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1、笫笫8章章 频率合成技术频率合成技术8.1概概 述述频率合成的基本方法频率合成的基本方法主要技术指标主要技术指标相位噪声相位噪声8.2干脆频率合成法干脆频率合成法8.3锁相频率合成法锁相频率合成法锁相频率合成器的基本构成锁相频率合成器的基本构成锁相频率合成器方案设计中的一些考虑锁相频率合成器方案设计中的一些考虑锁相频率合成器的实际构成方案锁相频率合成器的实际构成方案8.4 集成频率合成器芯片举例集成频率合成器芯片举例8.5 干脆数字式频率合成干脆数字式频率合成18.1 频率合成器概频率合成器概 述述o为了实现高质量的无线电通信，削减各种外界因素对为了实现高质量的无线电通信，削减各种外界因素对传
2、输信号的干扰，近代通信系统往往要求通信机具有传输信号的干扰，近代通信系统往往要求通信机具有大量的、可供用户选择和快速更换的载频振荡信号。大量的、可供用户选择和快速更换的载频振荡信号。p 频率合成器能够实现上述要求。频率合成器能够实现上述要求。l例如移动通信：要求在例如移动通信：要求在150、400、900、1800MHz频率旁边供应上百个频率点频率旁边供应上百个频率点l要求这些频率点的载波振荡频率稳定度与精度，要求这些频率点的载波振荡频率稳定度与精度，都应满足系统的性能要求，并能快速变换。都应满足系统的性能要求，并能快速变换。p 晶体振荡器无法满足上述要求晶体振荡器无法满足上述要求p 频率合成
3、器是一种能够产生大量与基准参考频率源频率合成器是一种能够产生大量与基准参考频率源具有同样高精度和稳定度的离散频率信号的部件。具有同样高精度和稳定度的离散频率信号的部件。2频率合成的方法频率合成的方法p 频率合成（频率综合）是指以一个或数个参考频率源为频率合成（频率综合）是指以一个或数个参考频率源为基准，在某一频段内，通过确定的变换与处理后综合产生基准，在某一频段内，通过确定的变换与处理后综合产生并输出多个工作频率点的过程。并输出多个工作频率点的过程。p 制作高质量频率源成为军用（电子对抗）、民用（通信、制作高质量频率源成为军用（电子对抗）、民用（通信、广播广播 电视、仪器等）研制工作的一项关键
4、课题电视、仪器等）研制工作的一项关键课题 n这些离散频率的频率稳定度和精度均与基准频率相同。这些离散频率的频率稳定度和精度均与基准频率相同。n 这些离散频率能在很短时间内，由某一频率变换到另这些离散频率能在很短时间内，由某一频率变换到另一频率一频率pp 频率合成的基本方法主要有三类：频率合成的基本方法主要有三类：频率合成的基本方法主要有三类：频率合成的基本方法主要有三类：pp 干脆式频率合成干脆式频率合成干脆式频率合成干脆式频率合成pp锁相频率合成（亦称间接式频率合成）锁相频率合成（亦称间接式频率合成）锁相频率合成（亦称间接式频率合成）锁相频率合成（亦称间接式频率合成）pp干脆数字式频率合成干
5、脆数字式频率合成干脆数字式频率合成干脆数字式频率合成3频率合成器的主要技术指标频率合成器的主要技术指标（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。又称辨别力。应符合通信机要求的信道间隔。又称辨别力。应符合通信机要求的信道间隔。（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
6、作频率并使后者达到稳定工作所需的时间。工作所需的时间。工作频率范围；频率间隔；频率转换时间；工作频率范围；频率间隔；频率转换时间；频率稳定度与精确度；频谱纯度。频率稳定度与精确度；频谱纯度。4频率合成器的主要技术指标（续）频率合成器的主要技术指标（续）（4）频率稳定度与精确度）频率稳定度与精确度n 频率稳定度是指在规定观测时间内，合成器输出频率偏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离标 称值的程度。称值的程度。n 精确度则表示实际工作频率与其标称值之间的偏差精确度则表示实际工作频率与其标称值之间的偏差.（5）频谱纯度）频谱纯度输出信号接近正弦波的程度。可以用输出端的有用信号输出
7、信号接近正弦波的程度。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。电平与各寄生频率总电平之比的分贝数表示。p 各寄生信号频率成分：各寄生信号频率成分：n 有用信号的各次谐波成分；有用信号的各次谐波成分；n 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）；n 干扰引起的随机相移（相位噪声）干扰引起的随机相移（相位噪声）。5输出信号频率及各种干扰成分输出信号频率及各种干扰成分6频谱纯度对通信系统的影响频谱纯度对通信系统的影响p频率合成器输出信号频谱不纯，对接收机和放射机都频率合成器输出信号频谱不纯，对接收机和放射机都会产生不良影响会产生不良
8、影响p频谱不纯的放射信号将对邻道信号产生干扰频谱不纯的放射信号将对邻道信号产生干扰p接收机的混频器可将本振噪声转移到中频段，将降低接收机的混频器可将本振噪声转移到中频段，将降低中频信号的信噪比中频信号的信噪比p本振噪声会干扰数字通信本振噪声会干扰数字通信p载波信号中的相位噪声和本振中的相位噪声干脆影响载波信号中的相位噪声和本振中的相位噪声干脆影响数字相位调制系统的误码率数字相位调制系统的误码率p相位噪声和杂散是频率合成器（振荡器）最重要的性相位噪声和杂散是频率合成器（振荡器）最重要的性能指标之一能指标之一7相位噪声相位噪声pp 相位噪声相位噪声频率稳定度在频域中的表征。频率稳定度在频域中的表征
9、。一般用偏离载频一般用偏离载频f处单边相位噪声功率谱密度与信号总功率之比来表示，处单边相位噪声功率谱密度与信号总功率之比来表示，单位单位dBc/Hz，例如，例如测得某频率合成器的输出信测得某频率合成器的输出信号功率为号功率为5dBm，在偏离该信号，在偏离该信号1MHz处在处在1KHz带宽内的噪声功带宽内的噪声功率为率为80dBm，那么单位频带内的相对单边相位噪声功率为，那么单位频带内的相对单边相位噪声功率为 这里这里30dB由由 得出。得出。pp 产生缘由：由于相邻信号的干扰，和振荡器存在有源产生缘由：由于相邻信号的干扰，和振荡器存在有源产生缘由：由于相邻信号的干扰，和振荡器存在有源产生缘由：
10、由于相邻信号的干扰，和振荡器存在有源器件、电阻等噪声，这些噪声通过振荡器这个非线性系器件、电阻等噪声，这些噪声通过振荡器这个非线性系器件、电阻等噪声，这些噪声通过振荡器这个非线性系器件、电阻等噪声，这些噪声通过振荡器这个非线性系统时，对它的输出信号幅度和相位都可能进行调制，使统时，对它的输出信号幅度和相位都可能进行调制，使统时，对它的输出信号幅度和相位都可能进行调制，使统时，对它的输出信号幅度和相位都可能进行调制，使得实际振荡器的输出信号是调幅调相波。得实际振荡器的输出信号是调幅调相波。得实际振荡器的输出信号是调幅调相波。得实际振荡器的输出信号是调幅调相波。8相位噪声相位噪声在振荡器输出信号中
11、的表示在振荡器输出信号中的表示p第一项为载波电压第一项为载波电压VomcosVomcos ct,ct,其次项为载波信号其次项为载波信号VomsinVomsin ctct受到相位噪声受到相位噪声n(t)n(t)调制的双边带信号。振荡调制的双边带信号。振荡器输出信号的频谱是一根载波频谱和被搬移到载波两边的器输出信号的频谱是一根载波频谱和被搬移到载波两边的相位噪声频谱的叠加。相位噪声频谱的叠加。p 由于振荡器具有正反馈的自限幅作用，抑制了振幅由于振荡器具有正反馈的自限幅作用，抑制了振幅噪声，只需考虑相位噪声的影响。而且对于一个能运噪声，只需考虑相位噪声的影响。而且对于一个能运用的振荡器来说，通常相位
12、噪声也是较小的。用的振荡器来说，通常相位噪声也是较小的。9用频谱仪测相位噪声用频谱仪测相位噪声该信号中心信号中心频率率为836.49MHzSPAN为5KHz辨辨别率率带宽RBW为100Hz输出功率参考出功率参考为0dBm每格衰减每格衰减为10dB在偏离中心在偏离中心频率率1KHz（即（即2格）格）处可可读得相位噪声功率相得相位噪声功率相对于信号功率于信号功率为55dBc/100Hz相位噪声相位噪声10相位噪声的特点相位噪声的特点 l 距离中心频率越远，其值越小。距离中心频率越远，其值越小。l 噪声频谱与振荡回路有载噪声频谱与振荡回路有载Q值有关，值有关，Q值越大，曲值越大，曲 线线 越尖锐，相
13、位噪声衰减得越快。越尖锐，相位噪声衰减得越快。提高振荡回路的提高振荡回路的Q值是减小相噪的关键。值是减小相噪的关键。相位噪声的特点：相位噪声的特点：118.2 干脆频率合成法干脆频率合成法p 接受对频率具有加减乘除四则运算功能的混频器、倍频p器、分频器和具有选频功能的滤波器的不同组合来实现频率合成的方法，一般称为干脆频率合成法。p 主要缺点：有较多的非线性电路，可能产生寄生干扰，使主要缺点：有较多的非线性电路，可能产生寄生干扰，使输出信号频谱纯度降低。接入了大量的、滤波性能要求较高输出信号频谱纯度降低。接入了大量的、滤波性能要求较高的频带滤波器，从而使设备体积浩大，造价也特别昂贵。的频带滤波器
14、，从而使设备体积浩大，造价也特别昂贵。倍频倍频器器分频分频器器混频器混频器p 频率间隔频率间隔(M可变）为：可变）为：p 离散频率数由倍频器的可变倍频次数M确定。滤波波器器滤波波器器滤波波器器12干脆频率合成（续）干脆频率合成（续）举例举例 1：已知基准频率：已知基准频率=1MHz。要求输出频率：要求输出频率：21.6MHz分频分频分频分频分频分频混频混频混频混频倍频倍频带通带通滤波滤波带通带通滤波滤波谐波发生器谐波发生器晶振晶振缺点：缺点：n 频率范围有限；频率范围有限；n 离散频率数不能太多；离散频率数不能太多；n 输出信号中的寄生频率成输出信号中的寄生频率成分和相位噪声显著加大；分和相位
15、噪声显著加大；n 设备变得浩大。设备变得浩大。138.3 锁相频率合成法锁相频率合成法o锁相频率合成器，由基准频率产生器和锁相环路两部分锁相频率合成器，由基准频率产生器和锁相环路两部分组成。组成。o基准频率产生器为合成电路供应一个或几个高稳准的参基准频率产生器为合成电路供应一个或几个高稳准的参考频率考频率o锁相环路利用其良好的窄带跟踪特性，使频率精确地锁锁相环路利用其良好的窄带跟踪特性，使频率精确地锁定在参考频率上，并使被锁定的频率具有与参考频率一定在参考频率上，并使被锁定的频率具有与参考频率一样的频率稳定度和较高的频谱纯度样的频率稳定度和较高的频谱纯度o锁相频率合成器的性能，取决于这两部分的
16、性能，尤其锁相频率合成器的性能，取决于这两部分的性能，尤其是环路的跟踪特性、滤波特性和噪声特性。是环路的跟踪特性、滤波特性和噪声特性。p 主要优点：系统结构简洁；输出频率成分的频谱纯度主要优点：系统结构简洁；输出频率成分的频谱纯度高；易于得到大量的离散频率；易于集成化。高；易于得到大量的离散频率；易于集成化。p 主要缺点：频率转换时间长；单环频率合成器的频主要缺点：频率转换时间长；单环频率合成器的频率间隔不能做得很小。率间隔不能做得很小。14数字锁相频率合成器原理数字锁相频率合成器原理VCOLFPD程序分频器程序分频器频道选择频道选择p 数字锁相频率合成器基本原理数字锁相频率合成器基本原理n
17、n 是参考频率，由晶体振荡器振荡频率分频得到。是参考频率，由晶体振荡器振荡频率分频得到。n 当环路锁定时，鉴相器两输入信号的频率相等。当环路锁定时，鉴相器两输入信号的频率相等。n 变更变更N即可获得不同的输出频率。即可获得不同的输出频率。1215数字锁相频率合成器原理（续数字锁相频率合成器原理（续1）p 当当 =100kHz，分频比，分频比N在在31316范围内变更时，输出范围内变更时，输出频率范围将为频率范围将为3.131.6MHz，频率间隔为，频率间隔为100KHz。p 当当 =100Hz，分频比，分频比N=3000039999时，时，输出频率将为输出频率将为33.9999MHz，频率间隔
18、为，频率间隔为100Hz。例如，上图中频率合成器输出频率为：例如，上图中频率合成器输出频率为：p 结论：（结论：（1）辨别力等于）辨别力等于p （2）分频比）分频比N范围确定时，频率间隔越大范围确定时，频率间隔越大（分（分p 辨力越低），频率合成器工作范围越宽。辨力越低），频率合成器工作范围越宽。p 辨别力与工作范围冲突。辨别力与工作范围冲突。16参考频率参考频率 对环路性能的影响对环路性能的影响-探讨探讨1 p 参考频率参考频率 对环路性能的影响对环路性能的影响n 输出频率的辨别力，等于输入鉴相器的参考频率。输出频率的辨别力，等于输入鉴相器的参考频率。越小，越小，输出信号的频率辨别力将越高。
19、输出信号的频率辨别力将越高。n 小环路小环路频率转换时间频率转换时间 大大，n 因此减小因此减小 与减小与减小 及抑制及抑制VCO噪声往往成了对噪声往往成了对频率合成器提出的相互冲突的要求。频率合成器提出的相互冲突的要求。n 对于输出频率较高，当 很小时，分频比N的变更将很大，此时环路途性化传递函数也变更很大，如N11000，开环增益有60dB变更，影响环路的动态工作性能。n n 小小小小，环路带宽窄，对抑制，环路带宽窄，对抑制VCO噪声不利。（为了抑噪声不利。（为了抑制制 及其谐波，环路带宽应小于及其谐波，环路带宽应小于 ）17可编程分频器最高工作频率低的影响探讨可编程分频器最高工作频率低的
20、影响探讨2n分频比固定的分频器，工作频率较高，有工作在分频比固定的分频器，工作频率较高，有工作在500MHz、800MHz甚至千兆赫的集成器件可供选用。甚至千兆赫的集成器件可供选用。n 可编程分频器的工作频率则要低很多，可编程分频器的工作频率则要低很多，TTL部件构成的部件构成的可编程分频器，上限频率约为几十可编程分频器，上限频率约为几十MHz，CMOS部件构成部件构成的可编程分频器，上限频率则更低。的可编程分频器，上限频率则更低。n而大多数通信系统的工作频率则要上百、上千而大多数通信系统的工作频率则要上百、上千MHz。其分频比的数目，确定了合成器输出信道的数目。程序分频器的输入频率，也是合成
21、器的输出频率。程序分频器的输入频率，也是合成器的输出频率。n 基本锁相频率合成器存在合成器要求的输出频率与可基本锁相频率合成器存在合成器要求的输出频率与可编程分频器的最高工作频率之间的冲突。编程分频器的最高工作频率之间的冲突。n可可编程分程分频器是数字器是数字锁相相频率合成器的重要部件。率合成器的重要部件。如何解决？如何解决？18在程序分频器前加前置分频器在程序分频器前加前置分频器方案方案方案方案1 1 含前置分频器的锁相频率合成器含前置分频器的锁相频率合成器提高频率合成器输出频率提高频率合成器输出频率p 在主分频器前，接入在主分频器前，接入分频比恒定分频比恒定的前置分频器，以降低的前置分频器
22、，以降低主分频器主分频器（可编程分频）（可编程分频）的工作频率。的工作频率。鉴相鉴相VCO低通低通主分频器主分频器 前置分频器前置分频器参考分频器参考分频器晶振晶振n当变更当变更N时，输出频率将为以时，输出频率将为以 为间隔的离散频率系列。为间隔的离散频率系列。n可见可见本方案是以加大频率间隔为代价，换取合成器工作本方案是以加大频率间隔为代价，换取合成器工作在较高的频段。在较高的频段。19 接受吞脉冲可变分频器接受吞脉冲可变分频器方案方案2（2）接受吞脉冲可变分频器的锁相频率合成器）接受吞脉冲可变分频器的锁相频率合成器1、吞脉冲可变分频器组成框图、吞脉冲可变分频器组成框图N大于大于A频道选择频
23、道选择主计数器主计数器模式限制模式限制协助计数协助计数器器 双模前置双模前置分频器分频器“1”-计计数数“0”-停停止止“1”-“0”-去鉴相器去鉴相器来自来自VCO分频器输分频器输出频率出频率分频器的分频器的输入频率输入频率20吞脉冲可变分频器工作过程吞脉冲可变分频器工作过程p 模式限制电路为高电平常，双模分频器的分频比为 p 模式限制电路为低电平常，双模分频器的分频比为 。p N（主计数器）A（协助计数器吞脉冲计数器）。p 工作过程：工作过程：p双模分频器受模式限制电路限制，当模式限制电路输双模分频器受模式限制电路限制，当模式限制电路输出为高电平常，则分频比为（出为高电平常，则分频比为（P
24、+1),此时每输入（此时每输入（P1）个脉冲，双模分频器就输出一个脉冲。）个脉冲，双模分频器就输出一个脉冲。p 主计数器预置为主计数器预置为N，吞脉冲计数器预置为，吞脉冲计数器预置为A。在双模。在双模分频器输出脉冲同时加到两计数器上作为分频器输出脉冲同时加到两计数器上作为CP时两计数时两计数器同时计数（减法）。器同时计数（减法）。21吞脉冲可变分频器的分频比吞脉冲可变分频器的分频比在一个计数周期内，总计脉冲量为：在一个计数周期内，总计脉冲量为：l接着输入脉冲，协助计算器停止工作，主分频器接着从接着输入脉冲，协助计算器停止工作，主分频器接着从（NA）作减法计数，直到再输入（）作减法计数，直到再输
25、入（NA）P个个VCO脉冲脉冲后，主计数器计到零，此时主计数器输出一个脉冲去鉴相器，后，主计数器计到零，此时主计数器输出一个脉冲去鉴相器，而模式限制电路重新复原高电平，双模分频器复原而模式限制电路重新复原高电平，双模分频器复原（P+1）分频比，各部件进入其次个计数周期。）分频比，各部件进入其次个计数周期。l双模分双模分频器器输出出A个脉冲，即个脉冲，即输入（入（P1）A个脉冲个脉冲时，协助助计数器减到零，使模式限制数器减到零，使模式限制电路路输出出电平降平降为低低电平，双模分平，双模分频器分器分频比比变为P。22吞脉冲吞脉冲频率合成器的输出频率频率合成器的输出频率p 由于每个工作周期才输出一个
26、脉冲给鉴相器，由于每个工作周期才输出一个脉冲给鉴相器，n即为吞脉即为吞脉冲分频器的分频比，冲分频器的分频比，于是于是p 接受吞脉冲分频器构成频率合成器时，其最小频率间隔可以做到等于 ，而输出频率 则为：p 频率辨别力仍为频率辨别力仍为 ，环路频率转换时间没有变更。这，环路频率转换时间没有变更。这是因为上式中有和项（是因为上式中有和项（A为分频比的个位）为分频比的个位）。吞脉冲频率合成器达到了两个目的：一是只有双模分频器工作吞脉冲频率合成器达到了两个目的：一是只有双模分频器工作在高速，可编程计数器工作速度比之低在高速，可编程计数器工作速度比之低P倍。二是倍。二是VCO输出频输出频率提高了，但频率
27、辨别力不变。率提高了，但频率辨别力不变。23吞脉冲锁相频率合成器组成框图吞脉冲锁相频率合成器组成框图鉴相鉴相VCO低通低通晶振晶振双模前置双模前置分频器分频器主计数器主计数器协助计数协助计数器器 模式限制模式限制参考分频器参考分频器频道选择频道选择频道选择频道选择返回24多环频率合成器多环频率合成器方案方案方案方案3 3 解决单环频率间隔受限解决单环频率间隔受限解决单环频率间隔受限解决单环频率间隔受限PD1LF1VCO1可变N1100（-）PD3LF3VCO3PD2LF2VCO2可变N2频率间隔为频率间隔为fi/10025多环频率合成器分析方法多环频率合成器分析方法p输出频率：输出频率：p1、
28、先依据环路锁定时输入至鉴相器的两个信号的频率、先依据环路锁定时输入至鉴相器的两个信号的频率相等的特点，列出每个相等的特点，列出每个VCO的输出频率的表示式的输出频率的表示式p2、依据框图的连接关系，将各未知量代入。、依据框图的连接关系，将各未知量代入。p频率辨别力：频率辨别力：p辨别力即为两个频率之间的最小间隔，因此只需找出辨别力即为两个频率之间的最小间隔，因此只需找出输输p出频率表示式中可变分频器分频比逐出频率表示式中可变分频器分频比逐1变更引起的最小变更引起的最小频频p率增量，便是该频率合成器的频率辨别力。率增量，便是该频率合成器的频率辨别力。268.4好用频率合成器芯片好用频率合成器芯片
29、-并行码输入并行码输入编程编程27鉴频鉴相器波形鉴频鉴相器波形o145152鉴频鉴相器波形鉴频鉴相器波形n哪个哪个频率高或相率高或相位超前，相位超前，相应的的鉴相器相器输出端就出端就输出出负脉冲，脉冲，为低低电平，另一端平，另一端则为高高电平。平。n锁定定时鉴相器两相器两个个输出端均出端均为高高电平。平。锁定指示定指示也也为高高电平。平。28接受接受MC145152的频率合成器电的频率合成器电路路29三线限制的频率合成器芯片（三线限制的频率合成器芯片（SPI接口）接口）西门子西门子手机芯片手机芯片PMB2307RPMB2307R双模分频器出双模分频器出30PMB2307PMB2307频率合成器
30、电路频率合成器电路VCO双模分频器双模分频器单片机限制单片机限制31举例举例1 1：举例举例1：若含吞脉冲分频器的锁相频率合成器，其双模分频器的若含吞脉冲分频器的锁相频率合成器，其双模分频器的分频数为分频数为41/40，主计数器的，主计数器的N=31023，协助计数器，协助计数器的的A=3127，已知参考频率，已知参考频率 ，要使输出频率，要使输出频率 ，两计数器，两计数器N和和A应预置于何值？应预置于何值？该频率合成器的工作范围是多少？该频率合成器的工作范围是多少？32举例举例 可得出合成器环路分频器的分频数应为：可得出合成器环路分频器的分频数应为：27310=40N+A频率点数：频率点数：
31、4万多。万多。解解：由由先忽视先忽视A，求得：，求得：N=27310/40=682.75，取，取N=682则余数则余数A值为：值为：A=27310-40682=30或或即当即当 =5kHz时，将时，将N、A两计数器分别置于两计数器分别置于N=682和和A=30，即可使输出频率，即可使输出频率=136.550MHz。范围：范围：N=31023,A=312733 举例举例利用试验室现有器材，设计一个满足以下性能要求的用于利用试验室现有器材，设计一个满足以下性能要求的用于某移动通信设备的锁相频率合成器，试画出框图。某移动通信设备的锁相频率合成器，试画出框图。1 1、性能要求：、性能要求：n 工作频率
32、范围工作频率范围880.4924.4（MHz）n 信道信道间间隔隔100KHz 100KHz n 频率稳定度频率稳定度110110-5-5 2 2、试验室现有器材清单：、试验室现有器材清单：n VCO，频率调谐范围频率调谐范围200200240240（MHzMHz）n 鉴频鉴频/鉴相器，最高工作频率鉴相器，最高工作频率MHzn 吞脉冲频率合成器芯片吞脉冲频率合成器芯片MC145152 34 举例（续举例（续1）10MHz、12.8MHz、52MHz晶振，频率稳定度均为晶振，频率稳定度均为10-640/41双模分频器双模分频器 可编程分频器，最高工作频率可编程分频器，最高工作频率 35MHz 电
33、感、电容、电阻、及运放可组成各种带通、低通滤波器电感、电容、电阻、及运放可组成各种带通、低通滤波器 1GHz内的混频器内的混频器 各种分频器、倍频器各种分频器、倍频器难点：难点：1、VCO可变频率范围不够可变频率范围不够 2、可编程分频器，最高工作频率低（、可编程分频器，最高工作频率低（VCO输出必需输出必需 降频后降频后 才能与之相联）。才能与之相联）。35解：设计方案解：设计方案1吞脉冲锁相和倍频器相结合吞脉冲锁相和倍频器相结合 接接受受吞吞脉脉冲冲锁锁相相频频率率合合成成器器和和倍倍频频器器相相结结合合的的方方案案。即即用用12.8MHz12.8MHz晶晶体体、MC145152MC145
34、152芯芯片片和和40/4140/41双双模模前前置置分分频频器器组组成成输输出出频频率率为为220.1220.1231.1MHz231.1MHz的的锁锁相相频频率率合合成成器器,然然后后在在VCOVCO输输出出端端加加接接4 4倍倍频器频器,如图如图(a)(a)所示所示,则则图图(a)R R分分 频频 器器 的的 分分 频频 比比12.8106/25103=512取整数取整数N=220231A：03936 方案方案2 2 下变频器和倍频器相结合（下变频器和倍频器相结合（见指导书见指导书p429）图（图（b)37 方案方案3 3固定前置分频和上变频器相结合（固定前置分频和上变频器相结合（见指导
35、书见指导书p429）o固定前置分频器和上变频器相结合固定前置分频器和上变频器相结合图（图（）N=25643004 388.58.5干脆数字频率合成（干脆数字频率合成（DDSDDS）p 基于全数字技术，从相位概念动身干脆合成所需波形。基于全数字技术，从相位概念动身干脆合成所需波形。基本思路是按确定的时钟节拍从存有波形函数表的基本思路是按确定的时钟节拍从存有波形函数表的ROM中读出与相位对应的代表波形幅值的二进制数，经过中读出与相位对应的代表波形幅值的二进制数，经过D/A变换和低通滤波，得到所需的模拟波形。变换和低通滤波，得到所需的模拟波形。p 主要优点：相位连续；辨别力高（可达主要优点：相位连续
36、；辨别力高（可达0.001Hz）；工作）；工作频率范围宽，简洁做到极低的频率；转换频率的时间短（几频率范围宽，简洁做到极低的频率；转换频率的时间短（几乎是即时的频率转换），以及成本低、限制敏捷等。乎是即时的频率转换），以及成本低、限制敏捷等。p 主要缺点：输出频率上限不太高，受限于器件可用的最高时钟主要缺点：输出频率上限不太高，受限于器件可用的最高时钟频率；总输出噪声电平较高。频率；总输出噪声电平较高。（Direct Digtial Frequency Synthesis简称简称DDFS或或DDS）是近年来发展起来的一种将先进的数字处理理论与方法引入信号是近年来发展起来的一种将先进的数字处理理
37、论与方法引入信号合成领域的一项新技术（第三代频率合成）。合成领域的一项新技术（第三代频率合成）。39DDSDDS的的基本结构基本结构频率频率限制字限制字时时 钟钟相相 位位累加器累加器只只 读读存储器存储器数数 模模转换器转换器滤波器滤波器K信号输出信号输出 参考时钟由个高稳定的晶体振荡器产生。相位累加器由参考时钟由个高稳定的晶体振荡器产生。相位累加器由N位加法器与位加法器与N位累加寄存器级联构成。相位累加器的位累加寄存器级联构成。相位累加器的N位输入位输入称为频率限制字称为频率限制字K，K为每次累加器累加的相位增量为每次累加器累加的相位增量。40DDSDDS工作过程工作过程p 相位累加器在频
38、率限制字和时钟脉冲的作用下输出合成相位累加器在频率限制字和时钟脉冲的作用下输出合成波形的相位序列。波形的相位序列。p 只读存储器内存储着与相位序列对应的正弦幅度数据码，只读存储器内存储着与相位序列对应的正弦幅度数据码，而存储单元地址码即为该相位序列，因此当相位序列对而存储单元地址码即为该相位序列，因此当相位序列对ROM寻址时，寻址时，ROM输出幅度码。输出幅度码。p 幅度码经幅度码经DAC输出阶梯波形输出阶梯波形p 再经低通滤波器后，输出所需的正弦波形。再经低通滤波器后，输出所需的正弦波形。41具体过程：具体过程：p相位累加器受时钟频率及频率限制字相位累加器受时钟频率及频率限制字K的限制，每一
39、时钟脉冲到的限制，每一时钟脉冲到来时，累加器都要进行一次加法运算，将累加器内的当前值与频率来时，累加器都要进行一次加法运算，将累加器内的当前值与频率限制字限制字K相加作为新的当前值相加作为新的当前值,即正弦表的相位地址码。即正弦表的相位地址码。p读出相对应的幅度码。读出相对应的幅度码。p频率限制字频率限制字K是每次累加器所跳动的是每次累加器所跳动的 的倍数。设的倍数。设K=1,则每则每次时钟脉冲到来时，累加器输出的当前值要加次时钟脉冲到来时，累加器输出的当前值要加1，相位增加一个最，相位增加一个最小间隔小间隔 若累加器字长为若累加器字长为N，则，则 。则每次相位则每次相位增加增加 。p当累加器
40、溢出时，输出形成一个完整的周期波形，当累加器溢出时，输出形成一个完整的周期波形，其其p频率频率 ，该波形经，该波形经DAC,再经低通滤波器平滑后，输出即再经低通滤波器平滑后，输出即为合成的正弦信号。为合成的正弦信号。42DDSDDS特点特点n变更时钟频率变更时钟频率fcfc和频率限制字和频率限制字K K，可以变更输出信号频率，可以变更输出信号频率nDDSDDS最低输出频率为最低输出频率为K=1K=1时，时，fomin=fc/2Nfomin=fc/2Nn最高频率，依据奈奎斯特取样定理，可达最高频率，依据奈奎斯特取样定理，可达fomax=fc/2fomax=fc/2，一，一般要求不大于般要求不大于
41、fc/4fc/4，即一个正弦波周期，至少取，即一个正弦波周期，至少取4 4个点。个点。nDDSDDS输出频率的辨别力就是它的最小输出频率：只要输出频率的辨别力就是它的最小输出频率：只要N N足够足够大，大，DDSDDS的分辩力就足够的高。的分辩力就足够的高。nDDSDDS依靠依靠ROMROM的地址线位数的地址线位数A A（或（或DACDAC的位数的位数D D）来保证正弦）来保证正弦波的幅度精度，靠相位累加器的位数波的幅度精度，靠相位累加器的位数N N来保证其分辩力。来保证其分辩力。43Si4133 Si4133 在在1.6GHz1.6GHz上相噪特性上相噪特性返回44Si4133Si4133在在1.6GHz1.6GHz上的杂散上的杂散45 下堂课：复习下堂课：复习46