[科普中國]-頻率合成

頻率合成是指由一個或多個頻率穩(wěn)定度和精確度很高的參考信號源通過頻率域的線性運算，產(chǎn)生具有同樣穩(wěn)定度和精確度的大量離散頻率的過程。

簡介頻率合成（頻率綜合，英文名稱：Frequency Synthesizer）是指由一個或多個頻率穩(wěn)定度和精確度很高的參考信號源通過頻率域的線性運算，產(chǎn)生具有同樣穩(wěn)定度和精確度的大量離散頻率的過程。1

實現(xiàn)頻率合成的電路叫頻率合成器，頻率合成器是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要組成部分。在通信、雷達和導航等設(shè)備中，頻率合成器既是發(fā)射機的激勵信號源，又是接收機的本地振蕩器；在電子對抗設(shè)備中，它可以作為干擾信號發(fā)生器；在測試設(shè)備中，可作為標準信號源，因此頻率合成器被人們稱為許多電子系統(tǒng)的“心臟”。

具體解釋實現(xiàn)頻率合成的裝置稱為頻率合成器。頻率合成器是一種振蕩源，僅需幾個高精度晶體振蕩器作為頻率標準，就能在某個頻段內(nèi)，按一定的頻率間隔產(chǎn)生各種不同頻率成分的振蕩。振蕩頻率的準確度和穩(wěn)定度取決于頻率標準。

頻率合成分為直接頻率合成和間接頻率合成。直接頻率合成是將晶體振蕩器的頻率輸出，通過混頻器、倍頻器和分頻器實現(xiàn)頻率的加、減、乘、除，產(chǎn)生大量頻率成分，這些頻率直接經(jīng)過頻率濾波器選頻，輸出穩(wěn)定頻率。這種方法的優(yōu)點是分辨率高、轉(zhuǎn)換時間短、頻段寬、相位抖動較小。缺點在于雜散頻率成分較多，容易出現(xiàn)干擾，而且設(shè)備大而復雜，成本高。間接頻率合成是指頻率輸出不是直接來自晶體振蕩器，而是來自于電壓控制振蕩器的頻率輸出。這種方法用鎖相環(huán)迫使電壓控制振蕩器的頻率鎖定在高穩(wěn)定的標準頻率上，由此獲得多個穩(wěn)定頻率，故此法又叫鎖相頻率合成。在這種方法中，來自晶體振蕩器的標準頻率，在鑒相器中同電壓控制振蕩器輸出信號的相位進行比較，鑒相器的輸出電壓經(jīng)低通濾波器加到VCO的壓控元件上，它隨時調(diào)整著壓控振蕩器的頻率，因此輸出頻率與晶體振蕩器的標準頻率有一定關(guān)系。間接頻率合成器具有體積小、成本低、相位噪聲小的優(yōu)點，但分辨率不高，頻率轉(zhuǎn)換時間也較長?，F(xiàn)代通信和測量設(shè)備中，主要采用間接頻率合成技術(shù)。

頻率合成技術(shù)的發(fā)展時間不長。早期是用多晶體直接合成。20世紀50年代出現(xiàn)了間接頻率合成技術(shù)，但頻段只局限于短波范圍。60年代中期，出現(xiàn)了數(shù)字鎖相式頻率合成器; 60年代后期，微波頻率合成技術(shù)又在通信設(shè)備中得到了應用。到了 80年代，頻率合成技術(shù)進入毫米波范圍。目前，頻率合成技術(shù)被廣泛地應用于通信、導航、雷達和各種測量中。

頻率合成技術(shù)實際的頻率合成設(shè)備通常采用以下三種技術(shù)：

1、直接數(shù)字式頻率技術(shù)，即DDS技術(shù)。優(yōu)點是響應快，缺點是成本高，且不能做到任意頻率的合成，主要用于軍事通信。

2、鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)，即PLL。優(yōu)點是成本低，可合成任意頻率，缺點是響應慢，主要用于民用設(shè)備。

3、DDS+PLL技術(shù)。結(jié)合上述兩者優(yōu)點，主要用在專業(yè)領(lǐng)域。

用一個或數(shù)個高頻率穩(wěn)定度的參考頻率源，產(chǎn)生多個與參考頻率穩(wěn)定度相同或接近的新頻率的技術(shù)。頻率合成技術(shù)不但能提高通信頻率和通信設(shè)備的穩(wěn)定度、準確度，而且還能滿足通信自動化對頻率可控和存儲的要求，以及抗干擾對快速跳頻的要求。

早期的頻率合成是用多晶體直接合成，以后發(fā)展成用一個高穩(wěn)定參考源來合成多個頻率。20世紀50年代出現(xiàn)了間接頻率合成技術(shù)。但在使用頻段上，直到50年代中期仍局限于短波范圍。60年代中期，帶有可變分頻的數(shù)字鎖相式頻率合成器問世。60年代后期，全晶體管化的微波頻率合成技術(shù)已應用于通信設(shè)備。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，新的全數(shù)字化的頻率合成技術(shù)得以實現(xiàn)。80年代頻率合成技術(shù)進入毫米波范圍。頻率合成技術(shù)廣泛用于通信、導航、雷達和測量等設(shè)備中。測量設(shè)備采用頻率合成技術(shù)能提高測量精度，并易于與微處理機相結(jié)合，實現(xiàn)測量的自動化。

頻率合成器頻率合成器是一種振蕩源，它僅需一個或數(shù)個高穩(wěn)定度的頻率參考源，就可產(chǎn)生多個與參考頻率穩(wěn)定度相同或接近的新頻率。

頻率合成器在通信設(shè)備中應用很多，它不但能提高通信頻率和設(shè)備的穩(wěn)定度、準確度，而且能滿足通信自動化對頻率可控和存儲的要求，以及抗干擾對快速跳頻的要求。另外，在遙控、遙測、無線電偵察和電子測量方面也得到了廣泛應用。

早期的頻率合成技術(shù)，多用晶體直接合成法，以后又發(fā)展成用一個高穩(wěn)定參考源來合成多個頻率。20世紀50年代出現(xiàn)了間接合成法，但在使用波段上，直到50年代中期仍只局限在短波范圍。60年代中期，帶有可變分頻的數(shù)字鎖相式頻率合成器問世。60年代后期又出現(xiàn)了全晶體管化的微波頻率合成技術(shù)。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，新的全數(shù)字化的頻率合成技術(shù)得以實現(xiàn)。到80年代，頻率合成已進入毫米波范圍。

頻率合成器的性能指標頻率合成器的性能需要一系列指標來表征，一般以下述基本指標衡量其優(yōu)劣：

（1）頻率范圍；

（2）頻率分辨力；

（3）頻率轉(zhuǎn)換時間；

（4）頻率準確度和穩(wěn)定度；

（5）頻譜純度；

（6）系列化、標準化及模塊化的可實現(xiàn)性；

（7）成本、體積及質(zhì)量。

分類用頻率合成技術(shù)制成的信號源稱為頻率合成器。頻率合成分為直接頻率合成和間接頻率合成。2

直接頻率合成用混頻器、倍頻器和分頻器實現(xiàn)頻率間的加、減、乘、除來產(chǎn)生新頻率，并靠濾波器選擇使信號純凈。圖1是直接合成式頻率合成器的原理圖，用插入除10的分頻器來獲得十進位。當開關(guān)S1、S2都在1位時,頻率合成器輸出頻率為

頻率合成 當開關(guān)S1、S2都在10位時，頻率合成器輸出頻率為

由此可知，頻率合成器的輸出頻段為0～9.9fr。fR是參考源頻率,n1、n2、m根據(jù)電路實現(xiàn)的可能和有利情況來選擇。直接合成的分辨率高，轉(zhuǎn)換時間短，頻段寬，相位噪聲小，但設(shè)備大而且復 雜，成本高。全數(shù)字化的直接合成利用計算機技術(shù)，其分辨率高，轉(zhuǎn)換速度可小到 1納秒，但最高頻率僅為參考源頻率的四分之一，而且還與所采用器件的轉(zhuǎn)換速度有關(guān)。

間接頻率合成用鎖相環(huán)迫使壓控振蕩器 (VCO)的頻率鎖定在高穩(wěn)定的參考頻率上，從而獲得多個穩(wěn)定頻率,故又稱鎖相式頻率合成。圖2是數(shù)字鎖相式頻率合成器的基本形式，它由壓控振蕩器、鑒相器、可變分頻器和環(huán)路濾波器組成。壓控振蕩器的輸出信號經(jīng)可變分頻器分頻后在鑒相器內(nèi)與參考信號比相。當壓控振蕩器發(fā)生頻率漂移時，鑒相器輸出的控制電壓也隨之變化，從而使壓控振蕩器頻率始終鎖定在N倍的參考頻率上。鎖定條件為因得 從上式可以看出，改變可變分頻器的分頻比n,便可改變頻率合成器的輸出頻率。在實用中為了提高分辨率，間接式頻率合成器常采用多個鎖相環(huán)的形式。間接頻率合成器的體積小、成本低、相位噪聲較小，但分辨率不甚高，頻率轉(zhuǎn)換時間較長,通常大于1毫秒。在通信和測量設(shè)備中，主要采用這種類型的合成技術(shù)。兩種頻率合成方案，均只采用一個參考頻率源，故可選用頻率標準作參考源，從而使頻率合成器獲得極高的頻率穩(wěn)定度。3

特點直接合成法的優(yōu)點是分辨率高、轉(zhuǎn)換時間短、頻移寬、相位噪聲小，但設(shè)備大而復雜、成本高。全數(shù)字化的直接合成器利用了現(xiàn)代的計算機技術(shù)，其分辨率高，頻率轉(zhuǎn)換速度可達1ns(10-9s)，但最高頻率只有參考源頻率的1/4，且與所采用的器件的轉(zhuǎn)換速度有關(guān)。4

間接頻率合成是指輸出信號不是直接來自晶體振蕩器，而是由一個壓控振蕩器(VCO) 的可變頻率被鎖相環(huán)鎖定在高穩(wěn)定的參考頻率上，而獲得多個穩(wěn)定頻率。間接合成法有脈沖控制鎖相環(huán)法和數(shù)字環(huán)法，前者的主要特點是晶體振蕩器的輸出經(jīng)脈沖形成器后得到一串重復頻率為fR的窄脈沖，再用這樣的窄脈沖通過鎖相環(huán)來控制壓控振蕩器，后者的主要特點是在鎖相環(huán)中用了一個數(shù)字式可變分頻器。

壓控振蕩器的輸出信號一路經(jīng)可變分頻器分頻后在鑒相器內(nèi)與參考信號比相，當壓控振蕩器發(fā)生頻率漂移時，鑒相器輸出的控制電壓隨之變化，從而將壓控振蕩器的頻率始終鎖定在某個值上，鎖定條件為fo/N=fR，則fo=NfR。

間接頻率合成器的特點是體積小、成本低、相位噪聲小，但分辨率不甚高，頻率轉(zhuǎn)移時間長 (一般>1ms)。在實際電路中為了提高分辨率，往往采用多個鎖相環(huán)。間接頻率合成器在通信和測量等電子設(shè)備中應用較多。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

李勇 - 副教授 - 西南大學