微波電子線路：頻率合成器

1、微波電子線路:頻率合成器 2鎖相環(huán)的基本組成與原理一、反饋控制電路目的： 使輸出量隨輸入量的變化而變化。輸入量不變時，抑制其它因素變化所引起的變化。特點： (1) 輸出與輸入之差為系統(tǒng)控制動作的起源。 (2) 負反饋以減小誤差 (3) 對外部干擾和內(nèi)部參數(shù)變化的影響具有抑制作用 (4) 有利于減小系統(tǒng)的非線性失真3鎖相環(huán)的基本組成與原理二、控制系統(tǒng)與信號處理電路 對于同一個電路，從信號處理角度來討論的輸入輸出及處理電路，于從控制角度所討論的輸入輸出及處理電路是兩個完全不同的概念：信號處理：對輸入信號處理以得到有用的信息輸出;反饋控制：對信號處理電路的某些參量進行控制，使信號處理電路的參數(shù)或指標

2、符合我們的要求。性能： 穩(wěn)定性： t 系統(tǒng)作用 誤差。系統(tǒng)收斂。 快速性：在盡量短的時間內(nèi)消除誤差。 準確性：使剩余誤差盡量小。4鎖相環(huán)的基本組成與原理鎖相環(huán)的組成 鎖相環(huán)是一種相位負反饋技術(shù)，通過比較輸入信號與壓控振蕩器的輸出信號的相位，取出與這兩個信號的相位差成正比的電壓作為誤差電壓來控制振蕩器的頻率，達到使其與輸入信號頻率相等的目的。5鎖相環(huán)的基本組成與原理三、鎖相環(huán)的組成及數(shù)學(xué)模型1、鑒相器檢測出兩個輸入電壓之間的瞬時相位差，并產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電壓vd(t)。 輸入信號電壓vi(t) 輸出信號電壓vo(t) 6鎖相環(huán)的基本組成與原理輸入固有角頻差：輸入信號頻率偏離VCO自由振蕩頻率的值。

3、控制角頻差：受控VCO的頻率與其自由振蕩頻率之間的差值。瞬時角頻差：受控VCO的瞬時頻率與輸入信號頻率之間的差值。7鎖相環(huán)的基本組成與原理實際中經(jīng)常使用模擬乘法器鑒相器，它并不滿足線性關(guān)系，而是一個正弦鑒相環(huán)節(jié)：當 時，正弦鑒相可以近似為線性。由于乘法器鑒相器的特性是非線性的，由此導(dǎo)致整個環(huán)路的特性為非線性的。理想鑒相器應(yīng)該產(chǎn)生一個與輸入信號相位差成正比的控制電壓信號 ，其中Ad為鑒相靈敏度。8鎖相環(huán)的基本組成與原理2、環(huán)路濾波器（Loop Lowpass Filter)目的：濾除鑒相器輸出電壓信號中的無用組合頻率分量和其他干擾分量，改善控制電壓頻譜純度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；方式：采用低通濾波器取

4、出鑒相器輸出的平均分量。效果：通過使用不同的電路，可選擇不同的濾波頻率特性AF(p)（p是微分算子d/dt），從而對環(huán)路的動態(tài)性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。9鎖相環(huán)的基本組成與原理常用的環(huán)路濾波器有如下幾種形式： (a) 簡單RC濾波器 (b)無源比例積分濾波器10鎖相環(huán)的基本組成與原理 (c)有源比例積分濾波器環(huán)路濾波器的主要指標：帶寬、直流增益和高頻增益。簡單RC濾波器：直流增益為1，高頻增益為0；無源比例積分器：直流增益為1，高頻增益趨于t2/(t1+t2);有源比例積分器：直流增益趨于無窮，高頻增益趨于t2/t111鎖相環(huán)的基本組成與原理3、壓控振蕩器產(chǎn)生頻率隨控制電壓變化的振蕩電壓。壓控振蕩

5、器的輸出頻率受控制電壓vc的控制而變化。一般情況下認為wvc特性是線性的。P是微分算子，1/p表示積分12鎖相環(huán)的基本組成與原理四、環(huán)路基本方程13鎖相環(huán)的基本組成與原理環(huán)路基本方程給出了以下基本關(guān)系： 瞬時頻差控制頻差固有頻差若固有角頻差 Dwi(t)=Dwi 為常數(shù)，即vi(t)為恒定頻率的輸入信號，則環(huán)路在進入鎖定的過程中，瞬時角頻差不斷減小，而控制角頻差不斷增大，但二者的和恒等于Dwi，直到瞬時角頻差pje(t)=0，而控制角頻差增大到Dwi時，VCO振蕩角頻率等于輸入信號角頻率(wo=wi)，環(huán)路進入鎖定。環(huán)路鎖定時，相位誤差je(t)為一固定值，稱之為剩余相位誤差或穩(wěn)態(tài)相位誤差。1

6、4鎖相環(huán)的跟蹤特性跟蹤：處于鎖定狀態(tài)的環(huán)路，若輸入信號頻率或相位發(fā)生變化，環(huán)路通過自身調(diào)節(jié)，來維持鎖定狀態(tài)的過程.捕捉：處于失鎖狀態(tài)的環(huán)路，通過自身的調(diào)節(jié)作用，從失鎖變?yōu)殒i定的過程。同步帶 (Tracking Range, Hold in Range)能夠維持鎖定所允許的輸入信號頻率偏離wr的最大值|Dwi|捕捉帶 (Capture Range, Pull in Range)能夠進入鎖定所允許的最大|Dwi|15鎖相環(huán)的跟蹤特性一、靜態(tài)特性 1、鎖定時瞬時頻差為零進入鑒相器的兩個信號頻率相等2、穩(wěn)態(tài)相位誤差鎖定時兩個輸入信號的相位誤差是一個常數(shù)，稱為穩(wěn)態(tài)相位誤差。該誤差產(chǎn)生控制電壓vc去控制V

7、CO的頻率，使之與輸入信號頻率相等。鎖定時16鎖相環(huán)的跟蹤特性說明： (a)為使穩(wěn)態(tài)相位誤差減小，需要增加環(huán)路直流總增益AS0，或減小輸入固有角頻差Dwi。 (b)當Dwi增大時，je增大，即Dwi越大，將VCO振蕩頻率調(diào)整到等于輸入信號頻率所需的控制電壓越大，因而產(chǎn)生該電壓的je也越大。 (c)當DwiAS0時，je不存在，表明環(huán)路不存在使它鎖定的穩(wěn)態(tài)相位誤差，也就是輸入固有角頻差過大，環(huán)路無法鎖定。17鎖相環(huán)的跟蹤特性3、同步帶 能夠維持環(huán)路鎖定所允許的最大輸入固有角頻差，此時的Dwi記做DwH 。 該結(jié)論在假設(shè)VCO的頻率控制范圍足夠大的條件下才成立。滿足條件時，同步帶主要受鑒相器最大輸

8、出電壓限制。若DwH大于VCO的頻率范圍，那么即使有足夠大的控制電壓加到VCO上，也不能將VCO的輸出頻率wo調(diào)整到wi上。18鎖相環(huán)的跟蹤特性二、跟蹤特性跟蹤性能是表示環(huán)路跟隨輸入信號頻率或相位變化而變化的能力.討論跟蹤特性時，由于誤差相位je的值一般很小，可以近似用線性函數(shù)逼近鑒相器的鑒相特性，從而使用線性系統(tǒng)分析的方法來進行分析。19鎖相環(huán)的跟蹤特性線性化的PLL系統(tǒng)框圖乘法器鑒相器線性化為：從而得到線性化的環(huán)路方程：對于用線性微分方程所表征的系統(tǒng)，可以采用傳遞函數(shù)的方法進行分析。20鎖相環(huán)的跟蹤特性開環(huán)傳遞函數(shù)閉環(huán)傳遞函數(shù)誤差傳遞函數(shù)21鎖相環(huán)的跟蹤特性說明根據(jù)近似線性條件要求，相位誤

9、差不得高于p/6傳遞函數(shù)描述的是相位傳遞過程，其中的s代表輸入、輸出信號相位變化的頻率，而不是輸入信號的載頻H(s)具有低通特性He(s)具有高通特性傳遞函數(shù)的具體形式采用不同環(huán)路濾波器時，H(s)、He(s)和Ho(s)具有不同的形式22鎖相環(huán)的跟蹤特性一階環(huán)路（環(huán)路濾波器為純阻性網(wǎng)絡(luò) AF(p)=AF）的傳遞函數(shù)：二階環(huán)路（采用理想運放構(gòu)成的有源比例積分濾波器）的傳遞函數(shù)：23鎖相環(huán)的跟蹤特性跟蹤特性表現(xiàn)為兩種響應(yīng)：瞬態(tài)響應(yīng)輸入信號的載頻或者相位發(fā)生階躍變化時，系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，描述了環(huán)路恢復(fù)到鎖定狀態(tài)的整個跟蹤過程著重關(guān)注：相位誤差最大跳變；穩(wěn)態(tài)相位誤差；趨穩(wěn)時間正弦穩(wěn)態(tài)響應(yīng)輸入信號的頻率

10、（或相位）為正弦變化時，系統(tǒng)的輸出響應(yīng)24鎖相環(huán)的跟蹤特性輸入為相位階躍信號：相位階躍輸入為頻率階躍信號：相應(yīng)的一階環(huán)路瞬時相差je(t) 分別為:頻率階躍2022/7/29Information&Communication Engineering Dept. XJTU25鎖相環(huán)的跟蹤特性對于相位階躍，二階環(huán)路瞬時相差je(t)為：26鎖相環(huán)的跟蹤特性二階環(huán)路對相位階躍的跟蹤過程27鎖相環(huán)的跟蹤特性對于頻率階躍，二階環(huán)路瞬時相差je(t)為：28鎖相環(huán)的跟蹤特性二階環(huán)路對頻率階躍的跟蹤過程29鎖相環(huán)的跟蹤特性 PLL的頻率響應(yīng): 在ji的變化為正弦型（頻率為W）的情況下， jo跟蹤ji變化，也

11、為正弦型的。跟蹤的性能取決于環(huán)路的閉環(huán)傳遞函數(shù)H(s)。從H(s)的表達式可以看出，主要取決于環(huán)路濾波器的頻率特性。如果輸入是一個調(diào)頻信號，其頻率和相位的表達式為：令wi等于VCO的自由振蕩頻率wr，則有：30鎖相環(huán)的跟蹤特性又由VCO的特性可知，有：比較這兩個式子，可以得到：若vW落在H(s)的通頻帶內(nèi)，則可以有效地被選頻輸出在vc處，相當于以一個十分容易實現(xiàn)的低通濾波器實現(xiàn)了窄帶濾波加解調(diào)的作用。實際中可以用來實現(xiàn)調(diào)頻信號解調(diào)。經(jīng)過環(huán)路作用得到的響應(yīng)為：31鎖相環(huán)的應(yīng)用鎖相環(huán)路具有優(yōu)良的應(yīng)用性能：(1) 鎖定時無頻差假如鎖相環(huán)路輸入固定頻率的載波信號,環(huán)路對它鎖定之后,輸出與輸入之間只有某

12、一固定的相位差,頻差則等于零.這是鎖相環(huán)路區(qū)別于其它任何反饋控制系統(tǒng)的一大特點,用它可以實現(xiàn)無誤差的頻率跟蹤. 32鎖相環(huán)的應(yīng)用(2)良好的窄帶跟蹤特性鎖相環(huán)路在鎖定輸入載波信號的同時,可以對噪聲進行過濾,完成窄帶濾波器的作用.假如輸入載波信號的頻率發(fā)生漂移,通過合理的設(shè)計,鎖相環(huán)路可以跟蹤輸入信號的頻率漂移,同時仍維持窄帶濾波作用.即變成一個窄帶跟蹤濾波器.例如,在幾十兆赫的載頻上可以實現(xiàn)幾十赫茲的帶寬,跟蹤范圍則可達到幾十千赫茲.這是應(yīng)用其它技術(shù)難于實現(xiàn)的.33鎖相環(huán)的應(yīng)用(3)良好的調(diào)制跟蹤特性鎖相環(huán)路也可以設(shè)計成跟蹤輸入信號的瞬時相位變化.這時環(huán)路既可以輸出經(jīng)過提純的已調(diào)制信號,使得信

13、噪比比輸入的已調(diào)信號明顯提高,也可以作為解調(diào)器輸出解調(diào)信號,且解調(diào)性能明顯優(yōu)于常規(guī)的解調(diào)器.(4)門限性能好鎖相環(huán)路本質(zhì)上是一個非線性系統(tǒng),在較強的噪聲作用下,同樣也存在門限效應(yīng).但是,把用于調(diào)頻解調(diào)器時比一般限幅-鑒頻器的門限改善可達45dB左右.34鎖相環(huán)的應(yīng)用(5)易于集成化鎖相環(huán)路的基本部件都易于采用模擬集成電路.環(huán)路實現(xiàn)數(shù)字化后,更易于采用數(shù)字集成電路.隨著大規(guī)模集成技術(shù)的發(fā)展,已經(jīng)可以將整個鎖相環(huán)路,甚至連同應(yīng)用中所需的其它外部電路集成在同一個基片上,制成所謂單片集成鎖相環(huán)路.集成化鎖相環(huán)路體積小,成本低,可靠性好,受到用戶的歡迎.甚至在消費類電子產(chǎn)品如收音機、彩色電視接收機中也得

14、到廣泛應(yīng)用。35鎖相環(huán)的應(yīng)用一、鎖相接收機外空間飛行器通信信號具有信號帶寬窄（幾十Hz）、載波漂移大（多普勒頻移：kHz數(shù)量級）的特點。采用kHz濾波器會放進來大量的噪聲，影響系統(tǒng)性能。=鎖相接收機中頻頻率鎖定在f4上，有用信號經(jīng)鑒相器（乘法器）解調(diào)輸出。環(huán)路濾波器選出輸出中的慢變化載頻漂移信號進行反饋控制，使得f2始終跟蹤f1的變化，保持中頻頻率基本不變。36鎖相環(huán)的應(yīng)用二、鎖相調(diào)頻與解調(diào)由于環(huán)路濾波器的帶寬遠遠小于調(diào)制信號的最低頻率，故調(diào)制信號不參與環(huán)路的反饋控制作用。VCO中心頻率漂移的緩慢變化被環(huán)路的控制作用消除，保證VCO輸出的調(diào)頻波的中心頻率基本上維持在晶振頻率上。37鎖相環(huán)的應(yīng)用

15、只要環(huán)路的閉環(huán)傳遞函數(shù)帶寬大于調(diào)制信號的帶寬，則可用來實現(xiàn)調(diào)頻信號解調(diào)。VCO的控制電壓與調(diào)制信號成正比。38鎖相環(huán)的應(yīng)用三、調(diào)幅信號鎖相解調(diào)可以用PLL來恢復(fù)調(diào)幅信號同步解調(diào)所需的本地參考信號。39鎖相環(huán)的應(yīng)用四、鎖相倍頻（頻率合成器）由于在鑒相器處有 wi=wo ,故有 wo=Nwi 。40頻率合成器頻率合成是指用一個或幾個參考頻率來綜合出所需的、等間隔變化的輸出頻率的技術(shù)。輸出信號的頻率穩(wěn)定度與參考信號的頻率穩(wěn)定度相同，輸出頻率值可以用數(shù)字的方法迅速地選擇切換。頻率合成器的技術(shù)指標頻率范圍：輸出頻率的最小值到最大值間fminfmax的變化范圍。頻率覆蓋系數(shù) k=fmax/fmin41頻率

16、合成器頻率分辨率（頻率間隔）：輸出頻率的最小變化間隔fch。轉(zhuǎn)換時間：頻率范圍內(nèi)的任意兩個輸出頻率相互切換所需的最長時間。頻率穩(wěn)定度：規(guī)定時間內(nèi)輸出頻率的最大相對變化值。頻譜純度：輸出信號中噪聲和干擾信號分量與有用信號分量的比值。42頻率合成器下圖是一個實際測得的頻率合成器頻譜。從圖(b)中可以看出，除主瓣外，還存在兩個寄生的旁瓣和相位噪聲的譜分量。43頻率合成器鎖相頻率合成法鎖相頻率合成，是基于鎖相環(huán)路的同步原理，從一個高準確度、高穩(wěn)定度的參考晶體振蕩器綜合出大量離散頻率的一種技術(shù)。鎖相頻率合成器，由基準頻率產(chǎn)生器和鎖相環(huán)路兩部分構(gòu)成。基準頻率產(chǎn)生器為合成電路提供一個或幾個高穩(wěn)準的參考頻率；

17、鎖相環(huán)路利用其良好的窄帶跟蹤特性，使其頻率準確地鎖定在參考頻率或其某次諧波上，并使被鎖定的頻率具有與參考頻率一致的頻率穩(wěn)定度和較高的頻譜純度。44頻率合成器一、整數(shù)分頻頻率合成器1、典型的鎖相頻率合成器鑒相器低通濾波器壓控振蕩器Nfrfo由于fo=Nfr，用輸入控制碼的方式來控制可變分頻器的分頻比N，可以有選擇地輸出所需的頻率信號。該頻率合成器的頻率分辨率（頻率間隔）為fr；頻率范圍由N的取值范圍決定；頻率穩(wěn)定度與fr的頻穩(wěn)度相同.可變分頻器程控分頻器45頻率合成器2、帶高速前置分頻器的鎖相頻率合成器鑒相器低通濾波器壓控振蕩器KfrfoN前置分頻器減低了頻率分辨率，但也降低了程控分頻器的工作頻

18、率，使其更易于實現(xiàn)。為了提高頻率分辨率，可以在晶振之后添加參考分頻器環(huán)節(jié)R，使輸入鑒相器的參考頻率為晶振輸出頻率的1/R。固定分頻器前置分頻器可變分頻器程控分頻器46頻率合成器3、雙模前置分頻鎖相頻率合成器（吞脈沖鎖相頻率合成器）模式控制邏輯電路雙模前置分頻器P/(P+1)A計數(shù)器N計數(shù)器VCOPD預(yù)置：吞脈沖計數(shù)器A，程序計數(shù)器N，(NA)雙模分頻器以分頻比(P+1)模式工作，每(P+1)個VCO脈沖，雙模分頻器向”A”和”N”輸出一個脈沖，使其減1計數(shù)。當A=0時，控制邏輯輸出換模信號，使雙模分頻器以分頻比P模式工作。A停止計數(shù)，N繼續(xù)減計數(shù)到0，換模，重置A和N。 特點： 兩個可編程減法

19、計數(shù)器 N 和 A 一個高速雙模分頻器P/（P+1），其CP為VCO輸出，其輸出作為N、A的CP 一個模式控制邏輯電路雙模前置分頻器P/（P+1）模式控制邏輯電路N計數(shù)器A計數(shù)器吞脈沖可變分頻器電路結(jié)構(gòu)頻率合成器雙模前置分頻器P/（P+1）模式控制邏輯電路N計數(shù)器A計數(shù)器工作原理 預(yù)置 N、A（NA），雙模分頻比為（P+1），VCO 開始輸出 每輸入（P+1）個VCO脈沖，雙模分頻器輸出一個脈沖， 使 “A” 和 “N” 程序計數(shù)器均減 1 當“A”計數(shù)器減到 0 時，模式控制使雙模變?yōu)镻，且使“A” 停止計數(shù)， 此時VCO已輸出 （P + 1）A 個脈沖 “N”計數(shù)器從（N A）繼續(xù)做減法計

20、數(shù)，當再送入（N A）P 個 VCO 脈沖后，“N”計數(shù)器到 0，輸出一脈沖到鑒相器PD 模式控制器使雙模變?yōu)椋≒+1）， “A” 和 “N” 均置數(shù)，新一輪開始頻率合成器 只有雙模分頻器是高速器件，“N”和“A”均低速器件結(jié)論： VCO總的分頻數(shù)為輸出頻率：優(yōu)點：與帶高速前置分頻器方案相比頻率間隔仍為 ，沒有擴大頻率合成器吞脈沖鎖相頻率合成的集成電路芯片 MC145152 內(nèi)部電路：晶體振蕩器、參考分頻器“N”和“A”計數(shù)器、控制邏輯電路鑒頻鑒相器頻率合成器51頻率合成器二、分數(shù)頻率合成器鑒相器LPFVCOP/(P+1)frfo模式控制通過改變時間T內(nèi)兩種模式的分配比例，就可以改變VCO的平

21、均分頻比。優(yōu)點：輸出頻率可以按照輸入?yún)⒖碱l率的分數(shù)倍變化，參考頻率就可以遠大于信道間隔。缺點：在輸出信號旁邊出現(xiàn)分數(shù)寄生頻率點，VCO輸出不是一個嚴格的周期信號。目的：減小頻率間隔，但不降低鑒相頻率鎖相頻率合成器當N為整數(shù)，則頻率間隔若N為小數(shù)，在鑒相頻率不變條件下，而頻率間隔 是 的分數(shù)倍二、分數(shù)頻率合成器頻率合成器分數(shù)分頻器的實現(xiàn)思路采用了一個雙模分頻器分頻比受控變化則在時間間隔T內(nèi)的平均分頻比是5.5 在時間間隔T內(nèi)50%時間按5分頻50%時間按6分頻頻率合成器的輸出頻率則按參考頻率的分數(shù)倍變化 改變這個時間分配的百分數(shù)即改變了VCO的平均分頻比二、分數(shù)頻率合成器頻率合成器54頻率合成器

22、小數(shù)分頻頻率合成器的原理方框圖關(guān)鍵部件： 雙模分頻器 累加器 當BCD全加器溢出時，作為換模信號送入雙模分頻器， 雙模分頻器在持續(xù)時間 內(nèi)，分頻值是（P+1） VCO在10個 內(nèi)共分頻 改變F值，可改變分頻比，且頻率以0.1的分辨率步進工作原理 初始 雙模分頻器以P工作 VCO輸出為累加器的CP為 ， 每來一個CP，累加 F（設(shè)F=0.1）55直接數(shù)字頻率合成器直接數(shù)字頻率合成器(DDS：Direct Digital Frequency Synthesis)DDS是一種基于全數(shù)字技術(shù)，從相位概念出發(fā)直接合成所需要波形的頻率合成技術(shù)。DDS的基本原理是通過輸出信號的采樣值來得到輸出信號。根據(jù)Ny

23、quist定理，只要采樣頻率大于信號帶寬的兩倍，就可以不失真地用樣本值來恢復(fù)原信號。例如，對于一個頻率為f0的正弦信號，從時間上把一個周期分為2n份，每份時長為T0/ 2n，令采樣周期TskT0/ 2n， 當滿足1 k 2n-1 時，有 （T0/ 2n） Ts （T0/ 2），通過恢復(fù)濾波器后，都可以有效地恢復(fù)原正弦信號。56直接數(shù)字頻率合成器如果我們讓采樣時刻tn=n Ts與正弦信號的相位相對應(yīng)的話，應(yīng)當是jn=w0tn=2pf0n kT0/ 2n= nk2p/ 2n ,也就是說，在正弦信號的一個2p周期中，按jn采樣2n2個樣點也可以有效地恢復(fù)正弦信號。DDS的做法正是把正弦信號的一個周期按時間（相位）分為2n份，把相應(yīng)的函數(shù)值存儲在ROM中，通過改變讀出時鐘的頻率fclk和樣點相位間隔k，來得到不同的輸出頻率fout