第9章 频率合成技术(1)直接与间接频率合成

摘要随着电子技术的不断发展,人们对频率源的要求越来越高,频率合成技术也跟着不断发展, 本文介绍了直接频率合成技术、间接频率合成技术和直接数字频率合成技术的基本原理以及用来进行频率合成的几种方法,根据各种方法的特点讨论了它们各自的优缺点.重点讨论了作为第三代频率合成技术(直接数字频率合成技术)的基本原理和误差分析,并结合其他频率合成技术,设计了一种高精度、高稳定度、高分辨率频率合成器.根据所提出的技术要求,采用直接数字频率合成芯片作为核心芯片完成了硬件设计.直接数字频率合成(DDS)技术用于产生和调节高质量波形，广泛用于医学、工业、仪器仪表、通信、国防等众多领域。

本文主要从五个方面介绍了频率合成器及应用。

首先讲述了频率合成器的研究背景和研究现状；其次介绍了频率合成技术的一些基本概念、分类、主要指标、基本方法以及长期频率稳定度和相位噪声；接着介绍了直接频率合成技术的原理和组成以及几个主要的组成电路；再次介绍了间接频率合成技术的基本组成和工作原理以及锁相环路的相位模型和动态方程；最后介绍了直接数字频率合成技术的基本原理、它的相位噪声和杂散以及它的一些芯片及其在铁路信号系统中的应用。

关键字：频率合成技术、IS、DDS、PLLABSTRACTAlong with the development of electrical and electronic technology, People to demand more and more frequency source,the synthetic technology of frequencywith continuous development.This paper introduces the direct frequency synthesis technology, Indirect frequency synthesis technology and direct digital frequency synthesis technology used for the basic principle and the synthesis methods offrequency, according to the characteristics of various methods discussed theirrespective advantages and disadvantages.A discussion on the third generation frequency as synthesis technology (direct digital frequency synthesis technology) the basic principle and the error analysis, and in combination with other frequency synthesis technology, design a kind of high precision, high stability, high resolution frequency synthesizer.According to the proposed technique requirements, use direct digital frequency synthesis chip as core chip completed the hardware design. Direct digital frequency synthesis (DDS) technology is used to produce and adjust the high quality waveform, widely used in medicine, industrial, instrument and apparatus, communication, national defense, etc.This paper mainly introduced from five aspects frequency synthesizer and application. First of all about frequency synthesizer background and the present situation of the research; Secondly introduces the synthesis technology of frequency some basic concept, classification, main index, the basic method and long-term frequency stability and phase noise; Then it introduces the principle of direct frequency synthesis technology and composition and several major component circuit; Again the indirect frequency synthesis technology introduced the basic composition and working principle and phase lock loop of the phase of the model and the dynamic equation; At last, the paper introduces the direct digital frequency synthesis technology, the basic principle of its phase noise and stray and some of its chip and its application in railway signal system.Key word: Frequency synthesis technology, IS, DDS, PLL目录第1章绪论 (1)1.1 频率合成器的研究背景 (1)1.2频率合成器的研究现状 (1)第2章频率合成技术 (3)2.1频率合成技术概述 (3)2.2频率合成器的主要指标 (3)2.3频率合成的基本方法 (5)2.4频率合成器的长期频率稳定度和相位噪声 (6)2.4.1长期频率稳定度 (6)2.4.2 相位噪声 (6)2.4.3噪声来源 (7)第3章直接频率合成（DS）技术 (8)3.1 直接频率合成器的基本原理和组成 (8)3.2直接频率合成器的几个主要组成电路 (9)3.2.1混频器 (9)3.2.2倍频器 (11)3.2.3分频器 (13)3.2.4压控振荡器 (14)3.2.5石英晶体振荡器 (15)第4章间接频率合成(IS)技术—锁相频率合成技术 (17)4.1 锁相环路的基本组成和工作原理 (17)4.1.1 锁相环路的基本组成 (17)4.1.2锁相环的基本原理 (18)4.2锁相环路的相位模型及动态方程 (20)4.2.1锁相基本方程和相位模型（时域） (20)4.2.2锁相基本方程和相位模型（复频域） (21)4.2.3锁相环路的工作状态 (21)第5章直接数字频率合成(DDS)技术 (24)5.1 直接数字频率合成的基本原理 (25)5.1.1 DDS技术与传统的频率合成相比有如下优点 (26)5.1.2 DDS组成及其特点 (27)5.2 直接数字频率合成的相位噪声和杂散 (28)5.2.1 直接数字频率合成的相位噪声 (28)5.2.2 直接数字频率合成的杂散分析 (29)5.2.3 降低杂散电平的方法 (29)5.3 集成直接数字频率合成器的芯片介绍和应用 (32)5.3.1集成直接数字频率合成器的芯片介绍 (32)5.3.2 DDS直接数字频率合成技术在铁路信号系统中的应用 (33)结束语 (36)致谢 (37)参考文献 (38)第1章绪论1.1频率合成器的研究背景频率合成（频率综合）是指由一个或多个频率稳定度和精确度很高的参考信号源通过频率域的线性运算，产生具有同样稳定度和精确度的大量离散频率的过程。

YANGTZE NORMAL UNIVERSITY
为了正确理解、使用与设计频率合成器， 为了正确理解、使用与设计频率合成器，首先 应对它提出合理的质量指标。 应对它提出合理的质量指标。频率合成器的使用场合 不同，对它的要求也不全相同。大体说来， 不同，对它的要求也不全相同。大体说来，有如下几 项主要技术指标：频率范围、频率间隔、 项主要技术指标：频率范围、频率间隔、频率稳定度 和准确度、频谱纯度（杂散输出或相位噪声）、 ）、频率 和准确度、频谱纯度（杂散输出或相位噪声）、频率 转换时间，等等。合成器的体积、重量、 转换时间，等等。合成器的体积、重量、功耗与成本 就是由这些指标决定的。 等，就是由这些指标决定的。 1) 频率范围 这是指频率合成器的工作频率范围， 这是指频率合成器的工作频率范围，视用途而 有短波、超短波、微波等频段。 定，有短波、超短波、微波等频段。
YANGTZE NORMAL UNIVERSITY
对一个正常工作的合成器来说，寄生调幅比较小， 对一个正常工作的合成器来说，寄生调幅比较小，危害不 可以略去；而寄生调相则是产生频谱不纯的主要因素。 大，可以略去；而寄生调相则是产生频谱不纯的主要因素。 (1) 正弦波调相的情形
θ (t) = θm cos ΩtNIVERSITY
∞ 1 T 2 θ = lim ∫ θn (t)dt = ∫ Φn (ω)dω 0 T →∞ T 0 vc (t) = Vcm cos[ωct +θ (t)] θn (t) <<1 _ 2 n
(2)
随机函数的情形
≈ Vcm cosωct −Vcmθn (t) sin ωct
无线电通信技术的迅速发展， 无线电通信技术的迅速发展，对振荡信号源的 要求在不断提高。 要求在不断提高。不但要求它的频率稳定度和准确度 而且要求能方便地改换频率。 高，而且要求能方便地改换频率。石英晶体振荡器的 频率稳定度和准确度是很高的，但改换频率不方便， 频率稳定度和准确度是很高的，但改换频率不方便， 只宜用于固定频率； 振荡器改换频率方便 振荡器改换频率方便， 只宜用于固定频率；LC振荡器改换频率方便，但频 率稳定度和准确度又不够高。 率稳定度和准确度又不够高。能不能设法将这两种振 荡器的特点结合起来，兼有频率稳定度与准确度高， 荡器的特点结合起来，兼有频率稳定度与准确度高， 而且改换频率方便的优点呢? 而且改换频率方便的优点呢 频率合成技术，就能满足上述要求。 频率合成技术，就能满足上述要求。

DDS应用举例---AD9852
AD9852的特性
.带 有 3 00MHz内部时钟; .可 输 出 FSK,BPSK,PSK,CHIRP,AM等信号; .带 有 两 个12位D/A转换器; . 100 MH z时具有80dBS FDR的动态性能; .内 含 4 x到20x可编程参考时钟倍频器; .带 有 两 个48位可编程频率寄存器和两个14位可编程相
(2)设置S/P SELECT,选择相应的接口模式。 (3) 写控制字,设置外部时钟更新、工作模式、
倍频指数等，发出外部更新时钟。 (4)写频率控制字,然后发出外部更新时钟,更
新AD9852内部控制寄存器。
电路板
No Image
No Image
三者性能比较
在频率合成（FS）技术发展的历史中，直接模 拟合成技术是早期使用的一种较为广泛的技术。直 接模拟合成利用倍频（乘法）、分频（除法）、混 频（加减法）和滤波技术，从一个或多个高稳定度 和精确度的参考频率源产生所需的频率。该方法的 优点是频率转换时间短（小于100ns），载频相位 噪声好等。但缺点是实现设备体积大、功耗大且易 产生过多的杂散分量，频谱纯度不高，合成的正弦 波的幅度、相位等参数难以控制。因此，直接模拟 合成已逐渐不再使用。
No Image
各部分的作用
参考时钟：由一个高稳定的晶体振荡器产生， 用它来同步整个合成器的各个组成部分；
相位累加器：完成相位的累加； 正弦/余弦转换：完成相位码——幅度码变换； DAC：将幅度代码转换成模拟电压； 低通滤波器：将阶梯波转换成所需模拟电压。
No Image
相位累加器组成
N 位
K
加 法
No Image
No Image
DDS的工作过程

电路中的频率合成与分解方法频率合成与分解是电路中的重要技术，它们被广泛应用于通信、无线电、音频处理等领域。

本文将介绍电路中常用的频率合成与分解方法，并探讨它们的原理和应用。

一、频率合成方法1. 直接合成法直接合成法是一种简单直接的合成方法，通过将不同频率的信号输入到混频器中，混频器将这些信号混合在一起，并输出合成后的频率信号。

这种方法适用于需要合成特定频率的场合，但在频率分辨率和相位噪声方面可能存在问题。

2. 锁相环合成法锁相环合成法是一种基于反馈的频率合成方法，它通过调节相位和频率来实现输入和输出信号的同步。

锁相环由相位比较器、低通滤波器、电压控制振荡器和分频器等组成，可以实现多种频率的合成。

3. 直接数字频率合成法直接数字频率合成法是一种采用数字信号处理技术的合成方法，它通过数字相位累加器和数字控制振荡器等组件，将输入的数字信号转换为相应频率的输出信号。

这种方法具有高分辨率、灵活性强的优点，适用于需要高精度和快速切换频率的应用。

二、频率分解方法1. 滤波器分解法滤波器分解法是一种常用的频率分解方法，它利用滤波器的频率选择性，将输入信号的不同频率分离出来。

根据需要可以选择低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等不同类型的滤波器进行频率分解。

2. 频谱分析法频谱分析法是一种基于信号频谱特性的分解方法，它通过将输入信号进行傅里叶变换，将信号的时域表示转换为频域表示。

通过观察频谱图可以获得信号的频率成分，并进行频率分解。

3. 相位锁定环分解法相位锁定环分解法是一种基于相位锁定环原理的频率分解方法，它利用相位比较器和低通滤波器等组件，将输入信号的频率分解为多个相位对应的分量。

这种方法适用于需要分析信号相位信息的应用场合。

结论频率合成与分解是电路设计和信号处理中的重要技术，通过不同的方法可以实现对信号频率进行合成和分解。

直接合成法、锁相环合成法和直接数字频率合成法是常用的频率合成方法，滤波器分解法、频谱分析法和相位锁定环分解法是常用的频率分解方法。