的基本方法（续1） （2）锁相频率合成 ▪ 锁相频率合成又称间接式频率合成。 ▪ 取样锁相环：它是用一个或几个参考频率源，然后用锁相环 将压控振荡器的频率锁定在某一谐波或组合频率上，由压控振 荡器间接产生所需要的频率输出。 ▪ 锁相环路具有良好的窄带滤波特性，故其输出信号质量得到 明显的改善。 ▪ 主要优点：系统结构简单；输出频率成分的频谱纯度高； 易于得到大量的离散频率；易于集成化。 ▪ 主要缺点：频率转换时间长；单环频率合成器的频率间隔 不能做得很小

8.11频率合成的基本方法(续2) (3)直接数字频率合成(DDS):直接数字频率合成 Direct Digtial Frequency SynthesiSTa] MDDFSEDDS) 是近年来发展起来的一种将先进的数字处理理论与方法引入 信号合成领域的一项新技术。 在存储器存入合成波形的M个均匀间隔的样品。 以均匀速率把这些样品输出到DAC变换成模拟阶梯信号。 经低通滤波器平滑,便得到所需波形。 主要优点:相位连续;分辨力高(可达0.001Hz);工作频率 范围宽,容易做到极低的频率;转换频率的时间短(几乎是即 时的频率转换),以及成本低、控制灵活等。 主要缺点:输出频率上限不太高,受限于器件可用的最高时钟 频率;总输出噪声电平可能很高。 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 5 8.1.1 频率合成的基本方法（续2） （3）直接数字频率合成（DDS）：直接数字频率合成 ▪ 在存储器存入合成波形的M个均匀间隔的样品。 ▪ 以均匀速率把这些样品输出到DAC变换成模拟阶梯信号。 ▪ 经低通滤波器平滑，便得到所需波形。 ▪ 主要优点：相位连续；分辨力高（可达0.001Hz）；工作频率 范围宽，容易做到极低的频率；转换频率的时间短（几乎是即 时的频率转换），以及成本低、控制灵活等。 ▪ 主要缺点：输出频率上限不太高，受限于器件可用的最高时钟 频率；总输出噪声电平可能很高。 （Direct Digtial Frequency Synthesis简称DDFS或DDS） 是近年来发展起来的一种将先进的数字处理理论与方法引入 信号合成领域的一项新技术

812频率合成器的主要技术指标 (1)工作频率范围 频率合成器最高与最低输出频率所确定的频率范围,称为 频率合成器的工作频率范围。 (2)频率间隔 每个离散频率(或信道)之间的最小间隔称为频率间隔 又称分辨力。 (3)频率转换时间 由一个工作频率转换到另一个工作频率并使后者达到稳定 工作所需的时间。 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 6 8.1.2 频率合成器的主要技术指标 （1）工作频率范围 频率合成器最高与最低输出频率所确定的频率范围，称为 频率合成器的工作频率范围。 （2）频率间隔 每个离散频率（或信道）之间的最小间隔称为频率间隔。 又称分辨力。 （3）频率转换时间 由一个工作频率转换到另一个工作频率并使后者达到稳定 工作所需的时间

812频率合成器的主要技术指标(续) (4)频率稳定度与准确度 频率稳定度是指在规定观测时间内,合成器输出频率偏离 标称值的程度。一般用该偏离值与输出频率的相对值来表 示。准确度则表示实际工作频率与其标称值之间的偏差, 又称频率误差。事实上,稳定度与准确度有着密切的关系, 因为只有频率稳定度高,频率准确度才有意义。 (5)频谱纯度 频谱纯度是指输出信号接近正弦波的程度。可以用输出端 的有用信号电平与各寄生频率总电平之比的分贝数表示。 有用信号频率成分; 各寄生信号频率成分:有用信号的各次谐波成分; 存在各种周期性干扰(混频器的高次组合频率); 随机干扰(相位噪声) 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 7 8.1.2 频率合成器的主要技术指标（续） （4）频率稳定度与准确度 频率稳定度是指在规定观测时间内，合成器输出频率偏离 标称值的程度。一般用该偏离值与输出频率的相对值来表 示。准确度则表示实际工作频率与其标称值之间的偏差， 又称频率误差。事实上，稳定度与准确度有着密切的关系， 因为只有频率稳定度高，频率准确度才有意义。 （5）频谱纯度 频谱纯度是指输出信号接近正弦波的程度。可以用输出端 的有用信号电平与各寄生频率总电平之比的分贝数表示。 有用信号频率成分； 各寄生信号频率成分：有用信号的各次谐波成分； 存在各种周期性干扰（混频器的高次组合频率）； 随机干扰（相位噪声）

82直接频率合成法举例1:已知基准频率=MHz 分频|晶振 缺点:·频率范围有限; 5 5MHZ 离散频率数不能太多; 谐波发生器n×1Mz 输出信号中的寄生频率成 分和相位噪声显著加大; 6A/Z分频 设备变得庞大。 10 0.6MZ MZ混频L带通凵分频 滤波÷10 0.16MZ 2MHZ 混频L带通L」倍频 滤波」×10 9 02246 2.16M21.6MZ 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 8 8.2 直接频率合成法 举例 1：已知基准频率=1MHz。 分频 分频 混频 分频 混频 倍频 5 10 10 10 + + 带通 滤波 带通 滤波 谐波发生器 晶振 5MHZ 6MHZ 1MHZ2MHZ 0 0.16MHZ 2 4 6 8 2.16MHZ 21.6MHZ n1MHZ0.6MHZ 1 3 5 7 9 缺点： ▪ 频率范围有限； ▪ 离散频率数不能太多； ▪ 输出信号中的寄生频率成 分和相位噪声显著加大； ▪ 设备变得庞大

83锁相频率合成法 8.3.1模拟锁相频率合成器 (1)基本构成 q分频 fr 鉴相 低通 VCO R f-t 低通 混频 控制信号 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 9 8.3 锁相频率合成法 鉴相 低通 VCO 低通 分频  R q f r f o f c f 混频 (−) 控制信号  o c f − f 8.3.1 模拟锁相频率合成器 （1）基本构成

(2)单环模拟频率合成器的构成 f =mhz 300~309.99MD Af=10kHz 鉴相 低通 VCO 3.09 23.29 301.29 301.29 混频 混频 混频 fo IMHZ( 带通 N 2.09 20.2 278 c9 B2 A1 2.00 20.0 277 C201B20.1A278 2.02 0.2 279 2.09 20.9 286 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 10 （2） 单环模拟频率合成器的构成 鉴相 低通 VCO 混频 (−) 混频 混频 (−) (−) 带通 f r =1MHZ MHZ N f O =1 301.29 3.09 23.29 301.29 2.09 20.2 278 2.09 2.02 2.01 2.00  20.9 20.2 20.1 20.0  286 279 278 277  C B A C9 B2 A1 O f f =10KHZ 300 ~ 309.99MHZ