【正文】 鎖相式頻率合成器設(shè)計 1 第一章 概述 1． 1 頻率合成技術(shù)及其發(fā)展 隨著通信、數(shù)字電視、衛(wèi)星定位、航空航天和遙控遙測技術(shù)的不斷發(fā)展 , 對頻率源的頻率穩(wěn)定度、頻譜純度、頻率范圍和輸出頻率個數(shù)的要求越來越高。為了提高頻率穩(wěn)定度 , 經(jīng)常采用晶體振蕩器等方法來解決 , 但它不能滿足頻率個數(shù)多的要求 , 因此 , 目前大量采用頻率合成技術(shù)。 頻率合成的方法主要有三種：直接 合成模擬式 頻率合成 、 直接數(shù)字頻率合成和 鎖相頻率合成。 通過對頻率進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算 , 可從一個高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)頻率源 , 產(chǎn)生大量的具有同一穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的不同頻率。頻率合成器是從一個 或多個參考頻率中產(chǎn)生多種頻率的器件。它是現(xiàn)代通訊系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵電路 , 廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、航空航天、遙控遙測以及高速儀器儀表等領(lǐng)域。以通信為代表的信息產(chǎn)業(yè)是當(dāng)代發(fā)展最快的行業(yè) ,因此 , 頻率合成器也得到了較快發(fā)展 , 形成了完善的系列品種 , 市場需求也特別大。頻率合成器的技術(shù)復(fù)雜度很高 , 經(jīng)過了直接合成模擬式頻率綜合器、鎖相式頻率綜合器、直接數(shù)字式頻率綜合器 （ DDS） 三個發(fā)展階段。 直接合成模擬式頻率合成器是通過倍頻器、分頻器、混頻器 , 對頻率進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算 , 得到各種所需頻率 。直接合成法的優(yōu)點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換時間短 ,并能產(chǎn)生任意小的頻率增量。但用這種方法合成的頻率范圍將受到限制。更重要的是 , 直接合成模擬式頻率合成器不能實現(xiàn)單片集成 , 而且輸出端的諧波、噪聲及寄生頻率難以抑制。因此 , 直接合成模擬式頻率綜合器已逐漸被鎖相式頻率綜合器、直接數(shù)字式頻率綜合器取代。 使用 PLL技術(shù)實現(xiàn)的鎖相式頻率合成器在性能上較之 RC、 LC振蕩源有很大提高 , 但外圍電路仍然較復(fù)雜 , 且容易受外界干擾 , 分辨率難以提高 ,其它指標(biāo)也不理想。近年來 , 直接數(shù)字頻率合成器 (DDS)的出現(xiàn) , 使頻率合成技術(shù)大大前進(jìn) 了一步。頻率控制是現(xiàn)代通信技術(shù)中很重要的一環(huán) , 獲取寬帶、快速、精細(xì)、雜散小的頻率控制信號一直是通信領(lǐng)域中的一個重要研究內(nèi)容。 DDS技術(shù)是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術(shù) , 具有頻率分辨率高、頻率變換速度快、相位可連續(xù)線性變化等優(yōu)點(diǎn) , 在基于數(shù)字信號處理的現(xiàn)代通信頻率控制中已被廣泛采用。 1971年 , 美國學(xué)者 、 以全數(shù)字技術(shù) , 從相位概念出發(fā) , 直接合成所需波形的一種新的頻率合成原理。限于當(dāng)時的技術(shù)和器件水平 , 它的性能指標(biāo)不能與已有 的技術(shù)相比 , 故未受到重視。近 20年間 , 隨著技術(shù)和器件水平的提高 , 直接數(shù)字頻率合成技術(shù)得到了飛速的發(fā)展 , 成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的佼佼者。 DDS具有超高速的頻率轉(zhuǎn)換時間 , 極高的頻率分辨率 , 低的相位噪聲 , 變頻相位連續(xù) , 容易實現(xiàn)頻率、相位、幅度調(diào)制 , 全數(shù)字化控制等突出優(yōu)點(diǎn) , 已成為移動通信、衛(wèi)星定位、數(shù)字通信等系統(tǒng)中信號源的首選。 目前 , 在各種無線系統(tǒng)中使用的頻率合成器普遍采用鎖相式頻率合成器 , 通過 CPU控制 , 可獲得不同的頻點(diǎn)。鎖相式頻率合成器含有參考振蕩器與分頻器、可控分頻器、壓控振蕩器及 鑒相器、前置分頻器等功能單元。頻率合成器的最終發(fā)展方向是鎖相式頻率合成器、雙環(huán)或多環(huán)鎖相式頻率合成器、 DDS頻率合成器 , 以及 PLL加 DDS混合式頻率合成器。因此 , 鎖相鎖相式頻率合成器設(shè)計 2 式頻率合成器和直接數(shù)字式頻率綜合器受到各界關(guān)注 , 并得到迅猛發(fā)展。 鎖相式頻率合成器是采用鎖相環(huán) (PLL)進(jìn)行頻率合成的一種頻率合成器。它是目前頻率合成器的主流 , 可分為整數(shù)頻率合成器和分?jǐn)?shù)頻率合成器。在壓控振蕩器與鑒相器之間的鎖相環(huán)反饋回路上增加整數(shù) N分頻器 , 就形成了一個整數(shù)頻率合成器。通過改變分頻系數(shù) N, 壓控振蕩器就可以產(chǎn)生不同頻率 的輸出信號 , 而輸出信號的頻率是參考信號頻率的整數(shù)倍 , 因此稱為整數(shù)頻率合成器。其輸出信號之間的最小頻率間隔等于參考信號的頻率 , 而這一點(diǎn)也正是整數(shù)頻率合成器的局限所在。 構(gòu)成鎖相式整數(shù)頻率合成器的關(guān)鍵部分是鎖相環(huán) , 它是一個相位誤差控制系統(tǒng) , 通過比較輸入信號和壓控振蕩器輸出信號之間的相位差 , 產(chǎn)生誤差控制電壓 , 調(diào)整壓控振蕩器的頻率 , 以達(dá)到與輸入信號同頻。在環(huán)路開始工作時 , 如果輸入信號頻率與壓控振蕩器頻率不同 , 則由于兩信號之間存在固有的頻率差 , 它們之間的相位差勢必一直在變化 , 致使鑒相器輸出的誤 差電壓在一定范圍內(nèi)變化。在這種誤差電壓的控制下 , 壓控振蕩器的頻率也在變化。若壓控振蕩器的頻率能夠變化到與輸入信號頻率相等 , 在滿足穩(wěn)定性的條件下 , 就在這個頻率上穩(wěn)定下來。達(dá)到穩(wěn)定后 , 輸入信號和壓控振蕩器輸出信號之間的頻差為零 , 相差不再隨時間變化 , 誤差電壓為一固定值 , 環(huán)路進(jìn)入“鎖定”狀態(tài)。環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓中的高頻成分和噪聲 , 以保證環(huán)路所要求的性能 , 增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 鎖相式分?jǐn)?shù)頻率合成器的輸出信號頻率不必是參考信號頻率的整數(shù)倍 , 而可以是參考信號頻率的小數(shù)倍 , 因此稱為鎖相式分?jǐn)?shù) 頻率合成器。小數(shù)頻率合成器輸出信號的最小頻率間隔 , 即輸出頻率精度 , 由參考信號頻率和分?jǐn)?shù)頻率合成器的分辨位數(shù)決定。鎖相式整數(shù)頻率合成器輸出信號的最小頻率間隔等于參考信號的頻率。為了精確控制輸出信號的頻率 , 需要采用頻率很低的參考信號。在頻率合成器的設(shè)計中 , 濾波器帶寬通常低于參考信號頻率的十分之一。為了獲得較高精度的輸出信號頻率 , 同時防止參考信號的泄漏 , 必須使用帶寬很窄的濾波器。但是 , 濾波器的帶寬越窄 , 頻率合成器的調(diào)整時間就越長。而鎖相式分?jǐn)?shù)頻率合成器則可以在使用高頻率的參考信號的同時 , 獲得高精 度的輸出信號頻率 , 放松了對濾波器帶寬的限制 , 從而有效地解決了上述問題。頻率合成器的一個重要指標(biāo)是相位噪聲。在濾波器通帶內(nèi) , 輸出信號的相位噪聲是參考信號的相位噪聲的 N倍。顯而易見 , 在保持輸出信號頻率不變的情況下 , 提高參考信號的頻率可以有效地降低輸出信號的相位噪聲。理論上 , 參考信號的頻率提高一倍 , 輸出相位噪聲下降 6dB。小數(shù)頻率合成器支持高頻率的參考信號 , 因此 , 它的相位噪聲指標(biāo)好于整數(shù)頻率合成器。當(dāng)然 , 也可以通過減小濾波器帶寬的方式來抑制相位噪聲 , 但是 , 這樣會延長頻率合成器的調(diào)整時間。相 對于整數(shù)頻率合成器 , 小數(shù)頻率合成器有精度高、相位噪聲低、調(diào)整時間短 , 且參考信號泄漏小等優(yōu)點(diǎn)。到目前為止 , ΔΣ 小數(shù)頻率合成器是最成功的頻率合成器實現(xiàn)方式。 頻率合成器在國外已經(jīng)發(fā)展得比較成熟 , 形成了各種類型的鎖相式整數(shù)頻率合成器、鎖相式分?jǐn)?shù)頻率合成器、直接數(shù)字頻率合成器、雙環(huán)或多環(huán)鎖相式頻率合成器、 DDS與 PLL混合式頻率合成器等完整系列品種 , 滿足了通信、數(shù)字電視等領(lǐng)域的需要 , 形成了巨大的頻率合成器市場。頻率合成器的發(fā)展趨勢是頻率更高、系統(tǒng)功能更強(qiáng)、制作工藝更先進(jìn)、集成度更高、成本更低、功耗更低 、系列品種更加完善。雙環(huán)或多環(huán)鎖相式頻率合成器、 DDS與鎖相式混合的頻率合成器已經(jīng)實現(xiàn)單片集成。頻率合成器已經(jīng)與通信系統(tǒng)收發(fā)信機(jī)的射頻電路集鎖相式頻率合成器設(shè)計 3 成在一起 , 形成了集接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、頻率合成器于一體的 SOC芯片。 1． 2 鎖相技術(shù)的發(fā)展概況 30年代： 鎖相技術(shù)起源 ， 提出無線電調(diào)幅信號的鎖相同步檢波技術(shù)。 鎖相同步檢波器要求鎖相環(huán)路以輸入的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅波 vi 中，能輸出準(zhǔn)確跟蹤載波分量的等幅波 v0(t)而它們相位保持很小常數(shù)或零。將 v0(t)相移 π/2 后作為同步檢波的參考信號vr(t)，從而即可實現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅波的解調(diào)，實現(xiàn)檢波 。 40 年代： 電視技術(shù)得到迅速發(fā)展，電視接收機(jī)從行掃描振蕩器輸出中取出部分作反饋信號，和從同步分離器來的同步信號經(jīng)鑒相器進(jìn)行相位比較，得到相位誤差信號經(jīng)積分器得到控制信號，控制行掃描振蕩器，實現(xiàn)同步掃描。 50 年代： 隨空間技術(shù)的發(fā)展，由杰費(fèi) 里希廷利用 PLL 作為導(dǎo)彈信標(biāo)的跟蹤濾波器獲得成功，解決了 PLL最佳化設(shè)計問題。采用鎖相技術(shù)制作鎖相跟蹤接收機(jī)，實現(xiàn)將深埋在噪聲中的衛(wèi)星發(fā)射的信號檢測出來。 60 年代： 前半期，由于鎖相技術(shù)中的個別部件的制作費(fèi)用仍然十分昂貴，所以在使用范圍上仍然受到較大限制。由維特畢研究了 無噪聲鎖相環(huán)路的非線性理論問題，并發(fā)表了相干通信原理。后期開始相繼研制出集成鎖相環(huán)部件和單片集成鎖相環(huán)路。 70 年代： 由于半導(dǎo)體技術(shù)和集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，使鎖相技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用于電子技術(shù)領(lǐng)域。由林特費(fèi) 查里斯進(jìn)行了有噪聲的一階，二階及高階鎖相環(huán)的非線性理論析 ,并作了大量實驗論證分析。 1970 年 4 月 24 日我國發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星，把 東方紅 的樂曲傳遍了全球。 80— 90 年代： 鎖相環(huán)路理論與研究日臻完善，應(yīng)用范圍遍及整個電子技術(shù)領(lǐng)域，隨著通信及電子系統(tǒng)的飛速發(fā)展，促使集成鎖相環(huán)和數(shù)字鎖相環(huán)突飛猛進(jìn)，現(xiàn)在 品種齊全繁多，提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性和小型化，目前仍朝著集成化，數(shù)字化，多用化方向迅速發(fā)展。 1． 3 鎖相環(huán)路的工作特點(diǎn) 鎖相環(huán)路 (Phase Lock Loop， PLL)