淺議頻率合成器在現(xiàn)代無線通信收發(fā)機(jī)中的實(shí)現(xiàn)形式

胡習(xí)霜 玄甲輝

【摘要】 隨著科技的不斷進(jìn)步，無線通信技術(shù)在人類生活中的作用越來越大。本文對現(xiàn)代無線通信收發(fā)機(jī)中的關(guān)鍵部件之一——頻率合成器的實(shí)現(xiàn)形式做了一般性的討論。首先簡要介紹了下無線通信系統(tǒng)中的重要組成部分——射頻收發(fā)機(jī)，對頻率合成器在無線通信收發(fā)機(jī)中的作用做了簡單說明。然后詳細(xì)介紹了頻率合成器的幾種實(shí)現(xiàn)方法，并分別展開描述具體實(shí)現(xiàn)形式。文章最后對頻率合成器的實(shí)現(xiàn)形式做了總結(jié)，并指出在目前的無線通信領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的是鎖相環(huán)式頻率合成器體系結(jié)構(gòu)。

【關(guān)鍵字】 無線通信 頻率合成器 射頻收發(fā)機(jī) 實(shí)現(xiàn)形式

一、無線通信系統(tǒng)的射頻收發(fā)終端概述

無線通信系統(tǒng)是用于發(fā)送從信源發(fā)出的信息或消息到一個或多個目的地的系統(tǒng)，信源產(chǎn)生的信息可以包括多種形式，比如圖像、語音、數(shù)據(jù)信號等。典型的無線通信系統(tǒng)包括信源信宿、輸入輸出換能器、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。

通常，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)可以被集成設(shè)計為無線收發(fā)機(jī)。集成之后，接收單元和發(fā)射單元可以復(fù)用部分模塊，可進(jìn)一步減小芯片面積。隨著市場需求的不斷提高，對收發(fā)機(jī)的指標(biāo)要求也越來越高，在保持高性能的基本要求之下，還要求無線收發(fā)機(jī)具有低成本、低尺寸、低功耗等特點(diǎn)。

二、頻率合成器在無線通信收發(fā)機(jī)中的作用

在無線通信領(lǐng)域中，頻率合成器起著越來越重要的角色。在無線收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)中，頻率合成器作為混頻器中本振的產(chǎn)生源，是不可或缺的一部分。頻率合成器是將一個高穩(wěn)定度和高精確度的標(biāo)準(zhǔn)參考頻率（一般是晶體振蕩器），經(jīng)過倍頻或分頻等操作對它進(jìn)行四則運(yùn)算，最終產(chǎn)生一個或多個具有同樣精確度和穩(wěn)定度的頻率源的電路模塊或設(shè)備[1]，它是影響電子系統(tǒng)穩(wěn)定性和精確性的最關(guān)鍵因素之一。

在現(xiàn)代無線通信收發(fā)機(jī)中，頻率合成器獲得的頻率精確度和穩(wěn)定度的好壞，將直接決定整個射頻收發(fā)機(jī)系統(tǒng)性能的好壞。

三、頻率合成器的實(shí)現(xiàn)形式

有關(guān)頻率合成器的研究，最早提出是在20世紀(jì)30年代，在近代電子技術(shù)發(fā)展的過程中，頻率合成器體系得到不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)得到不斷擴(kuò)充。

從這項技術(shù)提出以來，先后經(jīng)歷了直接模擬式頻率合成器、直接數(shù)字式頻率合成器和間接鎖相式頻率合成器等三個階段的發(fā)展。

隨著各種現(xiàn)代產(chǎn)品中電子系統(tǒng)地位的與日俱升，在應(yīng)用以及市場的牽引下，頻率合成器技術(shù)得到不斷快速發(fā)展，如高指標(biāo)、小體積的合式頻率合成器[2]以及將鎖相和DDS相結(jié)合的混合式頻率合成器。

如表 1所示，頻率合成器大致上可分為三大類：直 接型、間接性和混合型。

3.1直接模擬式頻率合成器

直接模擬式頻率合成器是最早出現(xiàn)的一種頻率合成類型，它的工作原理很簡單，就是用諧波發(fā)生器、混頻器、倍頻器、分頻器和帶通濾波器電路對一個或幾個基準(zhǔn)頻率進(jìn)行四則運(yùn)算，從而產(chǎn)生所需求的頻率信號。根據(jù)合成方式不同可分為相關(guān)合成與非相干合成兩種[3]。

直接頻率合成器可以實(shí)現(xiàn)快速頻率變換、低相位噪聲、幾乎任意高的頻率分辨率以及很高的頻率輸出。但是直接頻率合成要使用很多的硬設(shè)備，因而具有體積大、造價高的特點(diǎn)。除此，它還有另一個缺點(diǎn)：在輸出端會出現(xiàn)大量無用的寄生頻率——雜波。

在大部分應(yīng)用場合，直接頻率合成方法已被采用鎖相技術(shù)的間接頻率合成方法所取代[1]。

3.2直接數(shù)字式頻率合成器

直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)是1971年由美國學(xué)者J.T、C.M.R和B.G首次提出的，采用全數(shù)字化方式實(shí)現(xiàn)。一個典型的DDS系統(tǒng)主要由相位累加器、正弦波查找表、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器組成。DDS的輸出頻率為：

其中，K為頻率控制字，N為相位累加器的比特位長度，F(xiàn)C為時鐘頻率。由于受奈奎斯特定律的約束，最高輸出頻率不能高過系統(tǒng)時鐘的一半，一般取時鐘的40%作為上限，其頻率分辨率為FC / 2N。

DDS是一個完全數(shù)字化的系統(tǒng)，具有易于集成、頻率合成速度快、極快的跳頻速度、頻率切換時相位連續(xù)和極高的頻率分辨率等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是雜散比較大、輸出頻率低、功耗較大。

3.3間接鎖相式頻率合成器

鎖相式頻率合成技術(shù)又稱為間接式頻率合成技術(shù)，是基于PLL的一種頻率合成技術(shù)。廣義的講，鎖相環(huán)電路使一個特殊系統(tǒng)跟蹤另一個系統(tǒng)。在同步狀態(tài)，振蕩器輸出信號和參考信號之間的相位差為0，或者保持常數(shù)[4]。鎖相環(huán)是一種相位誤差控制系統(tǒng)，它通過比較輸入信號和壓控振蕩器輸出（或分頻器后的輸出）信號之間的相位差，從而產(chǎn)生一個反饋電壓來控制VCO的輸出頻率，以達(dá)到與輸入信號成倍頻關(guān)系的目的。

在現(xiàn)代通信用收發(fā)終端機(jī)中，基于PLL的頻率合成器廣泛采用電荷泵鎖相環(huán)（CPPLL）式頻率合成器。CPP LL頻率合成器的一般系統(tǒng)框圖如圖 1所示。

電荷泵鎖相環(huán)式頻率合成器由鑒頻鑒相器、電荷泵、壓控振蕩器以及÷N分頻器組成。頻率合成器的輸出頻率為：

其中N為分頻器分頻比（可為整數(shù)或小數(shù)），fref為PFD的輸入?yún)⒖碱l率。

3.4混合型頻率合成器

混合式頻率合成技術(shù)是近幾年非常流行的頻率合成技術(shù)，主要形式有DDS激勵PLL、DDS內(nèi)插PLL、DDS+倍頻、DDS+混頻等幾種合成方式[3]。

這種方案利用了DDS的高分辨率來提高PLL輸出的頻率分辨率，又能得到較高的頻率輸出，同時PLL內(nèi)的環(huán)路濾波器對帶外的DDS雜散也能夠起到很好的抑制作用。但是該種混合型頻率合成器的頻率轉(zhuǎn)換時間取決于PLL。

四、頻率合成器不同實(shí)現(xiàn)形式總結(jié)

本文中大致介紹了目前所存在的幾種不同形式的頻率合成技術(shù)，其中，無線通信領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的是鎖相環(huán)式頻率合成器體系結(jié)構(gòu)。

這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是容易在CMOS工藝上集成。在性能可滿足大多數(shù)無線通信系統(tǒng)指標(biāo)要求的前提下，可大大節(jié)省功耗?；贏DPLL的頻率合成器一般用于數(shù)字電路，能夠糾正時鐘，實(shí)現(xiàn)很低的時鐘傾斜，缺點(diǎn)是不能夠編程。

在需要本振頻率很高的情況下，一般可采用直接模擬頻率合成器結(jié)構(gòu)，缺點(diǎn)是功耗和體積比較大，而且成本會 比較高。綜上，可對各種頻合成器主要性能比較如表 2所示。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李智群. 射頻集成電路與系統(tǒng)[M]. 北京：科學(xué)出版社. 2008.8.

[2]Longiun Zhai，Yonghua Jiang，Xiang Ling，et a1.DDS-Driven PLL Frequency synthesizer for X-band Radar signal simulation[C]. IEEE Conference on Systems and control in aerospace and astronautics.IEEE，2006：344-346.

[3]楊檍，鮑景富. 現(xiàn)代頻率合成技術(shù)的研究進(jìn)展. 電訊技術(shù) Telecommunication Engineering. 2007， 47（2）.

[4]Roland E.Best 著 李永明 [等] 譯. 鎖相環(huán)設(shè)計、仿真與應(yīng)用. 北京：清華大學(xué)出版社，2007.4