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间接式频率合成器(IS)
来源:武华科技   发布时间:2012-08-20  浏览数:2035    【收藏本页】

频率合成的历史

频率合成器被人们喻为众多电子系统的“心脏”。现代战争是争夺电子频谱控制权的战争。频率合成器产生电子频谱。在空间通信、雷达测量、遥测遥控、射电天文、无线电定位、卫星导航和数字通信等先进的电子系统中都需要有一个频率高度稳定的频率合成器。电子干扰使雷达、通信面临着新的挑战。通信在电子战中跳频体制成为一种重要的军事通信手段。跳频通信系统必须装备与跳频速度相适应的频率合成器。一个性能优良的频率合成器应同时具备输出相位噪声低、频率捷变速度快、输出频率范围宽和捷变频率点数多等特点。

率合成器一般可分为直接式、间接式(锁相式)、直接数字式和混合式。 频率合成理论大约是在30年代中期提出来。最初产生并进入实际应用的是直接频率合成技术。  

六十年代末七十年代初,相位反馈控制理论和模拟锁相技术的在频率合成领域里的应用,引发了频率合成技术发展史上的一次革命,相干间接合成理论就是这场革命的直接产物。随后数字化的锁相环路部件如数字鉴相器、数字可编程分频器等的出现及其在锁相频率合成技术中的应用标志着数字锁相频率合成技术得以形成。由于不断吸引和利用如吞脉冲计数器、小数分频器、多模分频器等数字技术发展的新成果,数字锁相频率合成技术已日益成熟。直接数字频率合成(DDS)的出现导致了频率合成领域的第二次革命。七十年代初,J.Tierney等人发表了关于直接数字频率合成的研究成果,第一次提出了DDS的概念。由于直接数字频率合成器(DDFS)具有相对带宽很宽、频率捷变速度很快、频率分辨率很高、输出相位连续、可输出宽带的正交信号、可编程和全数字化便于集成等优越性能,因此在短短的二十多年时间里得到了飞速的发展,DDS的应用也越来越广泛。


 

频率合成的基本概念

频率合成(Frequeney Synthesis)是指以一个或数个参考频率为基准,在某一频段内,综合产生并输出多个工作频率点的过程。基于这个原理制成的频率源称为频率合成器(Frequeney Synthesizer)。频率合成器按频率综合方法可分为直接合成式(Direct Synthesizer)和间接合成式(IndirectSynthesizer);从输出信号间的相位关系可分为相干源和非相干源。


 

间接式频率合成器(IS)的概念与原理

间接式频率合成器有模拟和数字两种,分别为模拟间接式频率合器和数字间接式频率合成器。

1. 模拟间接式频率合成

模拟间接式频率合成具有多种技术途径,分述如下:

a.注入锁相振荡源

将一个外来基准信号源注入到被锁振荡器时,被锁振荡器所产生振荡的相位和外来基准信号的相位之差保持恒定,称为注入锁相,它由五部分组成:1. 400MHz晶振倍频参考源。包括一级100MHz晶体振荡器,一级放大器,一级四倍器倍频器;2. 400MHz被锁振荡器;3. 400MHz四端环行器;4. 400MHz十倍频器。5. 400MHz锁定指示与失锁告警电路。

注入锁相是在400MHz振荡器上实现的。晶振倍频给出400MHz 30mW的注入功率。相位锁定时,振荡器输出600mW功,经十倍频器,得到4GHz30mW的微波功率输出。

注入锁相的原理是这样的:当频率为ωi参考源信号经环行器Ⅰ的1,2端注入到被锁振荡器时,调节振荡器的自由振荡频率ω0,使ω0趋近于ωi,从而使起始频差减小,当(锁定带宽)时,则振荡器的相位立即被参考源锁定。相位锁定后,振荡器的频率,这时振荡器具有和晶振级一样高的频稳度,并输出功率,经由环行器Ⅰ的2臂至环行器Ⅱ及十倍频器,得到高频率稳定度的微波功率输出。

注入锁相振荡源,实质上是用频率稳定度高的小功率晶振倍频参考源去稳定高频大功率振荡器的频率。注入锁相的方案在很大程度上受到直接频率合成方案的影响,噪声抑制性能差及不能可靠入锁是其缺点。

b. 模拟环路锁相源

如一4GHz模拟锁相环振荡源。该振荡源在400MHz构成锁相环路,环路包含400MHz鉴相器,无源比例积分滤波器和400MHz压控振荡器。

400MHz压控振荡器输出400mW功率。经十倍频后得到4GHz 30mW输出。

c. 取样锁相振荡源

取样锁相振荡源是模拟间接频率合成的一种。如一6GHz取样锁相振荡源其工作原理为:由100MHz晶振来的正弦信号,经脉冲形成电路,变成重复频率为100MHz的窄脉冲。100MHz窄脉冲作为参考信号,和1GHz的压控振荡器信号一起加到取样鉴相器,取样鉴相器输出的误差电压控制压控振荡器的输出频率,当压控振荡器的频率为100MHz的整数倍(这里为10倍)时,取样鉴相器输出直流误差电压,环路趋于稳定,达到相位锁定状态,压控振荡器输出和晶振参考源一样稳定的1GHz信号。该信号经六倍频后输出6GHz频率。比较器、积分器及直放构成扩捕电路。

2. 锁频环频率合成器

锁频环(FLL)提供了另一种间接频率合成方法。与PLL不同,FLL频率稳定度取决于鉴频器中的无源色散元件如谐振子或延迟线的相位稳定度。VCO的一部分输出加到鉴频器的输入端,VCO输出频率的变化被转换为电压的变化,该电压经放大、滤波送到VCO的压控端,从而使VCO的频率变化减小。FLL带内相噪取决于VCO的相噪、开环增益及环路部件的附加相噪。同模拟PLL类似,FLL的频率切换也是靠VCO的粗调电压使频率落入相位的捕捉带内来实现。

3. 数字锁相频率合成器

数字锁相频率合成器是以数字锁相环为基础构成的锁相频率合成器。应用数字鉴相器和可编程数字分频器是数字锁相频率合成器有别于模拟锁相频率合成器的主要特征。其中VCO频率锁相到参考源的谐波频率上,谐波次数等于数字分频器的分频比。

利用可编程分频器,使被合成的频率都有合适的分频比,可得到频率间隔相等的频率。除了鉴相是在参考频率及VCO的分谐波频率下完成外,这一锁相环的工作原理与模拟环路锁相振荡源的工作原理类似。用数字指令改变分频比以完成频率切换。具有鉴频功能的数字鉴相器输出与频率有关的误差电压经放大、滤波,使VCO的频率达到锁定。有些情况下,为了缩短频率切换时间,需要外加辅助扩捕电路。

由于使用了数字器件,数字锁相频率合成器的带内相位噪声受鉴频/鉴相器、数字分频器、参考源、环路放大器等多项累积噪声的限制,所以数字锁相频率合成器的相噪性能比模拟频率合成器的要差,一般被认为应用于对相噪要求不很高的场合。事实上,只要合理优化设计合成器方案,有效控制数字器件引入的噪声,数字锁相频率合成器的相位噪声完全可以做得很低。