1、 1 本科毕业设计 (论文 )文献综述 电子信息 工程 频率合成技术研究 摘要： 介绍了频率合成技术的概念、发展历史、最新技术以及直接式、间接锁相式、直接数字和混合式频率合成技术的原理，并比较了不同频率合成技术的优缺点。 关键词： 频率合成技术 ；锁相环； DDS；混合式频率合成 1.引言 频率合成技术是电子系统的心脏，是决定电子系统性能的关键设备，随着通信 、卫星定位、航空航天、雷达和电子对抗等技术的发展，对频率合成器提出了越来越高的要求。频率合成技术是将一个或多个高稳定、高精确度的标准频率经过一定变换，产生同样高稳定度 和精确度的大量离散频率的技术。频率合成理论自 20 世纪 30 年代提
2、出以来，已取得了迅速的发展，逐渐形成了目前的 4 种技术：直接频率合成技术、锁相频率合成技术、直接数字式频率合成技术和混合式频率合成技术 1-2。 2.频率合成技术概述 2.1直接模拟频率合成技术 直接模拟频率合成技术分为相干合成法和非相干合成法。相干合成方法是用一个晶体参考频率源，然后经过分频、混频和倍频来得到各种频率信号，输出频率的稳定度和精度与参考频率相同；非相干合成方法是用多个晶体参考频率源，然后把这些参考频率信号经过加减乘除来得到 各种频率信号 3。 2.2锁相环（ PLL）的频率合成技术 基于锁相环（ PLL）的频率合成技术：锁相环主要由鉴相器、低通滤波器和压控振荡器组成；鉴相器通
3、过比较压控振荡器的输出信号和参考信号而产生相位控制信号，再经过低通滤波器后就直接去控制压控振荡器的输出，然后采用频率选择开关通过改变分频比来控制压控振荡器的输出信号频率。若在锁相环中插入数字分频器和数字鉴相器，即成为数字锁相环。数字锁相频率合成技术是目前的主流技术 3。 2.3直接数字频率合成（ DDS）技术 直接数字频率合成（ DDS）技术：采用数字 化技术，通过控制相位的变化速度来直接产2 生各种频率的信号。在带宽、频率分辨率、频率转换时间、相位连续性（相位变化连续）、调制输出（对输出信号易实现多种调制）和集成化等方面 4-7，都远远超过传统的频率合成技术。但是 DDS 技术把幅度和相位信
4、息也都用数字量表示，故将会产生量化精度和量化噪音，从而造成输出信号的幅度失真和相位失真，使得 DDS 的输出信号杂散较大（杂散频率多）；同时 DDS 的输出信号频带有限（为了有效分开输出频率和镜像频率，最高频率应该0.5fs，更高的 fs 要求器件的工作频率更高），这是限制 DDS 技术 发展的主要问题之一 1。 2.4混合式频率合成技术 混合式频率合成是近几年非常流行的合成技术，主要有 DDS 激励 PLL、 DDS+倍频（ DAS）、 DDS+混频几种合成方式。这种方案利用了 DDS 的高分辨力来提高 PLL提出的频率分辨力和实现较高的频率输出，同时 PLL环路内的低通滤波器对带外 DDS
5、 杂散起到很好的抑制作用，但频率转换时间取决于 PLL。 由于 DDS 输出不经过 PLL的倍频，使 DDS 引入的相位噪声和杂散不会使输出端恶化，具有低的相位噪声和良好的杂散性能，频谱纯度大大优于 DDS 激励 PLL，但这种方案仍然基于 PLL，频率转换时间仍然很慢。 用模拟倍频器代替 PLL，克服了 DDS+PLL的频率转换时间长的弱点，同时利用了多个倍频器和滤波器组件来实现，目前国内研制的超高速频率综合器大都采用了这种方案，缺点是输出带宽均不宽，一般只有几十兆赫 8-9。 使用混频器将 DDS 输出频率直接搬移到微波频段。第一级 BPF 用来滤除 DDS 的宽带杂散，第二级 BPF 用
6、来滤除本振频率、无用边带频率和其他无用的混频产物 1。 2.5 不同频率合成技术的比较 直接模拟频率合成技术简单易行、频率转换时间短、相位噪音低，但因采用了大量的分频、混频 、倍频和滤波等模拟元件，使合成器的体积大、易产生杂散分量、元件的非线性影响难以抑制。而锁相环相当于窄带跟踪滤波器，所以 PLL频率合成技术能够很好选择频率、抑制杂散分量和大量使用滤波器，有利于集成化；而且频率的长期和短期稳定性都很好。但是 PLL有惰性，频率分辨率和频率转换时间相互矛盾（难以兼顾）；频率转换时间较长；压控振荡器引起的噪音也较大。然而 DDS 是全数字化结构，易于集成、功耗低、体积小、重量轻、可靠性高、易于程
7、控、使用灵活，性价比很高。混合式频率合成技术的优点在于 DDS本身的杂散电平和相位噪声不增加，且 频率的捷变速度和分辨率均保持不变，既保持了 DDS的良好性能；缺点在于输出频率范围窄（当 DDS 输出频率范围超过一个倍频程时，其低频段二次谐波在混频器输出端变成杂散而无法滤除），且存在双边带输出、本振泄漏和其它混3 频产物。 3 频率合成技术的新进展 3.1频率合成器芯片 早期的频率合成器主要由分立元器件来实现。 80年代以来，微电子技术和计算机技术的飞速发展，使得频率合成器趋于全集成化，所有电路都集成在一块芯片上。频率合成器 的发展趋势是频率更高、系统功能更强、制作工艺更先进、集成度更高、成本
8、更低、系列品种更加完善。 双环或多环锁相式频率合成器、 DDS与锁相式混合的频率合成器已经实现单片集成。频率合成器已经与通信系统收发信机的射频电路集成在一起，形成了集接收机、发射机、频率合成器于一体的 SOC芯片 8-10。 生产频率合成器芯片的厂商主要有美国的 AD公司、国家半导体公司、 Motorola公司、Qualcomm公司；日本的富士通公司和荷兰的 Philips公司 2。 3.2频率合成器的 EDA实现 在有些场合，专用 DDS芯片在控制方式、转化速度等方面往往与系统的要求差距很大，这时可用 EDA(电子设计自动化 )技术按照 自己的需要来设计基于 DDS的 ASIC。用 EDA
9、技术来实现的过程是：首先按照 “自顶向下 ”的设计思想，用 VHDL(硬件描述语言 )或图形输 入等方法来编辑 DDS的功能电路，然后经过功能仿真、编译、后仿真、编程验证等步骤，最后将后仿真正确的文件经编程电缆下载到 FPGA中，该 FPGA即为所定制的 ASIC2。 3.3直接数字频率合成的 DSP实现 DDS的 DSP实现方法基于在单位圆上有 2个极点 ( je )的数字谐振器，这种 IIR滤波器的脉冲响应 h(n)=sin()u(n)，是幅度为 1的等幅正弦波，对应的 Z变换为 H(z) sinz1 (12cosz 1 z 2 )，差分方程为： h(n) c0(n 1) c1h(n 1)
10、 h(n 2)，其中 c0 sin， c12cos。 输出频率 fo与极点位置关系为 2foTs(Ts为采样周期 )，故 fo与滤波器系数的关系为 c0sin2foTs， c1 2cos2foTs。若把 fo写成 fo (m n)fs的形式 (其中 m、 n为整数 )，则有 c0sin(2m/n)， c1 2cos(2m/n)。这样通过改变 m、 n值就可以合成不同的频率。 可以用 DSP芯片来实现基于这种算法的 DDS。用这种方法可以产生比采用正弦查表法 更多的频率，更关键的是在特定频率时的谐波失真很小。而以 DSP芯片为核心的硬件设计，又使其具有设计简单、小型、可靠等优点 2。 4结论 4
11、 为了发挥 DDS 技术的长处、 克服其缺点，往往把 DDS 技术和其他频率合成技术结合起来使用。通常是采用 DDS 技术与 PLL技术结合（ DDS+PLL）的方案；这既可克服 DDS 技术的输出信号频率的杂散和频带受限，同时又可改善 PLL 技术的频率分辨率不高、频率转换时间较长的问题，并且这种组合式频率合成器的制作成本较低、结构简单，是目前高性能频率合成器的主要发展趋势 13-14。 现代通信与电子系统的发展，对频率合成技术在多个性能方面提出了更高的要求，也使得频率合成技术朝着集成化、程控化、数字化、小型化、频率范围的宽带化、频率间隔的微细化、频率转化 的高速化这样一个方向发展。这也必将
12、使得频率合成技术在信号合成、仪器仪表、现代通信、软件无线电等领域得到更加广泛的应用。 参考文献 1郑毅 . 高精度数字频率综合器（ DDS）的研究与应用 D. 武汉：武汉理工大学 , 2001. 2黄蕾 . 基于单片机的直接数字频率合成（ DDS）技术的应用研究 D.长沙：湖南大学 , 2005. 3白居宪 . 低噪声频率合成 M. 西安 : 西安交通大学出版社 , 1995, 5. 4郭勇 , 肖明清 ,谭靖等 . DDS 芯片 AD9851 及其应用 J. 电子技术 , 2001, 2, 28（ 2） :54-56. 5Tao Wang. Signal Gernator Based on
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