通信電路ch081(00001)課件

笫8章頻率合成技術(shù)8.1概述頻率合成的基本方法主要技術(shù)指標(biāo)8.2直接頻率合成法8.3鎖相頻率合成法鎖相頻率合成器的基本構(gòu)成鎖相頻率合成器方案設(shè)計(jì)中的一些考慮鎖相頻率合成器的實(shí)際構(gòu)成方案8.4集成頻率合成器芯片舉例8.5直接數(shù)字式頻率合成18.1頻率合成器概述為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的無線電通信，減少各種外界因素對傳輸信號的干擾，近代通信系統(tǒng)往往要求通信機(jī)具有大量的、可供用戶選擇和迅速更換的載頻振蕩信號。頻率合成器能夠?qū)崿F(xiàn)上述要求。例如移動(dòng)通信：要求在150、400、900、1800MHz頻率附近提供上百個(gè)頻率點(diǎn)要求這些頻率點(diǎn)的載波振蕩頻率穩(wěn)定度與精度，都應(yīng)滿足系統(tǒng)的性能要求，并能迅速變換。晶體振蕩器無法滿足上述要求

頻率合成器是一種能夠產(chǎn)生大量與基準(zhǔn)參考頻率源具有同樣高精度和穩(wěn)定度的離散頻率信號的部件。2頻率合成的方法

頻率合成（頻率綜合）是指以一個(gè)或數(shù)個(gè)參考頻率源為基準(zhǔn)，在某一頻段內(nèi)，通過一定的變換與處理后綜合產(chǎn)生并輸出多個(gè)工作頻率點(diǎn)的過程。制作高質(zhì)量頻率源成為軍用（電子對抗）、民用（通信、廣播電視、儀器等）研制工作的一項(xiàng)關(guān)鍵課題

這些離散頻率的頻率穩(wěn)定度和精度均與基準(zhǔn)頻率相同。這些離散頻率能在很短時(shí)間內(nèi)，由某一頻率變換到另一頻率

頻率合成的基本方法主要有三類：直接式頻率合成鎖相頻率合成（亦稱間接式頻率合成）直接數(shù)字式頻率合成3頻率合成器的主要技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）（4）頻率穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度

頻率穩(wěn)定度是指在規(guī)定觀測時(shí)間內(nèi)，合成器輸出頻率偏離標(biāo)稱值的程度。準(zhǔn)確度則表示實(shí)際工作頻率與其標(biāo)稱值之間的偏差.（5）頻譜純度輸出信號接近正弦波的程度。可以用輸出端的有用信號電平與各寄生頻率總電平之比的分貝數(shù)表示。

各寄生信號頻率成分：有用信號的各次諧波成分；

存在各種周期性干擾（混頻器的高次組合頻率）；

干擾引起的隨機(jī)相移（相位噪聲）。5輸出信號頻率及各種干擾成分6頻譜純度對通信系統(tǒng)的影響頻率合成器輸出信號頻譜不純，對接收機(jī)和發(fā)射機(jī)都會產(chǎn)生不良影響頻譜不純的發(fā)射信號將對鄰道信號產(chǎn)生干擾接收機(jī)的混頻器可將本振噪聲轉(zhuǎn)移到中頻段，將降低中頻信號的信噪比本振噪聲會干擾數(shù)字通信載波信號中的相位噪聲和本振中的相位噪聲直接影響數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率相位噪聲和雜散是頻率合成器（振蕩器）最重要的性能指標(biāo)之一7相位噪聲在振蕩器輸出信號中的表示第一項(xiàng)為載波電壓Vomcosct,第二項(xiàng)為載波信號Vomsinct受到相位噪聲n(t)調(diào)制的雙邊帶信號。振蕩器輸出信號的頻譜是一根載波頻譜和被搬移到載波兩邊的相位噪聲頻譜的疊加。

由于振蕩器具有正反饋的自限幅作用，抑制了振幅噪聲，只需考慮相位噪聲的影響。而且對于一個(gè)能使用的振蕩器來說，通常相位噪聲也是較小的。9用頻譜儀測相位噪聲該信號中心頻率為836.49MHzSPAN為5KHz分辨率帶寬RBW為100Hz輸出功率參考為0dBm每格衰減為10dB在偏離中心頻率1KHz（即2格）處可讀得相位噪聲功率相對于信號功率為－55dBc/100Hz相位噪聲10相位噪聲的特點(diǎn)

距離中心頻率越遠(yuǎn)，其值越小。噪聲頻譜與振蕩回路有載Q值有關(guān)，Q值越大，曲線越尖銳，相位噪聲衰減得越快。

－－提高振蕩回路的Q值是減小相噪的關(guān)鍵。相位噪聲的特點(diǎn)：11直接頻率合成（續(xù)）舉例1：已知基準(zhǔn)頻率=1MHz。要求輸出頻率：21.6MHz分頻分頻分頻混頻混頻倍頻帶通濾波帶通濾波諧波發(fā)生器晶振缺點(diǎn)：頻率范圍有限；離散頻率數(shù)不能太多；輸出信號中的寄生頻率成分和相位噪聲顯著加大；設(shè)備變得龐大。138.3鎖相頻率合成法鎖相頻率合成器，由基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生器和鎖相環(huán)路兩部分組成?；鶞?zhǔn)頻率產(chǎn)生器為合成電路提供一個(gè)或幾個(gè)高穩(wěn)準(zhǔn)的參考頻率鎖相環(huán)路利用其良好的窄帶跟蹤特性，使頻率準(zhǔn)確地鎖定在參考頻率上，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鎖相頻率合成器的性能，取決于這兩部分的性能，尤其是環(huán)路的跟蹤特性、濾波特性和噪聲特性。

主要優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單；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；單環(huán)頻率合成器的頻率間隔不能做得很小。14數(shù)字鎖相頻率合成器－－原理VCOLFPD程序分頻器頻道選擇

數(shù)字鎖相頻率合成器基本原理

是參考頻率，由晶體振蕩器振蕩頻率分頻得到。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，鑒相器兩輸入信號的頻率相等。改變N即可獲得不同的輸出頻率。1215參考頻率對環(huán)路性能的影響--討論1

參考頻率對環(huán)路性能的影響輸出頻率的分辨力，等于輸入鑒相器的參考頻率。越小，輸出信號的頻率分辨力將越高。小環(huán)路頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間

大，因此減小與減小及抑制VCO噪聲往往成了對頻率合成器提出的相互矛盾的要求。

對于輸出頻率較高，當(dāng)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，如N＝1～1000，開環(huán)增益有60dB變化，影響環(huán)路的動(dòng)態(tài)工作性能。

小，環(huán)路帶寬窄，對抑制VCO噪聲不利。（為了抑制及其諧波，環(huán)路帶寬應(yīng)小于）17可編程分頻器最高工作頻率低的影響－討論2分頻比固定的分頻器，工作頻率較高，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，上限頻率約為幾十MHz，CMOS部件構(gòu)成的可編程分頻器，上限頻率則更低。而大多數(shù)通信系統(tǒng)的工作頻率則要上百、上千MHz。

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。

基本鎖相頻率合成器存在合成器要求的輸出頻率與可編程分頻器的最高工作頻率之間的矛盾?？删幊谭诸l器是數(shù)字鎖相頻率合成器的重要部件。如何解決？18在程序分頻器前加前置分頻器－方案1

含前置分頻器的鎖相頻率合成器－提高頻率合成器輸出頻率在主分頻器前，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。鑒相VCO低通主分頻器前置分頻器參考分頻器晶振當(dāng)改變N時(shí)，輸出頻率將為以為間隔的離散頻率系列?？梢姳痉桨甘且约哟箢l率間隔為代價(jià)，換取合成器工作在較高的頻段。19吞脈沖可變分頻器工作過程

模式控制電路為高電平時(shí)，雙模分頻器的分頻比為

模式控制電路為低電平時(shí)，雙模分頻器的分頻比為。

N（主計(jì)數(shù)器）>A（輔助計(jì)數(shù)器－－吞脈沖計(jì)數(shù)器）。工作過程：雙模分頻器受模式控制電路控制，當(dāng)模式控制電路輸出為高電平時(shí)，則分頻比為（P+1),此時(shí)每輸入（P＋1）個(gè)脈沖，雙模分頻器就輸出一個(gè)脈沖。

主計(jì)數(shù)器預(yù)置為N，吞脈沖計(jì)數(shù)器預(yù)置為A。在雙模分頻器輸出脈沖同時(shí)加到兩計(jì)數(shù)器上作為CP時(shí)兩計(jì)數(shù)器同時(shí)計(jì)數(shù)（減法）。21吞脈沖可變分頻器的分頻比在一個(gè)計(jì)數(shù)周期內(nèi)，總計(jì)脈沖量為：繼續(xù)輸入脈沖，輔助計(jì)算器停止工作，主分頻器繼續(xù)從（N－A）作減法計(jì)數(shù)，直到再輸入（N－A）P個(gè)VCO脈沖后，主計(jì)數(shù)器計(jì)到零，此時(shí)主計(jì)數(shù)器輸出一個(gè)脈沖去鑒相器，而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。雙模分頻器輸出A個(gè)脈沖，即輸入（P＋1）A個(gè)脈沖時(shí)，輔助計(jì)數(shù)器減到零，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。22吞脈沖頻率合成器的輸出頻率

由于每個(gè)工作周期才輸出一個(gè)脈沖給鑒相器，n即為吞脈沖分頻器的分頻比，于是

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，而輸出頻率則為：

頻率分辨力仍為，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)（A為分頻比的個(gè)位）

。吞脈沖頻率合成器達(dá)到了兩個(gè)目的：一是只有雙模分頻器工作在高速，可編程計(jì)數(shù)器工作速度比之低P倍。二是VCO輸出頻率提高了，但頻率分辨力不變。23多環(huán)頻率合成器－方案3解決單環(huán)頻率間隔受限PD1LF1VCO1可變÷N1÷100（-）PD3LF3VCO3PD2LF2VCO2可變÷N2頻率間隔為fi/10025多環(huán)頻率合成器分析方法輸出頻率：1、先根據(jù)環(huán)路鎖定時(shí)輸入至鑒相器的兩個(gè)信號的頻率相等的特點(diǎn)，列出每個(gè)VCO的輸出頻率的表示式2、根據(jù)框圖的連接關(guān)系，將各未知量代入。頻率分辨力：分辨力即為兩個(gè)頻率之間的最小間隔，因此只需找出輸出頻率表示式中可變分頻器分頻比逐1變化引起的最小頻率增量，便是該頻率合成器的頻率分辨力。26采用MC145152的頻率合成器電路29三線控制的頻率合成器芯片（SPI接口）西門子手機(jī)芯片PMB2307R雙模分頻器出30PMB2307頻率合成器電路VCO雙模分頻器單片機(jī)控制31舉例1：舉例1：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，要使輸出頻率，兩計(jì)數(shù)器N和A應(yīng)預(yù)置于何值？該頻率合成器的工作范圍是多少？32舉例１

可得出合成器環(huán)路分頻器的分頻數(shù)應(yīng)為：

27310=40N+A頻率點(diǎn)數(shù)：4萬多。解：由先忽略A，求得：N=27310/40=682.75，取N=682則余數(shù)A值為：A=27310-40×682=30或即當(dāng)=5kHz時(shí)，將÷N、÷A兩計(jì)數(shù)器分別置于N=682和A=30，即可使輸出頻率=136.550MHz。范圍：N=3～1023,A=3～12733舉例２利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有器材，設(shè)計(jì)一個(gè)滿足以下性能要求的用于某移動(dòng)通信設(shè)備的鎖相頻率合成器，試畫出框圖。

1、性能要求：

工作頻率范圍880.4～924.4（MHz）信道間隔100KHz

頻率穩(wěn)定度1×10-5

2、實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有器材清單：

VCO，頻率調(diào)諧范圍200～240（MHz）鑒頻/鑒相器，最高工作頻率１MHz

吞脈沖頻率合成器芯片MC14515234舉例２（續(xù)1）10MHz、12.8MHz、52MHz晶振，頻率穩(wěn)定度均為１×10-6÷40/41雙模分頻器可編程分頻器，最高工作頻率35MHz

電感、電容、電阻、及運(yùn)放可組成各種帶通、低通濾波器

1GHz內(nèi)的混頻器各種分頻器、倍頻器難點(diǎn)：1、VCO可變頻率范圍不夠2、可編程分頻器，最高工作頻率低（VCO輸出必須降頻后才能與之相聯(lián)）。35解：設(shè)計(jì)方案1－吞脈沖鎖相和倍頻器相結(jié)合采用吞脈沖鎖相頻率合成器和倍頻器相結(jié)合的方案。即用12.8MHz晶體、MC145152芯片和÷40/41雙模前置分頻器組成輸出頻率為220.1～231.1MHz的鎖相頻率合成器,然后在VCO輸出端加接4倍頻器,如圖(a)所示,則圖(a)R分頻器的分頻比12.8×106/25×103=512取整數(shù)N=220～231A：0～3936方案2下變頻器和倍頻器相結(jié)合（見指導(dǎo)書p429）圖（b)37方案3固定前置分頻和上變頻器相結(jié)合（見指導(dǎo)書p429）固定前置分頻器和上變頻器相結(jié)合圖（Ｃ）N=2564~3004388.5直接數(shù)字頻率合成（DDS）

基于全數(shù)字技術(shù)，從相位概念出發(fā)直接合成所需波形。基本思路是按一定的時(shí)鐘節(jié)拍從存有波形函數(shù)表的ROM中讀出與相位對應(yīng)的代表波形幅值的二進(jìn)制數(shù)，經(jīng)過D/A變換和低通濾波，得到所需的模擬波形。

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；總輸出噪聲電平較高。（DirectDigtialFrequencySynthesis簡稱DDFS或DDS）是近年來發(fā)展起來的一種將先進(jìn)的數(shù)字處理理論與方法引入信號合成領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)（第三代頻率合成）。39DDS的基本結(jié)構(gòu)頻率控制字時(shí)鐘相位累加器只讀存儲器數(shù)模轉(zhuǎn)換器濾波器K信號輸出

參考時(shí)鐘由－個(gè)高穩(wěn)定的晶體振蕩器產(chǎn)生。相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級聯(lián)構(gòu)成。相位累加器的N位輸入稱為頻率控制字K，K為每次累加器累加的相位增量。40DDS工作過程相位累加器在頻率控制字和時(shí)鐘脈沖的作用下輸出合成波形的相位序列。只讀存儲器內(nèi)存儲著與相位序列對應(yīng)的正弦幅度數(shù)據(jù)碼，而存儲單元地址碼即為該相位序列，因此當(dāng)相位序列對ROM尋址時(shí)，ROM輸出幅度碼。幅度碼經(jīng)DAC輸出階梯波形再經(jīng)低通濾波器后，輸出所需的正弦波形。

41具體過程：相位累加器受時(shí)鐘頻率及頻率控制字K的控制，每一時(shí)鐘脈沖到來