頻率合成技術(shù)的發(fā)展概述

何偉

摘要：隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對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)理論形成以來的主要發(fā)展過程。

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)指的是由一個或者多個具有高穩(wěn)定度和高精確度的參考頻率源，通過在某一頻段內(nèi)的線性運算得到具有同樣特性的大量工作頻率點的技術(shù)，而完成這一功能的電路被稱為頻率合成器，簡稱為頻綜。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)實驗及各種工程電子測量技術(shù)中很重要的標(biāo)準(zhǔn)信號源，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，下面就對若干基本的技術(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，通常可用相對帶寬來衡量頻率范圍。

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

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

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

（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)定的時間內(nèi)與標(biāo)稱值間的偏差程度，由偏差程度可分為長期、短期和瞬時穩(wěn)定度。頻率準(zhǔn)確度是指實際頻率與標(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，因為只有在頻率穩(wěn)定度足夠高的前提下，其相應(yīng)的頻率準(zhǔn)確度才有實際意義。

3、頻率合成技術(shù)的發(fā)展過程

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，需要多少個輸出頻點，由晶體的數(shù)目所決定。需要由人工來實現(xiàn)頻率切換，主要由晶體來決定頻率的準(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產(chǎn)生多種頻率的。對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)成的晶振是一個非常復(fù)雜的過程，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。

最初的相干合成法主要是直接頻率合成（Direct Frequency Synthesis簡稱DFS）。此合成方法是利用倍頻、分頻、混頻的方法對一個或幾個參考源頻率經(jīng)過加、減、乘、除運算直接產(chǎn)生所需要頻率的方法。這種方法由于頻率轉(zhuǎn)化時間短，相位噪聲低等優(yōu)點，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，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)定則所需的時間較長。所以PLL頻率合成器同時做到較高的頻率分辨率和較快的頻率切換時間是很困難的。

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，將信號波形以相位極小的間隔進(jìn)行采樣，通過計算出信號波形對應(yīng)于相應(yīng)相位的幅值，從而形成一個，并將其存儲于DDS器件的波形存儲器（ROM）中。頻率的合成過程是利用數(shù)字方式對相位進(jìn)行累加，而得到波形信號相應(yīng)的相位值，按一定的幅度相位轉(zhuǎn)換算法在波形存儲器中查詢相位-幅度表得到信號在該時刻的離散數(shù)字序列，最后將信號通過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：

（1）頻率切換時間短

由于DDS的開環(huán)結(jié)構(gòu)特點，使得頻率切換時間極短。因在時間上相位序列是離散的，則在頻率控制字改變之后，需經(jīng)過一個時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間實際上就是頻率控制字的傳輸時間，即一個時鐘周期的時間。若fs越高，則頻率切換時間將越短，但是不可能小于門電路的傳輸延遲時間。目前專用DDS集成芯片的頻率切換時間可做到10ns的量級，這是常用的PLL頻率合成技術(shù)無法實現(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，使得輸出信號的相位保持相應(yīng)的連續(xù)性，這一點在很多對相位要求比較嚴(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，因為只要在波形ROM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，若在DDS中對頻率、相位和幅度進(jìn)行相應(yīng)的控制，就可以實現(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中輸出信號的頻率穩(wěn)定度取決于參考時鐘源的頻率穩(wěn)定度，且輸出信號的相位噪聲也是由參考時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產(chǎn)生所需參考時鐘頻率，因此使輸出信號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，因此在近年來得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

4、結(jié)束語

頻率合成技術(shù)經(jīng)歷了三代的發(fā)展過程，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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