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1、频率合成技术频率合成技术本讲稿第一页，共五十一页3上3下-3上-3下1上1下-2上-2下-1上-1下2上2下上下wfL fm-fm -fL2fs-fL3fs-fm由频移特性本讲稿第二页，共五十一页(a)发送端原理方框图4.3 7.4 kHz8.3 11.4 kHz4 kHz12 kHz8 kHz多路信号输出相乘带通低通话音输入1f1相乘带通低通话音输入2f2相乘带通低通话音输入3f3300 3400 Hz300 3,400 Hz300 3,400 Hz4 kHz8 kHz12 kHz基带语音信号300 3,400 Hz4.3 7.4 kHz8.3 11.4 kHz12.3 15.4 kHzf0
2、3路频分复用电话通信系统原理路频分复用电话通信系统原理本讲稿第三页，共五十一页多路信号输入(b)接收端原理方框图话音输出1话音输出2话音输出3相乘低通带通f1相乘低通带通f1相乘低通带通f14.3 7.4 kHz8.3 11.4 kHz12.3 15.4 kHz3400 Hz3400 Hz3400 Hz8 kHz12 kHz4 kHz本讲稿第四页，共五十一页搬移频率搬移频率4,8,12kz等等频率从何而来？频率从何而来？频率合成器本讲稿第五页，共五十一页频率合成技术频率合成技术一频率合成技术发展历史及概论二直接频率合成技术（DS）三锁相式(间接)频率合成技术(PLL,IS)四直接数字频率合成技
3、术（DDS）五频率合成实际应用举例六对频率合成器件发展的意见本讲稿第六页，共五十一页一频率合成技术发展历史及概论一频率合成技术发展历史及概论 频率合成理论自20 世纪世纪30 30 年代提出，发展至今，年代提出，发展至今，频率合成器已经是电子系统的心脏频率合成器已经是电子系统的心脏,是决定电子系统性能是决定电子系统性能的关键设备的关键设备,随着通信、数字电视、卫星定位、航空航天、雷达和电子对抗等技术的发展,对频率合成器提出了越来越高的要求。频率合成技术是将一个或多个高稳定、高精确度的频率合成技术是将一个或多个高稳定、高精确度的标准频率经过一定变换标准频率经过一定变换,产生同样高稳定度和精确度的
4、大产生同样高稳定度和精确度的大量离散频率的技术。量离散频率的技术。本讲稿第七页，共五十一页二直接频率合成技术（二直接频率合成技术（DS）早期的频率合成器是利用混频器、分频器、倍频器、带通滤波器完成对标准参考频率（晶体振荡源）的四则运算，产生所需的离散频率。优点是频率转换时间短（小于100ns）,并能产生任意小的频率增量，但是设备笨重，功耗大，不能实现单片集成,而且输出端的谐波、噪声及寄生频率难以抑制。本讲稿第八页，共五十一页从傅氏变换理解直接频率合成从傅氏变换理解直接频率合成-傅氏变换的性质本讲稿第九页，共五十一页三锁相式三锁相式(间接间接)频率合成技术频率合成技术(PLL,IS)锁相环合成法
5、是利用锁相环将频率锁定的性，获得与基频成一定倍数的所需频率。该方法结构简单、便于集成该方法结构简单、便于集成,由于有很好的窄带滤波由于有很好的窄带滤波特性使频谱纯度高。但存在高分辨率和快转换速度之间特性使频谱纯度高。但存在高分辨率和快转换速度之间的矛盾。（当一个输出频率转换为另一个输出频率时的矛盾。（当一个输出频率转换为另一个输出频率时,由于由于环路的捕捉时间加长环路的捕捉时间加长,导致频率转换时间加大导致频率转换时间加大.）本讲稿第十页，共五十一页 锁相式频率合成器可分为整数频率合成器和分数频率合成器。在压控振荡器与鉴相器之间的锁相环反馈回路上增加整数N 分频器,就形成了一个整数频率合成器。
6、锁相式整数频率合成器原理框图本讲稿第十一页，共五十一页模拟乘法器作为鉴相器模拟乘法器作为鉴相器本讲稿第十二页，共五十一页本讲稿第十三页，共五十一页本讲稿第十四页，共五十一页本讲稿第十五页，共五十一页环路滤波器环路滤波器本讲稿第十六页，共五十一页本讲稿第十七页，共五十一页本讲稿第十八页，共五十一页本讲稿第十九页，共五十一页本讲稿第二十页，共五十一页鉴相器PD环路滤波器LPF压控振荡源VCON分频器锁相环频率合成器框图锁相环频率合成器框图本讲稿第二十一页，共五十一页本讲稿第二十二页，共五十一页本讲稿第二十三页，共五十一页本讲稿第二十四页，共五十一页四直接数字频率合成技术四直接数字频率合成技术（DD
7、S）直接数字频率合成采用全数字方式实现频率合成(DDS),它直接对参考正弦时钟进行抽样和数字化,然后通过数字计算技术进行频率合成。本讲稿第二十五页，共五十一页 DDS 技术是美国学者J.Tierncy 等在1971 年首次提出的。这是一种全数字技术,该技术从相位概念出发直接合成所需要的波形。它将先进的数字信号处理理论与方法引入信号合成领域,实现了合成信号的频率转换速度与频率准确度之间的统一。本讲稿第二十六页，共五十一页 DDS 的工作原理是基于相位与幅度的对应关系,通过改变频率控制字(K)来改变相位累加器(位数为N)的相位累加速度,然后在固定时钟的控制下取样,取样得到的相位值(取相位累加器的高
8、M 位)通过相位幅度转换得到相位值对应的幅度序列,幅度序列通过数模转换及低通滤波得到正弦波输出。本讲稿第二十七页，共五十一页DDS结构框图结构框图 相位累加器在每一个时钟上升沿以频率控制字K 累加一次，当累加器计数大于2 N N 时，时，相位累加器作一次模余运算。正弦查找表正弦查找表ROM 在每一个时钟周期内,根据送给ROM ROM 的地址取出ROM 中已存储的与该地址对应的正弦幅值并将中已存储的与该地址对应的正弦幅值并将该值送该值送DAC DAC。DAC 输出的阶梯波信号经L PF 滤波后得到一个正弦滤波后得到一个正弦信号信号。输出频率f f o 与时钟频率与时钟频率f c c 之间满足关系
9、式:f:f o=o=(K/2 N)f N)f c。本讲稿第二十八页，共五十一页 DDS 具有频率转换速度快、频率分辨率具有频率转换速度快、频率分辨率高（高（频率分辨率f=F ref/2N）、输出相位连、输出相位连续、可编程、全数字化易于集成、体积小、功续、可编程、全数字化易于集成、体积小、功耗低等优点。耗低等优点。本讲稿第二十九页，共五十一页DDS 的主要应用领域的主要应用领域()DDS 在跳频电台中的应用在现代通信,特别是战场通信环境下,由于存在各种干扰,要求通信系统具有很强的抗干扰、抗窃听、抗侦察、保密等功能,为此,跳频通信成为主要的通信手段。为了抵抗跟踪式干扰和转发式干扰,对跳频系统的跳
10、速提出了更高的要求。直接频率合成技术虽然可以满足跳速快的要求。本讲稿第三十页，共五十一页()DDS 在雷达系统中的应用雷达系统中采用DDS 技术可以灵活地产生不同载波频率、不同脉冲宽度以及不同脉冲重复频率等参数构成的信号,为雷达系统的设计者提供了全新的思路。本讲稿第三十一页，共五十一页(4)DDS 在数字通信中的应用由于DDS 采用数字结构,可以灵活地实现频移键控、相移键控和幅度调制等功能,使其在数字通信中得到广泛应用。本讲稿第三十二页，共五十一页(5)DDS 应用于任意波形发生器任意波形发生器是一种实时模仿的高精密信号发生器,是各种模拟分析研究的良好工具,其中最关键的核心部件即采用了DDS
11、技术。在其波形存储器中不仅存入了正弦波形,还存入了方波、三角波、锯齿波等大量非正弦波形数据,因此它可以根据需要产生各种信号。本讲稿第三十三页，共五十一页本讲稿第三十四页，共五十一页本讲稿第三十五页，共五十一页设正弦波的样点值用D 位二进制码表示,则信号功率与量化噪声总功率之比近似为R(S/N)6.02 D+1.76 dB为量化位数本讲稿第三十六页，共五十一页频率合成器在固态调频发射机中的应用频率合成器在固态调频发射机中的应用由晶体振荡器所产生的1MHz 基准频率,通过分频比为1/160的固定分频后产生6125 kHz 的基准频率f i,同时压控振荡器输出的信号经过前置分频器、(分频比均为1/4
12、)和可编程分频器(分频比为1/N)分频后产生信号f n,将信号f n 和基准频率信号f i同时送至鉴相器进行比较,由鉴相器输出一个自动相位控制电压,经环路滤波器滤去高频分量后,去锁定压控振荡器的频率。本讲稿第三十七页，共五十一页固态调频发射机锁相环频率合成器方框图本讲稿第三十八页，共五十一页可编程分频器的分频比为1/8701/1080,其分频比1/N 可由频率预置电路来选定,该频率合成器的频率间隔为M fi=4 4 6125 kHz=100 kHz这也就是这也就是调频广播频道间隔调频广播频道间隔,从从87MHz 开始开始,每隔每隔100 kHz,一直到一直到108MHz,共选择共选择210 个
13、调频频道频率个调频频道频率。本讲稿第三十九页，共五十一页DDS 核心原理图核心原理图本讲稿第四十页，共五十一页用硬件描述语言VHDL设计中DDS 的核心部分.所采用的集成开发环境为Altera 公司的MAX+plus II 软件.源程序如下:lib rary ieee;u se ieee.std logic 1164.all;u se ieee.std logic arith.all;en t ity dds tex t isgeneric(w idth:in teger:=8);(m:instd logic vecto r(w idth-1 dow n to 0);sin,acc:ou ts
14、td logic vecto r(7 dow n to 0);clk:in std logic);end dds tex t;arch itectu re dds gen of dds tex t issignal s,acc8:std logic vecto r(w idth-1 dow n to 0);signalm sb s:std logic vecto r(7 dow n to 0);beginadd1:lpm add subgeneric m ap(lpm w idth=w idth,lpm rep resen tat ion=signed,lpm direct ion=add,l
15、pm p ipeline=0)po rt m ap(dataa=m,本讲稿第四十一页，共五十一页datab=acc8,resu lt=s);reg1:lpm ffgeneric m ap(lpm w idth=w idth)po rt m ap(data=s,q=acc8,clock=clk);select1:p rocess(acc8)variab le i:in teger;beginfo r i in 7 dow n to 0 loopm sb s(i)=acc8(i);end loop;end p rocess select1;acc 8,lpm w idthad=8,lpm f il
16、e=sine.m if)po rt m ap(address=m sb s,inclock=clk,ou tclock=clk,q=sin);end dds gen;本讲稿第四十二页，共五十一页本讲稿第四十三页，共五十一页本讲稿第四十四页，共五十一页数字电路实现分频数字电路实现分频本讲稿第四十五页，共五十一页工作原理：工作原理：4个个JK触发器都接成触发器都接成T触发器触发器每来一个每来一个每来一个每来一个CPCP的下降沿时，的下降沿时，的下降沿时，的下降沿时，FF0FF0向相反的状态翻转一次；向相反的状态翻转一次；向相反的状态翻转一次；向相反的状态翻转一次；每当每当每当每当QQ0 0由由由由
17、1 1变变变变0 0，FF1FF1向相反的状态翻转一次；向相反的状态翻转一次；向相反的状态翻转一次；向相反的状态翻转一次；每当每当每当每当QQ1 1由由由由1 1变变变变0 0，FF2FF2向相反的状态翻转一次；向相反的状态翻转一次；向相反的状态翻转一次；向相反的状态翻转一次；每当每当每当每当Q2Q2由由由由1 1变变变变0 0，FF3FF3向相反的状态翻转一次。向相反的状态翻转一次。向相反的状态翻转一次。向相反的状态翻转一次。本讲稿第四十六页，共五十一页n n华润:锁相环频率合成器CSC I 145151与美国摩托罗拉公司的MC 145151 n n中电科技集团公司24 所自主开发的SB32
18、36 锁相式频率合成器性能与美国Peregrine 公司同类产品PE3236 一致 本讲稿第四十七页，共五十一页n nSB3236 是国内第一个单片高性能锁相式频率合成器产品,片内采用自主开发的RF IP核,是我国212 GHz 以上硅基高频集成电路重大技术突破。目前,国内还没有单片双环或者多环锁相式频率合成器,DDS 频率合成器更是处于空白阶段。本讲稿第四十八页，共五十一页六.发展建议 高性能频率合成器广泛用于移动通信、无线局域网、无绳电话、手机、数字电视、卫星定位等系统。频率合成器不但市场巨大,而且在整机系统中而且在整机系统中,作用重大,直接关系到系统安全。频率合成器在通信中为系统提供需要
19、的频率源,频率源的性能指标直接关系到整频率源的性能指标直接关系到整个系统的性能个系统的性能:如通信中的误码率、通信的抗干扰和精度、卫星定位精度的能力。正因为高性能频率合成器在整机系统上的广泛应用和其重要性,国外在高国外在高性能频率合成器的核心芯片上一直由大公司垄断性能频率合成器的核心芯片上一直由大公司垄断,影响了我国通信产业的发展。本讲稿第四十九页，共五十一页 在对锁相原理的数学理论描述方面，则可追溯到在对锁相原理的数学理论描述方面，则可追溯到20世纪世纪3030年代。在已经建立的同步控制理论基础上，年代。在已经建立的同步控制理论基础上，年代。在已经建立的同步控制理论基础上，年代。在已经建立的
20、同步控制理论基础上，19321932年，年，年，年，Bellescize提出了同步检波理论，第一次公开发表了对锁相提出了同步检波理论，第一次公开发表了对锁相提出了同步检波理论，第一次公开发表了对锁相提出了同步检波理论，第一次公开发表了对锁相环路环路环路环路(PLL)的数学描述。众所周知，同步检波的关键技术是的数学描述。众所周知，同步检波的关键技术是的数学描述。众所周知，同步检波的关键技术是的数学描述。众所周知，同步检波的关键技术是要产生一个本振信号，该信号要与从接收端送到检波器的输要产生一个本振信号，该信号要与从接收端送到检波器的输要产生一个本振信号，该信号要与从接收端送到检波器的输要产生一个
21、本振信号，该信号要与从接收端送到检波器的输入载波信号频率相同，否则检波器的输出信号会产生很大的入载波信号频率相同，否则检波器的输出信号会产生很大的入载波信号频率相同，否则检波器的输出信号会产生很大的入载波信号频率相同，否则检波器的输出信号会产生很大的误差，即接收端无法恢复出发送端所发送的信号。而一般的误差，即接收端无法恢复出发送端所发送的信号。而一般的误差，即接收端无法恢复出发送端所发送的信号。而一般的误差，即接收端无法恢复出发送端所发送的信号。而一般的自动频率控制技术中，由于存在固有的频率误差而无法满足自动频率控制技术中，由于存在固有的频率误差而无法满足自动频率控制技术中，由于存在固有的频率
22、误差而无法满足自动频率控制技术中，由于存在固有的频率误差而无法满足上述要求。由于要保持两个振荡信号频率相等，则必然要使上述要求。由于要保持两个振荡信号频率相等，则必然要使上述要求。由于要保持两个振荡信号频率相等，则必然要使上述要求。由于要保持两个振荡信号频率相等，则必然要使这两个信号的相位差保持恒定，反之亦然。这种现象称之为这两个信号的相位差保持恒定，反之亦然。这种现象称之为这两个信号的相位差保持恒定，反之亦然。这种现象称之为这两个信号的相位差保持恒定，反之亦然。这种现象称之为频率同步或相位锁定。这也是锁相技术最基本的概念，也是频率同步或相位锁定。这也是锁相技术最基本的概念，也是频率同步或相位锁定。这也是锁相技术最基本的概念，也是频率同步或相位锁定。这也是锁相技术最基本的概念，也是锁相锁相锁相锁相本讲稿第五十页，共五十一页n谢谢观赏本讲稿第五十一页，共五十一页