第9章-频率合成技术(1)直接与间接频率合成课件.ppt

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1、第第9 9 章章 频率合成技术频率合成技术9.19.1 频率合成器的主要指标频率合成器的主要指标9.29.2 直接模拟频率合成法直接模拟频率合成法9.2.2 相干式直接合成器相干式直接合成器9.2.3 频率漂移抵消法频率漂移抵消法9.2.1 非相干式直接合成器非相干式直接合成器9.39.3 直接数字频率合成法直接数字频率合成法9.3.1 直直接数字合成基本原理接数字合成基本原理9.3.1 信信号的频率分析号的频率分析9.3.1 噪噪声分析声分析9.2.1 直直接数字合成信号源实例接数字合成信号源实例9.1 频率合成器的主要技术指标频率合成器的主要技术指标石英晶振频率稳定度和准确度很高，但石英晶

2、振频率稳定度和准确度很高，但改换频率不方便改换频率不方便；LC振荡器改换频率方便，但不如石英晶振精准；振荡器改换频率方便，但不如石英晶振精准；频率合成器是将二者结合起来，得到精准的一系列频率。频率合成器是将二者结合起来，得到精准的一系列频率。分类：分类：频率合成器是利用一个频率合成器是利用一个(或几个或几个)晶体振荡器产生一系列晶体振荡器产生一系列(或若干个或若干个)标准频率信号的装备标准频率信号的装备。（1）工作频率范围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。频率合成器的工作频率范围。（2）频率

3、间隔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。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。多取又称分辨力。多取100Hz，也有取，也有取10Hz、1Hz和和0.1Hz。（3）频率转换时间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。取决于采用的合成方法。工作所需的时间。取决于采用的合成方法。频率合成的方法，基本上可归纳为频率合成的方法，基本上可归纳为直接合成法直接合成法与与间接合间接合成法成法两大类。两大类。（4）频率稳定度与准确度频率稳定度与准确度 频率稳定度是指在规定观测时间

4、内，合成器输出频率偏离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。标称值的程度。一般用该偏离值与输出频率的相对值来表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，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，又称频率误差。事实上，稳定度与准确度有着密切的关系，因为因为只有频率稳定度高，频率准确度才有意义只有频率稳定度高，频率准确度才有意义。分长期、短。分长期、短期、瞬间三种稳定度。期、瞬间三种稳定度。（5）频谱纯度频谱纯度 谱纯度是指输出信号接近正弦波的程度谱纯度是指输出信号接近

5、正弦波的程度。可以用输出端。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。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；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；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）；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）。随机干扰（相位噪声）。9.29.2 直接频率合成法直接频率合成法9.2.1 9.2.1 非相干式直接合成器非相干式直接合成器 图中图中f1与与f2为两个石英晶体振荡器的频率（为两个石英晶体振荡器的频率（不相干不相干），），f1

6、可以从可以从5.0005.009MHz这这10个频率中任选一个，个频率中任选一个，f2可以从可以从6.006.09MHz这这10个频率中任选一个。所选出的两个频率个频率中任选一个。所选出的两个频率在混频器中相加，通过带通滤波器取出合成频率。在混频器中相加，通过带通滤波器取出合成频率。缺点：缺点：石英晶体多，石英晶体多，组合频率多，组合频率多，带内互调分带内互调分量多。量多。9.2.2 9.2.2 相干式直接合成器相干式直接合成器 图中的图中的10个等差数频率（个等差数频率（2736MHz,间隔间隔0.1MHz）是）是由石英晶体振荡器通过谐波发生器产生的多个频率。由石英晶体振荡器通过谐波发生器产

7、生的多个频率。由于由于这些频率都是同一来源这些频率都是同一来源，故为，故为相干式相干式。所需的输出频率可以。所需的输出频率可以通过对这通过对这10个等差数列频率的选择，进行逐次个等差数列频率的选择，进行逐次混频混频、滤波滤波、与与分频分频的方式来获得。的方式来获得。若要得到3.4509MHz,只要将开关DCBA分别置于4、5、0、9的连线上。9.2.3 9.2.3 频率漂移抵消法频率漂移抵消法(外差补偿法外差补偿法)输出频率输出频率fi2的准确度仅取决于标准频率的准确度仅取决于标准频率fom，而与可变，而与可变振荡器的频率误差振荡器的频率误差f无关。无关。由于频率误差由于频率误差f在两次变频过

8、在两次变频过程中被抵消，故称之为频率漂移抵消法，也可以叫做外差程中被抵消，故称之为频率漂移抵消法，也可以叫做外差补偿法。补偿法。可变振荡器的频率误差在两次混频中相互抵消；改变可变振荡器频率，可以得到不同的输出频率（各标准频率源）；对于不同的输出频率，带通滤波器的通道不变；实际电路是较为复杂，需要多个环路实现。9.39.3 直接数字频率合成法（直接数字频率合成法（DDSDDS）它突破了模拟频率合成法的原理，从它突破了模拟频率合成法的原理，从“相位相位”的概率出发的概率出发进行频率合成。不仅可得到不同频率，不同相位的正弦波，进行频率合成。不仅可得到不同频率，不同相位的正弦波，而且还可得到任意波形的

9、信号。而且还可得到任意波形的信号。9.39.3.1.1 直接数字基本原理直接数字基本原理 实际上，可以将要输出的波实际上，可以将要输出的波形数据（如正弦函数表）预先存形数据（如正弦函数表）预先存在在ROM或或RAM）中，（然后在系统标准时钟（）中，（然后在系统标准时钟（CLK）频率下，）频率下，按照一定的顺序从按照一定的顺序从ROM（或（或RAM）单元中读出数据，再进行）单元中读出数据，再进行D/A转换，就可以得到一定频率的输出波形。转换，就可以得到一定频率的输出波形。9.3.2 信号的频率关系信号的频率关系 设控制时钟频率为设控制时钟频率为fc,ROM地址码的位数为地址码的位数为n(一个正弦

10、波中有一个正弦波中有2n 个样值个样值)，K为累加值为累加值K=Kmin=1（依次取数），则输出频率（依次取数），则输出频率fo为：为：fo=Kminx fc/2n 故最低输出频率为故最低输出频率为fmin为：为：fomin=fc/2n (1/T=1/2nTc,信号一个周期有信号一个周期有2n个取样周个取样周期期)当当K=Kmax=2n-2时，输出频率为：时，输出频率为：fo=Kmaxx fc/2n (信号一个周期有信号一个周期有KMAX/2n个取样周期个取样周期)故最高输出频率故最高输出频率fmax为：为：fomax=2n-2 x fc/2n=fc/4 在在DDS中，输出频率点是离散的，当频

11、率最高和最低已经中，输出频率点是离散的，当频率最高和最低已经设定时，其间可输出的频率个数设定时，其间可输出的频率个数M为为 M=foma x/fomin=2n-2u 频率分辨率：频率分辨率：两个相邻频率两个相邻频率f1和和f2的间隔，即为频率分辨率。的间隔，即为频率分辨率。若若 f1=K fc/2n f2=(K+1)fc/2n 则，频率分辨率则，频率分辨率 f为为 f=f2-f1=(K+1)fc/2n-Kfc/2n =fc/2n9.3.3 噪声分析噪声分析 在在DDS中，噪声有二种：中，噪声有二种：（1）量化噪声）量化噪声 即相位和幅度量化噪声。即相位和幅度量化噪声。每个量化值都是近似值，所以

12、，在量化过程都存在量化误差，每个量化值都是近似值，所以，在量化过程都存在量化误差，即为量化噪声。即为量化噪声。（2）另一种是数模转换器产生的阶梯波中的杂散频率通过非）另一种是数模转换器产生的阶梯波中的杂散频率通过非理想低通滤波器而带来的噪声。随频率的增加而加大。理想低通滤波器而带来的噪声。随频率的增加而加大。9.49.4 间接频率合成法间接频率合成法(锁相环路法锁相环路法)模拟式与数字式的区别在于两者的降频方式不同：模拟式与数字式的区别在于两者的降频方式不同：前者前者采用采用减法降频减法降频，后者采用，后者采用除法降频除法降频。在第八章中，锁相环路的鉴相器中进行相位比较的两个在第八章中，锁相环

13、路的鉴相器中进行相位比较的两个频率应该是相等的。但通常参考频率是固定的。为了使这两频率应该是相等的。但通常参考频率是固定的。为了使这两者的频率在鉴相器处相等，以便比较它们的相位，大致有以者的频率在鉴相器处相等，以便比较它们的相位，大致有以下几种方法：脉冲控制锁相法、模拟锁相环路法和数字锁相下几种方法：脉冲控制锁相法、模拟锁相环路法和数字锁相环路法。环路法。脉冲控制锁相法脉冲控制锁相法是利用参考晶振频率的某次谐波（通过脉是利用参考晶振频率的某次谐波（通过脉冲形成电路来获得）与冲形成电路来获得）与VCO频率在鉴相器中相比较；频率在鉴相器中相比较；模拟锁模拟锁相环路法与数字锁相环路相环路法与数字锁相

14、环路法则是法则是利用适当的降频电路利用适当的降频电路将将VCO的频率降低，然后与参考频率在鉴相器中相比较。的频率降低，然后与参考频率在鉴相器中相比较。9.4.1 9.4.1 脉冲控制锁相法脉冲控制锁相法 用晶振频率用晶振频率fR去激励脉冲形成电路，产生一个重复频率为去激励脉冲形成电路，产生一个重复频率为fR的尖脉冲序列，这脉冲序列含有丰富的谐波。的尖脉冲序列，这脉冲序列含有丰富的谐波。对于不同的对于不同的VCO频率频率fV,取相应的谐波取相应的谐波nfR在鉴相器中进行比较，通过相在鉴相器中进行比较，通过相环路的作用，即可将环路的作用，即可将fV锁定在锁定在nfR上，即上，即fV=nfR(n=1

15、,2,3,)。改变改变n值，即可在不同的值，即可在不同的fV值上获得锁定。值上获得锁定。由此可见，由此可见，脉冲控脉冲控制锁相法实际上是一个单环制锁相法实际上是一个单环(即只有一个锁相环路即只有一个锁相环路)多波道频多波道频率合成器率合成器。9.3.2 9.3.2 间接合成制间接合成制减法降频减法降频(模拟锁相环路法模拟锁相环路法)图是图是多环式多环式减法降频方框图。它共用了四个减法降频方框图。它共用了四个锁相环，可获得锁相环，可获得10000个离散频率，间隔个离散频率，间隔100Hz。9.3.3 9.3.3 间接合成制间接合成制除法降频除法降频(数字锁相环法数字锁相环法)数字逻辑电路把数字逻

16、辑电路把VCO频率一频率一次或多次降低，再与参考频率在次或多次降低，再与参考频率在鉴相电路中进行比较，所产生的鉴相电路中进行比较，所产生的误差信号用来控制误差信号用来控制VCO频率，使频率，使之锁定在参考频率的稳定度上。之锁定在参考频率的稳定度上。本章介绍频率合成器，包括直接合成法和间接合成法。本章介绍频率合成器，包括直接合成法和间接合成法。1.所谓频率合成器就是利用一个（或几个）晶体振荡器产所谓频率合成器就是利用一个（或几个）晶体振荡器产生一系列（或若干个）标准频率信号的设备。生一系列（或若干个）标准频率信号的设备。其基本思想就其基本思想就是利用综合或合成的手段，综合晶体振荡器的频率稳定度、

17、是利用综合或合成的手段，综合晶体振荡器的频率稳定度、准确度高和准确度高和LC振荡器改换频率方便的优点，克服了晶体点振荡器改换频率方便的优点，克服了晶体点频工作和频工作和LC振荡的频率稳定度、准确度不高的缺点，而形振荡的频率稳定度、准确度不高的缺点，而形成频率合成技术。成频率合成技术。本本 章章 小小 结结2 2 频率稳定度是指在规定的时间间隔内，合成器频率偏频率稳定度是指在规定的时间间隔内，合成器频率偏离规定值的数值。离规定值的数值。频率准确度则是指实际工作频率偏离规频率准确度则是指实际工作频率偏离规定值的数值，即频率偏差。定值的数值，即频率偏差。这是频率合成器两个重要指这是频率合成器两个重要

18、指标。标。两者既有区别，又有联系。稳定度是准确度的前提。两者既有区别，又有联系。稳定度是准确度的前提。稳定度高也就意味着准确度高，亦即只有频率稳定，才能稳定度高也就意味着准确度高，亦即只有频率稳定，才能谈得上频率准确。谈得上频率准确。3 所谓所谓直接频率合成法直接频率合成法是将两个基准频率直接在混频器是将两个基准频率直接在混频器中进行混频，以获得所需的新频率。中进行混频，以获得所需的新频率。这些基准频率是由石英这些基准频率是由石英晶体振荡器产生的。晶体振荡器产生的。如果是用多个石英晶体产生的基准频如果是用多个石英晶体产生的基准频率，因而产生混频的两个基准频率相互之间是独立的，所以率，因而产生混

19、频的两个基准频率相互之间是独立的，所以叫非相干式直接合成。叫非相干式直接合成。如果只用一块石英晶体作为标准频率如果只用一块石英晶体作为标准频率源，因而产生的混频的两个基准频率（通过倍频器产生的）源，因而产生的混频的两个基准频率（通过倍频器产生的）彼此之间是相关的，就叫相干式直接合成。彼此之间是相关的，就叫相干式直接合成。4 间接频率合成法间接频率合成法又称锁相环路法。又称锁相环路法。大致可分为脉冲控大致可分为脉冲控制锁相法、模拟锁相环路法与数字锁相环路法。制锁相法、模拟锁相环路法与数字锁相环路法。脉冲控制锁相法是利用参考晶体频率的某些谐波（通过脉冲控制锁相法是利用参考晶体频率的某些谐波（通过脉冲形成电路来获得）与脉冲形成电路来获得）与VCO频率在鉴相器中相比较；模拟频率在鉴相器中相比较；模拟锁相环路法与数字锁相环路法则是利用适当的降频电路将锁相环路法与数字锁相环路法则是利用适当的降频电路将VCO的频率降低，然后与参考频率在鉴相器中相比较；模拟的频率降低，然后与参考频率在鉴相器中相比较；模拟式与数字式的区别在于两者的降频方式不同；前者采用减法式与数字式的区别在于两者的降频方式不同；前者采用减法降频，后者采用除法降频。降频，后者采用除法降频。