频率合成技术发展概述
频率合成技术发展概述
迟忠君 徐 云 常
飞
人们对频率源的要求越来越高
频率合成技术理论形成以来的三代发展过程
锁相环
本文介绍了自
频率转换时间
被称为许
多电子系统的器
在测试设备中
在通信
又是接收机的本地振荡
５
分为谐波分量和非谐波分量两种
相位噪声实际上指
人们对频率源的要求越来越高
６频率合
Ｆ
Ｍ
成技术或多个
合乎质量要求的所需频率的技术
等功能
２ 频率合成技术的性能指标
到现在大概经历了三代的发展过程
频率源因为应用场合不同
用来衡量频率合成技术或频
率源的主要性能指标有
频率范围
包括中心频率和带宽两个方面
频率稳定度
率偏离标定植的数值
３
各种频率分别由这些参考源提供
２００５－０８－１６
作者简介１９７９－
现代科学仪器 ２００６ ３ ２１
直接模拟频率合成（ＤＡＦＳ）技术
直接模拟频率合成
易于实现
发生器产生一系列谐波
输出频
根据所使用的参考频率的数目
不同可分为非相关合成方法和相关合成方法两种类型
所需的再经谐波
有相同频率稳定性和精度的多个晶体参考频率源既复杂
又困难
所需的各种频率都由它经过分频因而合成器输出频率的稳定性和精度与参
考源一样
相位噪声低倍频和滤
波等模拟硬件设备
结构复杂
３．２ 第二代基于锁相环
它
是一个负反馈环路
其输出信号与参考信号相位同步
图１ 锁相环原理图
锁相环主要由鉴相器
鉴相器通过比较压控振荡器的输出信号和参
考信号从而产生相位控制信号
当输出信号与参
考信号相位一致时
锁定
当环路已经处于锁定状态时
通过环路的控制作
用
使环路重新进入锁定状态
跟踪
又称为锁相式频
率合成技术
它利用锁相技术实现频率的加
除
混频和分频等一系列非线性器件
由压控振荡器间接产生所需要的频率输
出
又分为间接模拟频率合成技
术和间接数字频率合成技术
根据实现倍频的环节所处的位置不同
22 Modern Scientific Instruments 2006 3
图２ 前置分频环节的原理图
图２中压控振荡器的输出信号与基准信号的谐波在鉴相器里进行相位比较
环路就能自动地把振荡频率锁
定在这个谐波频率上
ｆＯ＝Ｎ＊ｆＲ
１
故要求压控振荡器的精度必须在
同时对调谐机构性能要
求也较高
因此这
种方法提供的频道数是有限的
在压控振荡器和鉴相器之间的锁相环
反馈回路上增加一模拟分频器
ｆＯ＝Ｎ＊ｆＲ２
间接模拟频率合成技术因为使用模拟分频器和模拟
鉴相器
体积较大
３．２．２间接数字频率合成技术
间接数字频率合成技术采用数字锁相环来代替间接
模拟合成技术中的模拟锁相环
根据数字分频器分
频效果的不同
１
输出信号频率和参考信号频率之间的
关系为
３
图４ 整数间接数字频率合成技术原理图
改变分频系数Ｎ
就可以产生不同频率的输出信号
整数
频率合成技术的名字由此而来
输出信号之间的最小频率间隔等于参考信号的频
率
为获得较大范围的频率选择和较小的频率间隔
吞除脉冲方式或者多环方式
特别是在超高频工作情况下
如图５所示
［１］
４
吞除脉冲式整数间接数字
频率合成技术的最大特点是频率间隔较小
小数间接数字频率合成技术
小数间接数字频率合成技术是国外７０年代初期在吞除脉冲技术的基础上
小数间接数字频率合成器的输出信
号不必是参考信号频率的整数倍
输出信号和参考信号的关系可以表示为
５
Ｍ
决定了频率合成的精度
现代科学仪器 ２００６ ３ ２３
一个１８位的小数频率合成器支
持
２６２１４４
那么最小频率间隔则为
２０Ｍ／２６２１４４＝７６．２９Ｈｚ
小数频率合成技
术有多种实现方式
整数频率合成技术中
我们需要采用频率低的参考信号和带宽窄的滤波器
放松了对滤波器带宽的限制
参考信号的频率提高一倍
因此
它的相位噪声指标好于整数频率合成技术
但是
这样会延长滤波器的调整时间
由于锁相环
路相当于一窄带跟踪滤波器
抑制杂散分量
此外
而标准频率源具有
高的长期频率稳定度
使其合成信号的长期稳定度和短期稳定度都很
高单环频率合成器的频率间隔不可能做的很小
３．３ 第三代频率合成技术
为了取得更快的频率转换速度
导致了第二次频率合
成技术的飞跃
ＰＬＬ
技术
直接数字频率合成技术是一种新的频率合成方法
Ｃ．Ｍ．Ｒａｄｅｒ 和Ｂ．Ｇｏｌｄ三人于１９７１
年首次提出
ＤＤＦＳ
技术在当时并没有受到足够重视
随着电子工程领域的
实际需要以及数字集成电路和微电子技术的发展
并日益显露出它的优越性
图７ 直接数字频率合成技术原理图
ＤＤＦＳ
是一种全数字化的频率合成技术
由相位累加器
时钟频率ｆｃ给定后
频率分辨率取决于累加器位
数
Ｎ幅
度量化噪声取决于波形存储器的数据位字长和Ｄ／Ａ转换
器的位数
Ｍ
频率
便均可由数字信号精确控制
极高的频率稳定度
变频相位连
续可以合成任意波
形
ＤＤＦＳ
的突出优点使其已经成为雷达
在线性调频
在电
子测量与现代化仪器仪表等领域中也有广阔的应用前
景
其关键的频率合成部分原理如图８
所示
图８ 双路信号发生器的ＤＤＦＳ实现原理图
ＤＤＦＳ的全数字结构在给其带来一系列优点的同
时
输出带宽受限
和输出杂散较大根据采样定理
而在实际应用中则一般不能超过钟频的
１／４
一
是增加钟频
根据ＤＤＦＳ
的原理图可以看出
导致三个主要的杂散源［３］
24 Modern Scientific Instruments 2006 3
三是数模转换的非理想性
一是选用存储量大的存储器和位多性优的
数模转换器
３．３．２ ＤＤＦＳ／ＰＬＬ混合式频率合成技术
由前面对ＰＬＬ和ＤＤＦＳ两种频率合成技术的分析可
知
而ＤＤＦＳ频率合成技术具
有频率分辨率高的优点和输出频率范围窄的缺点
又有很高的频
率分辨率
组成
ＤＤＦＳ／ＰＬＬ
混合式频率合成技术
常用的是直接法和混频法
以ＤＤＦＳ的输出作为参
考源直接驱动
ＰＬＬ
图９ 直接法组合的混合式频率合成技术原理图
输出频率为
６
而是经过混频器插
入ＰＬＬ
环路中
但在直接法中
这样ＤＤＦＳ的杂散分量
经过ＰＬＬ环后就被恶化了Ｎ２
倍
杂散分量并未被
恶化
选择
合理的组合方式
综合了
ＤＤＦＳ和ＰＬＬ两者的优点，改善了缺点，是一种行之有效
的频率合成技术，已经被应用于卫星通信设备中
下转第２８
页
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４ 结 语
频率合成器是电子系统的关键设备
集成小型
化和频率范围的宽带化
目前
以
ＤＤＦＳ和ＤＤＦＳ／ＰＬＬ
为代表的第三代技术
正逐
28 Modern Scientific Instruments 2006 3
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张洪凯
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频率合成技术发展概述
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
迟忠君， 徐云， 常飞， Chi Zhongjun， Xu Yun， Chang Fei清华大学电机系电力系统国家重点实验室,北京,100084现代科学仪器
MODERN SCIENTIFIC INSTRUMENTS2006(3)11次
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