何偉

摘要：隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)頻率源的性能提出了更高的要求，頻率合成技術(shù)也隨之得以快速發(fā)展，本文介紹了自頻率合成技術(shù)理論形成以來(lái)的主要發(fā)展過(guò)程。

關(guān)鍵詞：頻率合成；鎖相環(huán)；直接數(shù)字頻率合成

1、引言

所謂頻率合成技術(shù)指的是由一個(gè)或者多個(gè)具有高穩(wěn)定度和高精確度的參考頻率源，通過(guò)在某一頻段內(nèi)的線性運(yùn)算得到具有同樣特性的大量工作頻率點(diǎn)的技術(shù)，而完成這一功能的電路被稱為頻率合成器，簡(jiǎn)稱為頻綜。頻率合成器是電子系統(tǒng)不可或缺的組成部分。頻率合成器是科研、教學(xué)實(shí)驗(yàn)及各種工程電子測(cè)量技術(shù)中很重要的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，其應(yīng)用范圍非常廣泛，尤其是在通信系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)中，頻率合成器有著極為重要的作用。

2、頻率合成技術(shù)指標(biāo)

頻率合成技術(shù)有各種技術(shù)指標(biāo)，而其技術(shù)指標(biāo)反映了頻率合成技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，下面就對(duì)若干基本的技術(shù)指標(biāo)加以介紹。

（l）頻率范圍。頻率合成器輸出的最大合成頻率fmax和最小合成頻率fmin決定了頻率范圍，通?？捎孟鄬?duì)帶寬來(lái)衡量頻率范圍。

（2）分辨率。頻率合成輸出的兩離散頻率點(diǎn)之間的最小間隔，即為輸出頻率的分辨率，不同場(chǎng)合的需要對(duì)頻率分辨率的要求也不同。

（3）切換時(shí)間。是指從一個(gè)頻率切換到另一個(gè)頻率達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，并且在其有效的相位誤差范圍內(nèi)所需要的時(shí)間，切換時(shí)間與頻率合成器的電路形式密切相關(guān)。

（4）頻譜純度。是指輸出信號(hào)頻譜的純凈程度，通常以信號(hào)的相位噪聲和雜散分量來(lái)衡量頻譜純度。

（5）頻率穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度。頻率穩(wěn)定度是指輸出頻率在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)與標(biāo)稱值間的偏差程度，由偏差程度可分為長(zhǎng)期、短期和瞬時(shí)穩(wěn)定度。頻率準(zhǔn)確度是指實(shí)際頻率與標(biāo)準(zhǔn)頻率的誤差。頻率的穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度密切相關(guān)的，因?yàn)橹挥性陬l率穩(wěn)定度足夠高的前提下，其相應(yīng)的頻率準(zhǔn)確度才有實(shí)際意義。

3、頻率合成技術(shù)的發(fā)展過(guò)程

頻率合成技術(shù)的理論起源于二十世紀(jì)30年代左右，至今己有八十多年的歷史。早期的頻綜是由一組晶振組成，需要多少個(gè)輸出頻點(diǎn)，由晶體的數(shù)目所決定。需要由人工來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率切換，主要由晶體來(lái)決定頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，很少與電路有關(guān)?，F(xiàn)在這種頻率合成方式已經(jīng)被非相干合成的方法所取代，盡管非相干合成同樣使用了晶體，但其工作方式是由少量晶體來(lái)產(chǎn)生多種頻率的。對(duì)比早期的頻率合成方式，非相干合成器不僅降低了成本，而且提高了所合成頻率的穩(wěn)定性。但是研制這種由幾塊晶體所構(gòu)成的晶振是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，而且成本較高。因此隨著頻率合成技術(shù)的發(fā)展，相干合成法也就被科學(xué)家提了出來(lái)。

最初的相干合成法主要是直接頻率合成（Direct Frequency Synthesis簡(jiǎn)稱DFS）。此合成方法是利用倍頻、分頻、混頻的方法對(duì)一個(gè)或幾個(gè)參考源頻率經(jīng)過(guò)加、減、乘、除運(yùn)算直接產(chǎn)生所需要頻率的方法。這種方法由于頻率轉(zhuǎn)化時(shí)間短，相位噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，因此在頻率合成領(lǐng)域也占有一定的地位，但由于所生成的頻率是采用大量的倍頻、分頻、混頻所得，使得直接式頻率合成器體積大、雜散多且難于抑制、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本及功耗高，故該DFS己基本被淘汰。

在DFS之后出現(xiàn)了間接頻率合成（Indirect Frequency Synthesis）。間接頻率合成主要是指鎖相環(huán)PLL（Phase-Locked Loop）頻率合成。此合成方法是把相位反饋和鎖相技術(shù)用于頻率合成中，這種合成方法具有輸出頻率高、相位噪聲低、抑制雜散好、成本低和易于集成等優(yōu)點(diǎn)，因此在頻率合成領(lǐng)域占有一席之地。但是傳統(tǒng)PLL的頻率合成器由于采用閉環(huán)控制，因此輸出頻率改變后，要想重新達(dá)到穩(wěn)定則所需的時(shí)間較長(zhǎng)。所以PLL頻率合成器同時(shí)做到較高的頻率分辨率和較快的頻率切換時(shí)間是很困難的。

隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是集成電路集成度的快速上升，使得直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)的實(shí)現(xiàn)成為可能。直接數(shù)字頻率合成是建立在采樣理論上，將信號(hào)波形以相位極小的間隔進(jìn)行采樣，通過(guò)計(jì)算出信號(hào)波形對(duì)應(yīng)于相應(yīng)相位的幅值，從而形成一個(gè)，并將其存儲(chǔ)于DDS器件的波形存儲(chǔ)器（ROM）中。頻率的合成過(guò)程是利用數(shù)字方式對(duì)相位進(jìn)行累加，而得到波形信號(hào)相應(yīng)的相位值，按一定的幅度相位轉(zhuǎn)換算法在波形存儲(chǔ)器中查詢相位-幅度表得到信號(hào)在該時(shí)刻的離散數(shù)字序列，最后將信號(hào)通過(guò)DAC和低通濾波器形成模擬波形輸出的頻率合成技術(shù)。相比其他的頻率合成技術(shù)，DDS技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）頻率切換時(shí)間短

由于DDS的開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得頻率切換時(shí)間極短。因在時(shí)間上相位序列是離散的，則在頻率控制字改變之后，需經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期之后才能按照新的相位增量進(jìn)行累加，即頻率得以切換。由此可以看到頻率切換時(shí)間實(shí)際上就是頻率控制字的傳輸時(shí)間，即一個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間。若fs越高，則頻率切換時(shí)間將越短，但是不可能小于門電路的傳輸延遲時(shí)間。目前專用DDS集成芯片的頻率切換時(shí)間可做到10ns的量級(jí)，這是常用的PLL頻率合成技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

（2）頻率分辨率高

DDS的最小輸出頻率△fomin=fs/2N，即為輸出頻率的最小

步進(jìn)量，其中fs為時(shí)鐘參考頻率，N為相位累加器的位數(shù)。由此可知如果fs固定，則只要改變相位累加器的位數(shù)N，就可以很容易達(dá)到非常高的分辨率的，甚至得到μHz的頻率分辨率，而傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)要實(shí)現(xiàn)如此低的頻率分辨率是很難做到的。

（3）相位變化連續(xù)

DDS輸出頻率的變化實(shí)際上是相位增量的改變，即改變相位的增加速度。當(dāng)頻率控制字變化后，由于相位函數(shù)的曲線是連續(xù)的，因此只是改變曲線的斜率，使得輸出信號(hào)的相位保持相應(yīng)的連續(xù)性，這一點(diǎn)在很多對(duì)相位要求比較嚴(yán)格的頻率合成器使用中就顯得非常重要。

（4）輸出波形靈活

基于DDS的函數(shù)發(fā)生器的輸出波形靈活多樣，因?yàn)橹灰诓ㄐ蜶OM內(nèi)存放相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)就可以生成正弦波、方波、三角波和鋸齒波等任意的波形。同時(shí)，若在DDS中對(duì)頻率、相位和幅度進(jìn)行相應(yīng)的控制，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻（FM）、調(diào)相（PM）和調(diào)幅（AM）功能。

（5）相位噪聲低和漂移小

DDS中輸出信號(hào)的頻率穩(wěn)定度取決于參考時(shí)鐘源的頻率穩(wěn)定度，且輸出信號(hào)的相位噪聲也是由參考時(shí)鐘源的相位噪聲所決定。由于在DDS系統(tǒng)中，通常是由固定的晶振來(lái)產(chǎn)生所需參考時(shí)鐘頻率，因此使輸出信號(hào)具有低相位噪聲和漂移小的特性。

（6）易集成、易于調(diào)整

直接數(shù)字頻率合成器中除了數(shù)模轉(zhuǎn)換器和濾波器之外，幾乎所有的部件都屬于數(shù)字器件，因此便于集成，且調(diào)整方便靈活，電路功耗低、體積小和高可靠性。

綜上所述，由于DDS具有高分辨率、極快的頻率切換速度、相位變化連續(xù)、相位噪聲低、擴(kuò)展功能容易和全數(shù)字化便于集成等優(yōu)點(diǎn)，因此在近年來(lái)得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

4、結(jié)束語(yǔ)

頻率合成技術(shù)經(jīng)歷了三代的發(fā)展過(guò)程，并朝著數(shù)字化、集成化和頻率轉(zhuǎn)換的高速化方向發(fā)展。而以DDS為代表的第三代頻率合成技術(shù)，隨著數(shù)字電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，將成為應(yīng)用最廣泛的主流頻率合成技術(shù)。

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