第8章_频率合成

e
N
s e
闭环传递函数 H ( s )
o Ko K d F (s) r s Ko K d F (s) / N
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PLL的线性分析 的线性分析
一阶PLL
F(s)=1，环路滤波器特性为一条直线，或者说没有低通 滤波器，则传递函数为
Ko Kd NK H (s) s Ko Kd / N s K
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频率合成的基本方法-DDS 率 成 本
软件方法：根据正弦函数关系式，按照 软件方法：根据正弦函数关系式，按照一定的时间 定的时间 间隔利用计算机进行数学递推关系计算，求解瞬时 正弦函数幅值并实时地送入数/模转换，从而合成 出所需频率的正弦波信号 优点：电路简单、成本低、合成信号的分辨率可以 做的很高 缺点：受计算机速度的限制，合成信号频率较低 （一般在几千Hz左右）
相干 接合成 相干直接合成 一个参考频率经过倍频、 个参考频率 过倍频 分频、混频 6个输出频率可以同时输 出，最小频率间隔 0 5MHz 0点 率 成 点
优点
频率切换速度快、高的频率分辨率、低的相位噪声、高 频率切换速度快 高的频率分辨率 低的相位噪声 高 的输出频率
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直接频率合成实例(1) 率 成实例( )
• 非相干直接频率合成
两组晶体振荡器，20个参考频率 输出频率范围：55.00~55.99MHz 频点间隔fO=10kHz，100个频点
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直接频率合成实例(2) 率 成实例( )
非相干双混频分频直接合成
f1 f2 f1 + + f2 带通 + +
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频率合成的基本方法-DDS 率 成 本
用硬件合成方法：即利用高速存储器将正弦波 的M个样本存在其中 然后以查表的方式按均 的M个样本存在其中，然后以查表的方式按均 匀的速率把这些样本输入到高速数/模转换器， 变换成所设定频率的正弦波信号 这是目前使 变换成所设定频率的正弦波信号。这是目前使 用最广泛的一种DDS
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频率合成器的主要技术指标 率 成 要 术指标
换频时间ts 从一个频点转换到另外一个频点并稳定工作所 从 个频点转换到另外 个频点并稳定工作所 需的时间
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频率合成器的主要技术指标 率 成 要 术指标
频谱纯度
频率合成器输出频率信号接近纯正正弦波的程度 寄生干扰：谐波、杂散干扰 相位噪声，X(t)=cos[ωc(t)+φn(t)]，其中φn(t)是一个表示 周期变化很小的随机额外相位，称相位噪声。在频谱 上呈现为主频两边的连续噪声频谱。通常用频率轴上 距主频Δf处1Hz带宽的边带功率和载频功率的比值来 量化相位噪声 量化单位是dBc/Hz@Δf 量化相位噪声，量化单位是
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频率合成的基本方法-DDS 率 成 本
存储器中存储了一个周期的正弦波波形幅值（量化 值） 时钟是高稳定度晶体振荡器为累加器和D/A变换器 提供工作时钟信号 标定频率是所要设定的输出频率(数据)，该频率数 据控制累加器输出循环扫描地址的次数 即控制存 据控制累加器输出循环扫描地址的次数，即控制存 储器送出正弦波数据的周期 正弦波数据由D/A变换器变换成一系列正弦波形， 再经低通滤波器滤除杂散 就可以输出纯净的设定 再经低通滤波器滤除杂散，就可以输出纯净的设定 频率的正弦波信号
f 3 f 0~9
f1 f2+f3 带通
f0~9 fO
f3+Δf0~9为图6.1中的一个晶体切换组 fO=(f1+f2+f3+ Δf0~9)/10 若f1+f2+f3=10 f1，则fO=f1+ Δf0~9 /10，即频率分辨率提高 了10倍
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直接频率合成实例(3) 率 成实例( )
• 直接频率合成方法已经渐渐被直接数字合成方法 和锁相环频率合成法所取代
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频率合成的主流方法-锁相频率合成 率 成 锁 率 成
单环PLL合成器由一个参考频率源，应用锁相环路 PLL(Phase Locked Loop)实现频率合成 PLL(Phase-Locked
o
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频率合成的主流方法-锁相频率合成 率 成 锁 率 成
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频率合成技术的分类 直接合成法： 直接合成法 模拟直接合成法(古典合成法) 数字直接合成法(DDS) 间接合成法 锁相频率合成法
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频率合成的基本概念 频率合成的基本方法和指标 PLL基本原理 基本原理 锁相频率合成 锁相 率合成 直接数字频率合成 字
频率合成的基本方法-直接频率合成 率 本 率
缺点
需要很多振荡器、倍频器、混频器、带通滤波器和分频 器等电路，电路多且复杂，不适应现代电子信息系统中 ， ， 中 对于电子系统小型化和集成化的要求 输出频率中难免包含大量由混频器和倍频器产生的无用 寄生频率 而且输出信号的频率稳定度 准确度和相位 寄生频率，而且输出信号的频率稳定度、准确度和相位 噪声是各参考晶体振荡器的频率稳定度、准确度和相位 噪声 噪声之和，使整个系统的输出谐波、寄生频率及噪声都 ， 个 寄 率 噪声都 难以控制。
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频率合成器的主要技术指标 率 成 要 术指标
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频率合成器的主要技术指标 率合成器 要 术指标
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频率合成的基本概念 频率合成的基本方法和指标 PLL基本原理 锁相频率合成 直接数字频率合成
PLL(Phase-Locked ( Loop) p)基本组成 本 成
鉴相器PD（Phase Detector），将两输入信号进行比相， 输出电压正比于两输入信号的相位差 环路滤波器LPF/LF（Low Pass Filter/Loop Filter），滤除 鉴相器输出中的高次分量和杂散 输出平滑的控制电压 鉴相器输出中的高次分量和杂散，输出平滑的控制电压， 环路性能和噪声指标都取决于LPF 压控振荡器VCO（Voltage Controlled Oscillator），将控 制电压转换成频率和相位的变化，以保证环路的锁定， 其性能决定PLL的性能指标 为实现倍频功能可在反馈回路上加入分频器
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频率合成器的主要技术指标 率 成 要 术指标
频率范围：fmin、fmax、频率覆盖系数 频率覆盖系数 k=fmax/fmin 频率分辨率△fO：输出频率间隔、频率步 进间隔 频率准确度：实际输出频率偏离标称频 率的程度
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频率合成器的主要技术指标 率 成 要 术指标
频率稳定度 长期稳定度：一年/月内的频率变化，主要由晶 长期稳定度： 年/月内的频率变化 主要由晶 体和元器件老化决定 短期稳定度：日/小时内的频率变化，主要因素 是内部电路参数的变化 外部电源的波动 温 是内部电路参数的变化、外部电源的波动、温 度变化以及其它环境因素的变化 瞬时稳定度：秒/毫秒间隔内的随机频率变化， 主要因素是干扰和噪声 实践中瞬时稳定度在 主要因素是干扰和噪声。实践中瞬时稳定度在 频域范围内表现为相位噪声频谱，通常用功率 谱密度表示
是一种相干间接频率合成法 环路锁定时PD的两输入频率相等，则 路锁定时 的两输 频率相等 则 fo = Nfr 通常N为正整数，在一定范围内改变N值则输出 一系列频率。这样合成输出频率的最小频率间 隔，即频率分辨率等于fr
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频率合成的基本方法-DDS 率 成 本
原理:把一系列数字量形式的信号通过数/ 模转换器转换成模拟量形式的信号合成技 术 两种基本合成方式:软件合成方法和硬件合 两种基本合成方式 软件合成方法和硬件合 成方法
F (s)
1 s
N s
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频率合成的基本方法 率 成 本
相干频率合成除了相干直接频率合成外，锁相频率 合成和DDS频率合成也都属于相干频率合成 目前，相当低的价格就可以在市场上买到稳定度高 7/日以上的参考晶振频率源，为相干频率合 达 10-7 / 上的参考晶振频率源 为相 频率合 成成为当前频率合成技术的主流方法创造了条件
直接频 率合成 间接频 率合成 数字直接合成(DDS) 模拟直接合成 相干直接频率合成 非相 直接频率合成 非相干直接频率合成 相干频率 合成 非相干频 率合成
锁相频率合成
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频率合成的基本方法 率合成 本
三种基本合成方法的特点 模拟直接合成：输出频率高、分辨频率高、换频速度 快、噪声低；但是结构复杂、寄生频率多 PLL合成：成本低、频率控制切换方便灵敏，输出频 率高；但是单环PLL频综输出频率分辨率与环路性能 存在矛盾 DDS合成：分辨率高、输出波段超出一个倍频程，频 成 率高 输出波 超出 率切换速度快；但是输出频率较低，输出噪声较高
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PLL线性模型 线性 型
• PLL是一个比较输出相位和输入相位的相位负反馈 控制系统 （非线性） –变量是相位，不是频率, 也不是电压、电流
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PLL线性模型
PLL的线性模型 PD是非线性器件，但是当两个输入信号相位 PD是非线性器件 但是当两个输入信号相位 误差较小时，鉴相器输出与相位误差近似成线 性关系 即 性关系，即 Vd (t ) K d ( r N ) LPF VCO是非线性电路，环路锁定以后，输出频率 非线 电路 路锁定 后 输出频率 变化较小，此时可以看作线性器件，其输出频 率偏离其自由振荡的角频偏为
K o Vc (t )
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Ko是VCO的增益，即压控灵敏度，量纲是 o是VCO的增益 即压控灵敏度 量纲是 (rad/V·s)
PLL线性模型
分频器的分频比N与频率无关，分频后的 相位 o
N
N
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PLL的线性分析 析
环路方程
s r K o K d F ( s )
第8章 锁相环与频率合成
频率合成的基本概念 频率合成的基本方法和指标 PLL基本原理 锁相频率合成 直接数字频率合成
频率合成的基本概念 率 成 本