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 8概述 811频率合成的基本方法 812主要技术指标 813相位噪声 82直接频率合成法 83锁相频率合成法 831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(*) 8.5频率合成器集成电路(*)

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

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 o=fa+fr 倍频器 分频器 混频器 M 频率间隔为:f 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

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

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

811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 SynthesiS(E] 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髙

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

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)

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; 5MHZ 离散频率数不能太多; 皆波发生器n×1MZ 输出信号中的寄生频率成 分和相位噪声显著加大; 6A分频 设备变得庞大。 10 0.6MZ M/Z混频L带通L分频 虑波1÷10 0. 16MHZ 2MHZ 混频L,带通L倍频 滤波」“×10 022 45789 2.16M21.6M

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 8.31模拟锁相频率合成器 (1)基本构成 分频 鉴相 低通 VCO R 低通 混频 控制信号 f

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=IMHz 300~30999M Af=10KHz 鉴相 低通 3.09 23.29 30129|30129 混频 混频 混频 带通 IMHZ 2.09 20.2 278 c9 B2 Al 2.00 20.0 277 C201B20.1 A278 2.02 20.2 2.09 20.9 286

（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