頻率合成技術的發展概述

何偉

摘要：隨著現代電子技術的飛速發展，人們對頻率源的性能提出了更高的要求，頻率合成技術也隨之得以快速發展，本文介紹了自頻率合成技術理論形成以來的主要發展過程。

關鍵詞：頻率合成；鎖相環；直接數字頻率合成

1、引言

所謂頻率合成技術指的是由一個或者多個具有高穩定度和高精確度的參考頻率源，通過在某一頻段內的線性運算得到具有同樣特性的大量工作頻率點的技術，而完成這一功能的電路被稱為頻率合成器，簡稱為頻綜。頻率合成器是電子系統不可或缺的組成部分。頻率合成器是科研、教學實驗及各種工程電子測量技術中很重要的標準信號源，其應用范圍非常廣泛，尤其是在通信系統和雷達系統中，頻率合成器有著極為重要的作用。

2、頻率合成技術指標

頻率合成技術有各種技術指標，而其技術指標反映了頻率合成技術的優缺點，下面就對若干基本的技術指標加以介紹。

（l）頻率范圍。頻率合成器輸出的最大合成頻率fmax和最小合成頻率fmin決定了頻率范圍，通?？捎孟鄬拋砗饬款l率范圍。

（2）分辨率。頻率合成輸出的兩離散頻率點之間的最小間隔，即為輸出頻率的分辨率，不同場合的需要對頻率分辨率的要求也不同。

（3）切換時間。是指從一個頻率切換到另一個頻率達到穩定時，并且在其有效的相位誤差范圍內所需要的時間，切換時間與頻率合成器的電路形式密切相關。

（4）頻譜純度。是指輸出信號頻譜的純凈程度，通常以信號的相位噪聲和雜散分量來衡量頻譜純度。

（5）頻率穩定度與準確度。頻率穩定度是指輸出頻率在規定的時間內與標稱值間的偏差程度，由偏差程度可分為長期、短期和瞬時穩定度。頻率準確度是指實際頻率與標準頻率的誤差。頻率的穩定度與準確度密切相關的，因為只有在頻率穩定度足夠高的前提下，其相應的頻率準確度才有實際意義。

3、頻率合成技術的發展過程

頻率合成技術的理論起源于二十世紀30年代左右，至今己有八十多年的歷史。早期的頻綜是由一組晶振組成，需要多少個輸出頻點，由晶體的數目所決定。需要由人工來實現頻率切換，主要由晶體來決定頻率的準確度和穩定度，很少與電路有關?，F在這種頻率合成方式已經被非相干合成的方法所取代，盡管非相干合成同樣使用了晶體，但其工作方式是由少量晶體來產生多種頻率的。對比早期的頻率合成方式，非相干合成器不僅降低了成本，而且提高了所合成頻率的穩定性。但是研制這種由幾塊晶體所構成的晶振是一個非常復雜的過程，而且成本較高。因此隨著頻率合成技術的發展，相干合成法也就被科學家提了出來。

最初的相干合成法主要是直接頻率合成（Direct Frequency Synthesis簡稱DFS）。此合成方法是利用倍頻、分頻、混頻的方法對一個或幾個參考源頻率經過加、減、乘、除運算直接產生所需要頻率的方法。這種方法由于頻率轉化時間短，相位噪聲低等優點，因此在頻率合成領域也占有一定的地位，但由于所生成的頻率是采用大量的倍頻、分頻、混頻所得，使得直接式頻率合成器體積大、雜散多且難于抑制、結構復雜、成本及功耗高，故該DFS己基本被淘汰。

在DFS之后出現了間接頻率合成（Indirect Frequency Synthesis）。間接頻率合成主要是指鎖相環PLL（Phase-Locked Loop）頻率合成。此合成方法是把相位反饋和鎖相技術用于頻率合成中，這種合成方法具有輸出頻率高、相位噪聲低、抑制雜散好、成本低和易于集成等優點，因此在頻率合成領域占有一席之地。但是傳統PLL的頻率合成器由于采用閉環控制，因此輸出頻率改變后，要想重新達到穩定則所需的時間較長。所以PLL頻率合成器同時做到較高的頻率分辨率和較快的頻率切換時間是很困難的。

隨著數字技術的飛速發展，特別是集成電路集成度的快速上升，使得直接數字頻率合成（DDS）技術的實現成為可能。直接數字頻率合成是建立在采樣理論上，將信號波形以相位極小的間隔進行采樣，通過計算出信號波形對應于相應相位的幅值，從而形成一個，并將其存儲于DDS器件的波形存儲器（ROM）中。頻率的合成過程是利用數字方式對相位進行累加，而得到波形信號相應的相位值，按一定的幅度相位轉換算法在波形存儲器中查詢相位-幅度表得到信號在該時刻的離散數字序列，最后將信號通過DAC和低通濾波器形成模擬波形輸出的頻率合成技術。相比其他的頻率合成技術，DDS技術具有以下優點：

（1）頻率切換時間短

由于DDS的開環結構特點，使得頻率切換時間極短。因在時間上相位序列是離散的，則在頻率控制字改變之后，需經過一個時鐘周期之后才能按照新的相位增量進行累加，即頻率得以切換。由此可以看到頻率切換時間實際上就是頻率控制字的傳輸時間，即一個時鐘周期的時間。若fs越高，則頻率切換時間將越短，但是不可能小于門電路的傳輸延遲時間。目前專用DDS集成芯片的頻率切換時間可做到10ns的量級，這是常用的PLL頻率合成技術無法實現的。

（2）頻率分辨率高

DDS的最小輸出頻率△fomin=fs/2N，即為輸出頻率的最小

步進量，其中fs為時鐘參考頻率，N為相位累加器的位數。由此可知如果fs固定，則只要改變相位累加器的位數N，就可以很容易達到非常高的分辨率的，甚至得到μHz的頻率分辨率，而傳統的頻率合成技術要實現如此低的頻率分辨率是很難做到的。

（3）相位變化連續

DDS輸出頻率的變化實際上是相位增量的改變，即改變相位的增加速度。當頻率控制字變化后，由于相位函數的曲線是連續的，因此只是改變曲線的斜率，使得輸出信號的相位保持相應的連續性，這一點在很多對相位要求比較嚴格的頻率合成器使用中就顯得非常重要。

（4）輸出波形靈活

基于DDS的函數發生器的輸出波形靈活多樣，因為只要在波形ROM內存放相應的波形數據就可以生成正弦波、方波、三角波和鋸齒波等任意的波形。同時，若在DDS中對頻率、相位和幅度進行相應的控制，就可以實現調頻（FM）、調相（PM）和調幅（AM）功能。

（5）相位噪聲低和漂移小

DDS中輸出信號的頻率穩定度取決于參考時鐘源的頻率穩定度，且輸出信號的相位噪聲也是由參考時鐘源的相位噪聲所決定。由于在DDS系統中，通常是由固定的晶振來產生所需參考時鐘頻率，因此使輸出信號具有低相位噪聲和漂移小的特性。

（6）易集成、易于調整

直接數字頻率合成器中除了數模轉換器和濾波器之外，幾乎所有的部件都屬于數字器件，因此便于集成，且調整方便靈活，電路功耗低、體積小和高可靠性。

綜上所述，由于DDS具有高分辨率、極快的頻率切換速度、相位變化連續、相位噪聲低、擴展功能容易和全數字化便于集成等優點，因此在近年來得到了快速發展和廣泛應用。

4、結束語

頻率合成技術經歷了三代的發展過程，并朝著數字化、集成化和頻率轉換的高速化方向發展。而以DDS為代表的第三代頻率合成技術，隨著數字電子技術的不斷進步，將成為應用最廣泛的主流頻率合成技術。

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