（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）短波發(fā)射機(jī)高穩(wěn)頻率合成器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

武漢理t 大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 短波通信多年來被廣泛地用于政府、外交、軍事、航空、氣象、商業(yè)等部 門，用以傳送語言文字、圖像數(shù)據(jù)等信息。尤其在軍事及國家安全部門，它始 終是國家最可信賴的指揮手段之一。近年來，世界各國加緊了對短波通信的研 究，出現(xiàn)了許多新型的短波通信系統(tǒng)。但不論是何種設(shè)備，頻率合成器都占據(jù) 著短波通信設(shè)備中較為核心的一個(gè)地位。鑒于此原因，本論文對短波發(fā)射機(jī)高 穩(wěn)頻率合成器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了較為深入的研究。 隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)對頻率合成器提出的要求越來越高，低相 噪、高純度、高捷變速率及高分辨率的頻率合成器已經(jīng)成為當(dāng)今頻率合成技術(shù) 發(fā)展的主要趨勢。本文經(jīng)過對多種頻率合成技術(shù)的研究比較，最后，通過采用 d d s 專用芯片的實(shí)現(xiàn)方案來獲得高頻率穩(wěn)定度、低相噪、低雜散的頻率源，為 了達(dá)到更好的輸出效果，方案中采用高穩(wěn)定晶體振蕩器電路為d d s 模塊提供參 考時(shí)鐘源，另外還給出了跟蹤濾波器的設(shè)計(jì)。該方案不論是在技術(shù)上還是在一 些具體模塊電路的實(shí)現(xiàn)上都有一定的創(chuàng)新與獨(dú)到之處。 本文首先介紹了課題的研究背景和研究意義。接著介紹了頻率合成的概念、 發(fā)展，并分別討論了p l l 頻率合成和直接數(shù)字頻率合成技術(shù)各自的特點(diǎn)和差異， 對頻譜特性、雜散等特性進(jìn)行了理論分析。然后根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)合理地采用了直 接數(shù)字頻率合成技術(shù)。整個(gè)系統(tǒng)以基于d d s 專用芯片a d 9 9 5 3 的信號發(fā)生器為 核心，單片機(jī)為控制器、加上采用高穩(wěn)定晶體振蕩器和實(shí)用的跟蹤濾波器，保 證了整個(gè)頻率合成系統(tǒng)的高精度、高頻帶范圍和高頻譜純度。論文中詳細(xì)分析 了頻率合成器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軟硬件設(shè)計(jì)和具體電路實(shí)現(xiàn)。最后完成實(shí)驗(yàn)電路板 的制作，電路的調(diào)試工作，對輸出信號頻譜進(jìn)行了分析并給出硬件實(shí)物照片和 測試結(jié)果及相關(guān)分析。 關(guān)鍵詞：短波發(fā)射機(jī)，d d s ，頻率穩(wěn)定度，跟蹤濾波器 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t s h o r t w a v ec o m m u n i c a t i o nf o rm a n yy e a r si sw i d e l ya p p l i e dt ot h eg o v e r n m e n t ， t h ed i p l o m a t i c ，t h em i l i t a r y , t h ea v i a t i o n ，t h ew e a t h e r , t h eb u s i n e s sa n ds oo n ， t r a n s m i t t i n gt h ei n f o r m a t i o ns u c h a l ss p e e c h ，l e t t e r s ，i m a g e sa n dd a t a m o r et h a n m a t ，i ti so n eo ft h em o s tr e l i a b l em e t h o d so nm i l i t a r yc o m m a n da n dn a t i o n a ls e c u r i t y s e c t o r i nr e c e n ty e a r s ，c o u n t r i e sa r o u n dt h ew o r l ds t e p p e du pt h es h o r tw a v e c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h ，a n dm a n yn e ws h o r t w a v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a v e a p p e a r e d b u tn om a t t e rw h a tk i n do fe q u i p m e n t ，f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r sp l a y sac o r e r o l e i ns h o r t - w a v ec o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t f o rt h i sr e a s o n ，t h ep a p e rd o e sa i n - d e p t hr e s e a r c ho nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fh i 曲s t a b i l i t yf r e q u e n c y s y n t h e s i z e ro ns h o n - w a v e t r a n s m i r e r w i mt h ed e v e l o p m e n to fm o d e mc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s ，f r e q u e n c y s y n t h e s i z e ri sr e q u i r e d t oh a v eh i 【g h e rp e r f o r m a n c ea n dl o ws p u r i o u sl e v e l ，p u r e o u t p u ts p e c t r u m ，f a s tf r e q u e n c ys w i t c h i n gs p e e da n dh i g h r e s o l u t i o na g i l ef r e q u e n c y s y n t h e s i z e rf r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n o l o g y h a sb e c o m et h em a i nt r e n do f d e v e l o p m e n t a f t e rc o m p a r i n gk i n d so ft e c h n i q u eo ff r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , f i n a l l t h ep a p e rc h o o s et h ed d sa s i ci m p l e m e n t a t i o ns c h e m et oo b t a i nh i g hf r e q u e n c y s t a b i l i t y , l o wp h a s en o i s e ，l o ws p u r i o u sf r e q u e n c ys o u r c e ，i no r d e rt oa c h i e v eb e t t e r o u t p u t ，i tu s e sh i 曲s t a b i l i t yc r y s t a lo s c i l l a t o rc i r c u i tf o rt h ed d s m o d u l ep r o v i d e st h e r e f e r e n c ec l o c ks o u r c e ，t h ed e s i g no ft r a c k i n gf i l t e ra l s oi sg i v e d t h es c h e m ei s i n n o v a t i v ea n do r i g i n a ln o to n l yi nt h et e c h n o l o g yb u ta l s oi ns o m em o d u l ec i r c u i t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et o p i co ft h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e t h e ni n t r o d u c e st h es y n t h e s i z e r sc o n c e p t ，d e v d o p m e n 4a n dd i s c u s s e sap l l f r e q u e n c ys y n t h e s i sa n d d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n o l o g ya n dd i f f e r e n c e s i nm e i rc h a r a c t e r i s t i c s ，i ta l s oh a sc a r r i e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i st ot h ef r e q u e n c y s p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i ca n ds p u r i o u ss u p p r e s s i o nc h a r a c t e r i s t i c t h e na c c o r d i n g t ot h e t a r g e ts y s t e m ，t h ep a p e rr e a s o n a b l ec h o o s e st h ed i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s t h e w h o l es y s t e mt a k e ss i g n a lg e n e r a t o rb a s e do nd d sa s i ca d 9 9 5 3 嬲t h ec o r e ，s i n g l e i i 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 c h i pa sc o n t r o l l e r , c o u p l e dw i t hh i g hs t a b i l i t yc r y s t a lo s c i l l a t o ra n dp r a c t i c a lt r a c k i n g f i l t e rt oe n s u r eh i g ha c c u r a c y , h i g hf r e q u e n c yb a n dr a n g ea n dh i g hs p e c t r a lp u r i t y p a p e rad e t a i l e da n a l y s i so ft h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e rs y s t e ma r c h i t e c t u r e ，h a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g na n dt h es p e c i f i cc i r c u i t 。f i n a lc o m p l e t i o no ft h ep i l o tc i r c u i t b o a r dm a n u f a c t u r e ，c i r c u i td e b u g ，t h eo u t p u ts i g n a ls p e c t r u mw a sa n a l y z e d ，t h e p h y s i c a lh a r d w a r e ，p h o t o sa n d t e s tr e s u l t sa n dr e l a t e da n a l y s i si sp r o p o s e d k e yw o r d s ：s h o r t w a v et r a n s m i t t e r , d d s ，f r e q u e n c ys t a b i l i t y , t r a c k i n gf i l t e r 1 i i 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及 取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外， 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得 武漢理工大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一 同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說 明并表示了謝意。 簽名：齟日期：址：衛(wèi)形 學(xué)位論文使用授權(quán)書 本人完全了解武漢理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即： 學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)武漢理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的 全部內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制 手段保存或匯編本學(xué)位論文。同時(shí)授權(quán)經(jīng)武漢理工大學(xué)認(rèn)可的國家有 關(guān)機(jī)構(gòu)或論文數(shù)據(jù)庫使用或收錄本學(xué)位論文，并向社會公眾提供信息 服務(wù)。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 研究生( 簽名) 黃妻口閂 導(dǎo)師( 簽名) 髓怖日期加n 6 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第1 章緒論 1 1 短波通信技術(shù)的發(fā)展和研究背景 按照國際無線電咨詢委員會的劃分，短波是指波長在l o 至1 0 0 米，頻率為3 兆赫茲至3 0 兆赫茲的電磁波。利用短波進(jìn)行的通信稱為短波通信，也稱高頻通 信。實(shí)際上，為充分利用好短波近距離通信的優(yōu)點(diǎn)，短波通信實(shí)際上使用的頻 率范圍為1 5 兆赫茲至3 0 兆赫茲【l 】。 自從上世紀(jì)2 0 年代初短波被發(fā)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信以來，短波通信迅猛 發(fā)展，一躍成為世界各國中、遠(yuǎn)程通信的主要手段，在各行各業(yè)中，被用以傳 送電報(bào)和傳真、低速數(shù)據(jù)、語音及圖像等信息。衛(wèi)星通信出現(xiàn)以前，短波在軍 事通信、國際通信、防汛救災(zāi)以及海難救援等方面發(fā)揮了獨(dú)特的重要作用。 與衛(wèi)星、地面微波、同軸電纜和光纜等通信手段相比，短波通信有著它顯 著的優(yōu)點(diǎn)：不需要建立中繼站即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，不但建設(shè)周期短，還減 少了建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用；設(shè)備簡單，既可以固定設(shè)置進(jìn)行定點(diǎn)固定通信，還可 以背負(fù)或裝入車輛、艦船及飛行器中進(jìn)行移動通信；電路調(diào)度容易并且臨時(shí) 組網(wǎng)方便、迅速，具有極大的靈活性；抗毀滅能力強(qiáng)。通信設(shè)備的體積小， 極容易隱蔽，便于改變工作頻率，且破壞后容易恢復(fù)【2 】。 這些都是短波通信被長期保留，至今仍然受到全世界普遍重視的主要原因。 然而，短波通信也存在一些明顯的缺點(diǎn)：可使用的頻段窄，容量小。信號 傳輸?shù)姆€(wěn)定性差。噪聲干擾嚴(yán)重。這些問題的存在，使得它不能夠滿足人們 日益增長的對數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的需求，極大地限制了短波通信技術(shù)的發(fā)展。2 0 世 紀(jì)6 0 年代衛(wèi)星通信興起，由于與短波通信相比，衛(wèi)星通信具有信道穩(wěn)定、可 靠性高、通信質(zhì)量好以及通信容量大等諸多優(yōu)點(diǎn)，短波通信受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。很 多原屬短波通信的一些重要業(yè)務(wù)，逐漸被衛(wèi)星通信所取代，各國對它的投入開 始急劇減少，其地位也隨之大為降低，短波通信的發(fā)展進(jìn)入低潮。至7 0 年代后 期，有人甚至開始懷疑短波通信存在的價(jià)值，認(rèn)為短波通信已經(jīng)完成了它的歷 史使命。 然而，實(shí)踐證明，衛(wèi)星通信的初建費(fèi)用昂貴、靈活性也有限。事實(shí)上，它 武漢理1 ：大學(xué)碩七學(xué)位論文 并不能滿足所有情況下的用戶需要，另外一個(gè)事實(shí)是并不是所有的用戶都需要 寬帶線路。此外，一旦發(fā)生戰(zhàn)爭，衛(wèi)星容易遭受敵方攻擊，衛(wèi)星通信的信道也 不易抵御敵方的電磁干擾。而與此相比，短波通信不僅成本低廉、容易實(shí)現(xiàn)且 使用靈活，更重要的是它有電離層這個(gè)天然的不易被摧毀的中繼系統(tǒng)。衛(wèi)星中 繼系統(tǒng)可能發(fā)生故障或被摧毀，但是電離層這個(gè)中繼系統(tǒng)，除非是高空原子彈 爆炸才可能使它中斷，何況就算是高空原子彈爆炸，那也僅僅是在有限的電離 層區(qū)域內(nèi)，電離密度短時(shí)間地受到影響而已。事實(shí)上，從上世紀(jì)7 0 年代末開始， 短波通信又重新開始受到重視，許多國家加大了對短波通信技術(shù)的研究和開發(fā) 的力度，陸續(xù)推出了一些性能相當(dāng)優(yōu)良的新型設(shè)備和系統(tǒng)。短波通信除了在軍 事領(lǐng)域具有突出的地位外，在民用通信的某些領(lǐng)域，短波通信的應(yīng)用也顯出良 好的發(fā)展趨勢。特別是近些年來，人們在短波通信設(shè)備中大量采用了像數(shù)字信 號處理技術(shù)、跳頻技術(shù)、自適應(yīng)技術(shù)以及高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等新技術(shù)，使短波 通信很好地彌補(bǔ)了它的缺點(diǎn)，極大地提高著短波通信的質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩?增加了許多新的業(yè)務(wù)功能。新技術(shù)還使短波通信的設(shè)備更加小型化、操作使用 更加靈活方便，進(jìn)一步地發(fā)揮了短波通信設(shè)備簡單、造價(jià)低廉以及機(jī)動靈活等 固有的優(yōu)點(diǎn)。短波通信東山再起，又重新煥發(fā)了青春。 短波通信重新引起了世界各國的高度重視，諸多機(jī)構(gòu)都在不遺余力地對它 進(jìn)行研究。對于中國這樣的大國，無疑，短波通信技術(shù)的研究，意義非凡。 1 2 相關(guān)領(lǐng)域國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。 1 9 9 1 年1 0 月美國國防部制定了“s p e a k e a s y 計(jì)劃，目的是研制出一個(gè)波形可 編程、多頻段、多模式的電臺能夠處理各種調(diào)制方式的信號：能夠兼容不同頻 段的電臺、通信制式、語音速率、加密方法、編碼方式和組網(wǎng)方式都能夠通過 可編程軟件實(shí)現(xiàn)【3 】，并于1 9 9 6 年9 月成功研制出了電臺的樣機(jī)。 歐洲正在進(jìn)行的a c t s f i r s t 項(xiàng)目和美國r u t g e r s 大學(xué)的研究計(jì)劃中已 利用軟件無線電的思想進(jìn)行了3 g 系統(tǒng)的針對性研究”】。還有南非的g r i n d 公司 開發(fā)的t r 6 0 0 型數(shù)字電臺，以及美國哈里斯公司研制的a n v r c 9 4 ( e ) 型車 載通信機(jī)和馬格納泛斯克公司的a n g r c 2 0 6 ( v ) 型數(shù)字電臺，另外，還包括 美軍方設(shè)計(jì)的新一代作戰(zhàn)用衛(wèi)星通信終端等都已應(yīng)用了軟件無線電思想進(jìn)行系 統(tǒng)開發(fā)。 國內(nèi)也研制出了一些短波產(chǎn)品，如北京萬瑞公司于2 0 0 8 年推出的w r - g 3 0 3 i 2 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 是世界上第一部專用于短波的插卡式p c 接收機(jī)( p c i 總線) ，可運(yùn)行在個(gè)人計(jì)算 機(jī)上，完全用軟件處理末級中頻和全方位式解調(diào)的商用接收機(jī)；陜西烽火也研 制出了x d d 1 1 g 型短波跳頻自適應(yīng)電臺、x d d 1 2 b 型短波數(shù)字化抗干擾電臺 和x d d 1 8 型手持式短波電臺，它們均采用了先進(jìn)數(shù)字信號處理( d s p ) 及微機(jī) 控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動控制通信、自動選擇最佳信道、自適應(yīng)鏈路建立( a l e ) 、 跳頻通信等功能，具有收發(fā)短信、有線遙控和d s p 軟件在線加載功能。但是與 國外的產(chǎn)品相比，它們在性能指標(biāo)上仍然存在著差距。 1 3 短波發(fā)射機(jī)高穩(wěn)頻率合成器的主要技術(shù)指標(biāo) 頻率范圍：1 5 m h z 3 0 m h z ； 頻率間隔：l o h z ； 雜散抑制指標(biāo)： 5 6 d b ； 頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于lx 1 0 。7 每周； 優(yōu)于lx l o 。8 每秒； 1 4 本論文主要工作及基本框架 本論文著注于短波發(fā)射機(jī)部分。 對現(xiàn)代短波單邊帶發(fā)射機(jī)，為了在整個(gè)短波波段內(nèi)獲得高穩(wěn)定的載波頻率， 頻率源應(yīng)采用頻率合成技術(shù)。頻率合成器在短波發(fā)射機(jī)內(nèi)占有著相當(dāng)重要的地 位。頻率合成器頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度指標(biāo)達(dá)不到要求將導(dǎo)致通信系統(tǒng)的性 能下降，嚴(yán)重時(shí)甚至使通信中斷，很多大功率單邊帶發(fā)射機(jī)的頻率合成器的頻 率標(biāo)準(zhǔn)要求是很高的。 本論文的主要工作是結(jié)合新一代的高性能芯片設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu) 良的短波發(fā)射機(jī)高穩(wěn)頻率合成器。整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)控制、d d s 專用芯片 a d 9 9 5 3 為核心，并配以跟蹤濾波器電路、寬帶緩沖放大電路和高穩(wěn)定晶體振蕩 器電路，組成一個(gè)功能齊全的短波發(fā)射機(jī)高穩(wěn)頻率合成器。 本文的主要工作如下： 根據(jù)課題要求，深入分析比較了多種頻率合成技術(shù)，并最終得出本課題 的方案。 熟悉所選擇的各集成電路芯片并完成d d s 單元電路的設(shè)計(jì)，跟蹤濾波器 武漢理工人學(xué)碩七學(xué)位論文 單元電路的設(shè)計(jì)、寬帶緩沖放大器單元電路的設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)單元電路的設(shè)計(jì) 和高穩(wěn)定晶體振蕩器電路的設(shè)計(jì)。 完成p c b 板制作調(diào)試，并對各單元電路和整機(jī)系統(tǒng)電路進(jìn)行了測試，并 對測試結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)的分析。 各章節(jié)內(nèi)容安排如下： 第l 章首先介紹了短波通信技術(shù)的發(fā)展和本課題的研究背景、國內(nèi)外現(xiàn)狀 和本論文的主要工作。 第2 章介紹了頻率合成技術(shù)，包括鎖相頻率合成技術(shù)和直接數(shù)字頻率合成 技術(shù)，比較了各種技術(shù)方案的特性特點(diǎn)并最終選取本文的頻率合成方案。 第3 章主要完成了短波發(fā)射機(jī)高穩(wěn)頻率合成器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。包括d d s 單 元電路、跟蹤濾波器單元電路、寬帶緩沖放大單元電路和控制單元電路的設(shè)計(jì) 與印制板的實(shí)現(xiàn)。 第4 章主要完成了高穩(wěn)定晶體振蕩器電路設(shè)計(jì)，包括原理分析、具體設(shè)計(jì) 過程分析和印制板的實(shí)現(xiàn)。 第5 章主要完成了對系統(tǒng)的測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行了分析。 第6 章主要是總結(jié)本論文的工作，指出其中的不足之處，并對發(fā)展趨勢提 出展望。 4 武漢理t 大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1 概述 第2 章頻率合成技術(shù) 所謂頻率合成，是指從一個(gè)或多個(gè)高穩(wěn)定、高精度的參考頻率，經(jīng)過各種 運(yùn)算和技術(shù)處理，生成大量離散頻率的過程【5 】。隨著頻率合成技術(shù)的發(fā)展，頻率 合成的處理方法，可以是傳統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)辦法，可以是鎖相技術(shù)，還可以是各 種數(shù)字技術(shù)和計(jì)算技術(shù)。頻率合成的參考頻率可由高穩(wěn)定的參考振蕩器產(chǎn)生。 頻率合成所產(chǎn)生的一系列離散頻率與參考頻率有嚴(yán)格的比例關(guān)系，且具有同樣 的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度。 頻率合成技術(shù)起源于二十世紀(jì)三十年代，至今己有近七十多年的歷史，依 次經(jīng)過了傳統(tǒng)的l c 振蕩器、直接頻率合成、鎖相環(huán)頻率合成、直接數(shù)字頻率合 成( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ，d d s ) 技術(shù)【5 】。早期的頻率合成技術(shù)因?yàn)橹T多缺陷， 不利于推廣。鎖相頻率合成經(jīng)過7 0 多年的發(fā)展，無論是鎖相壞還是p l l 頻率合 成技術(shù)的理論都已相當(dāng)成熟，鎖相頻率合成系統(tǒng)的雜散性能較好，系統(tǒng)相位噪 聲性能較好，再加上集成鎖相頻率合成芯片的性能越來越優(yōu)良但價(jià)格卻越來越 低，使得在頻率合成系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，p l l 頻率合成技術(shù)仍屬于首選方案之一。直 接數(shù)字頻率合成技術(shù)是近二十年新興的一種頻率合成技術(shù)，它具有分辨率高、 切換速度快、相位連續(xù)等系列優(yōu)點(diǎn)。d d s 技術(shù)的飛速發(fā)展，讓它在頻率轉(zhuǎn)換 時(shí)間、相位連續(xù)性、高分辨率、正交輸出以及集成化等一系列性能指標(biāo)方面， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)的水平。由于d d s 技術(shù)具有諸多顯著的優(yōu)點(diǎn)，使 得它在通信領(lǐng)域如移動通信、數(shù)字調(diào)制以及擴(kuò)頻通信等方面得到了極廣泛使用。 頻率合成器的使用場合不同，對它的指標(biāo)要求也不全相同。不過，大體上， 頻率合成技術(shù)都有如下幾項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)：輸出頻率范圍、頻譜純度、頻率穩(wěn) 定度、頻率間隔、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間等。在方案選取和設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重從這幾方面 進(jìn)行考慮。 2 2 鎖相頻率合成技術(shù) 鎖相環(huán)是一個(gè)閉環(huán)的跟蹤系統(tǒng)，它能夠跟蹤輸入信號的相位和頻率1 6 1 。 武漢理工人學(xué)碩七學(xué)位論文 鎖相環(huán)具有廣泛的用途，當(dāng)中一個(gè)重要的應(yīng)用方向就是利用高穩(wěn)定的參考 振蕩器作系統(tǒng)時(shí)鐘，通過環(huán)路鎖定以提供一系列高純度、高穩(wěn)定度頻譜的頻率 源，即鎖相頻率合成【7 1 。 圖2 1 是基本的p l l 頻率合成框圖。 圖2 1 基本p l l 頻率合成器 當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，有：z = f o ，即輸出頻率是參考頻率的倍：f o = 彳。 這是組成鎖相頻率合成的一種最簡便的方法，但這種方法在實(shí)際應(yīng)用中存在著 一些問題。其中之一是，可編程分頻器的最高工作頻率往往要比合成器所需的 工作頻率低許多，如上圖那樣將壓控振蕩器的輸出直接加到可編程分頻器上是 不行的。另外，鎖相頻率合成的頻率分辨率決定于z ，輸出頻率只能夠按照z 的 增量來變化。要提高合成頻率的分辨率就得減小參考頻率石，而這與轉(zhuǎn)換時(shí)間 的要求是相矛盾的。根據(jù)工程中的經(jīng)驗(yàn)公式： 9 氣 乃= 等 ( 2 1 ) jt 本節(jié)圍繞鎖相頻率合成介紹了鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)、工作原理，并對其主要特性 作了簡要分析。 2 2 1 鎖相環(huán)路的工作原理和基本結(jié)構(gòu) p l l 是一個(gè)閉環(huán)的相位控制系統(tǒng)，可分為模擬鎖相環(huán)和數(shù)字鎖相環(huán)，它們 都包括三個(gè)基本的組成部分：鑒相器( p d ) 、環(huán)路濾波器( l f ) 和壓控振蕩器( v c o ) 【8 1 。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2 2 示，下面以模擬鎖相環(huán)為例簡要介紹各個(gè)組成部分的原 理。 6 武漢理下大學(xué)碩士學(xué)位論文 色 一i ， 毪( 易 ( 1 ) 鑒相器 圉，竺 簍蘭蘭n 焉 圖2 2 鎖相環(huán)的基本組成框圖 鑒相器數(shù)學(xué)模型如圖2 3 所示。它是一個(gè)相位比較裝置，其核心為乘法器。 鑒相器將系統(tǒng)輸入信號( f ) 與系統(tǒng)輸出信號( t ) 的相位進(jìn)行比較，根據(jù)兩信 jl 屹 以 兀。 沙 r 呼 圖2 - 3 鑒相器的數(shù)學(xué)模型 號的相位差，產(chǎn)生一對應(yīng)的誤差電壓( t ) ，從而實(shí)現(xiàn)相位到電壓的轉(zhuǎn)換。 ( 2 ) 環(huán)路濾波器 環(huán)路濾波器是一種線性電路，由電阻、電容、運(yùn)算放大器等組成。環(huán)路濾波 器具有十分重要的作用，它能改善控制電壓的頻譜純度，很好地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定 度，更重要的是它對環(huán)路參數(shù)的調(diào)整起著決定性的作用，直接影響著輸出信號的 穩(wěn)定度、頻譜純度和鎖定時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)。帶寬、直流增益和高頻增益是環(huán)路濾 波器的三大主要指標(biāo)，由濾波器的時(shí)間常數(shù)和濾波器的類型共同決定f 9 】。 ( 3 ) 壓控振蕩器 壓控振蕩器是一個(gè)將電壓變換為相應(yīng)頻率的一種裝置，是在環(huán)路中受控制 電壓控制的被控振蕩器。圖2 - 4 是v c o 的控制曲線。其振蕩頻率隨輸入電壓( t ) 線性變化，變換關(guān)系為： q ( t ) = 吃+ k “。( f ) ( 2 2 ) 7 武漢理工大學(xué)碩七學(xué)位論文 配jl 礦 - 0 7 u ， 圖2 4v c o 控制曲線 式中q ( f ) 是壓控振蕩器的瞬時(shí)角頻率，k 是壓控靈敏度，單位是【刪j ，】。 在實(shí)際應(yīng)用中，壓控振蕩器的控制特性的線性控制范圍有限，超出這個(gè)范圍壓 控靈敏度會下降。 2 2 2 鎖相環(huán)路的特性分析 跟蹤特性 在前面的分析中，我們都是假設(shè)包( f ) 很小，滿足線性模型的條件。在此給 出如下結(jié)論： a 、鎖定時(shí)的穩(wěn)態(tài)相差 理想二階環(huán)穩(wěn)態(tài)時(shí)的相差為包( ) = a r c s i n 等。 b 、同步帶緲 由前面的分析可知，理想二階環(huán)的穩(wěn)態(tài)相差為零。也就是說，在鎖定條件 下，緩慢加大固有頻差，直至眈達(dá)到無限大，可導(dǎo)出環(huán)路的同步帶為無限大， 即彩= o o ，事實(shí)上，這是不可能的。因?yàn)関 c o 是有一定的壓控范圍的，其最 大頻偏總是有限的，另外環(huán)路濾波器的線性工作范圍也不是無限大。因此同步 帶往往受限于壓控振蕩器的控制范圍。即a o j = k ，其中k = 疋，是環(huán)路增 益。 捕捉特性 鎖相環(huán)在開機(jī)、換頻( 由開環(huán)到閉環(huán)) 開始的一段時(shí)間，環(huán)路總是失鎖的。 因此環(huán)路有一個(gè)從失鎖到鎖定的過程。通常稱這個(gè)過程為環(huán)路的捕獲過程。 a 、捕獲過程 武漢理1 ：大學(xué)碩士學(xué)位論文 捕獲帶是指保證環(huán)路必須進(jìn)入鎖定的最大固有頻率差，記為國，?？觳稁?是指保證環(huán)路只有相位捕獲個(gè)過程的最大固有頻差，記為吼。在二階環(huán)中， 當(dāng)吃 a c o ，時(shí)，會產(chǎn)生穩(wěn)定的差拍狀態(tài)，環(huán)路不能被鎖定；當(dāng)吃吼時(shí)， 環(huán)路可以鎖定，但在入鎖之前只有相位捕獲這一個(gè)過程；當(dāng)吼 噥q 時(shí)， 壓控振蕩器的頻率將逐漸被牽引向輸入頻率靠攏，經(jīng)過一段時(shí)間以后，當(dāng)平均 頻差d i2 ( f ) i d r 減小到進(jìn)入快捕帶時(shí)，頻率捕獲過程即告結(jié)束，達(dá)到鎖定狀態(tài)。 b 、捕獲時(shí)間 頻率捕獲時(shí)間就是頻率捕獲所需要的時(shí)間。相位捕獲時(shí)間( 或快捕時(shí)間) 就是相位捕獲所需要的時(shí)間。一般所說的捕獲時(shí)間，是指頻率捕獲時(shí)間。通常 頻率捕獲時(shí)間總是遠(yuǎn)大于相位捕獲時(shí)間。 噪聲特性 在鎖相環(huán)的實(shí)際工作中，噪聲是客觀存在的。各種噪聲和干擾的影響會因 鎖相環(huán)應(yīng)用場合的不同而不同，本文僅討論鎖相環(huán)用于頻率合成器當(dāng)中時(shí)，噪 聲和干擾對系統(tǒng)的影響。一般來說，噪聲分為輸入噪聲和內(nèi)部噪聲，以及在鎖 相環(huán)路各單元部件中，存在著的隨機(jī)噪聲。這些噪聲與干擾會增加環(huán)路捕獲的 難度而使壞路輸出相位隨機(jī)抖動【l o 】。當(dāng)環(huán)路用于頻率合成器當(dāng)中時(shí)，則會產(chǎn)生 輸出相位噪聲，使輸出信號頻譜不純，短期頻率穩(wěn)定度變差。 a 、環(huán)路對各類噪聲與干擾的線性過濾 為了簡化分析，設(shè)在基本環(huán)路中，存在著三個(gè)主要的噪聲源。圖2 5 是它的 噪聲與干擾的環(huán)路線性相位模型【l 。 包( f ) + - 或，( f ) 【，p d ( f ) 眈，( f ) 圖2 5 帶有噪聲源的環(huán)路相位模型 其中，幺，( t ) 是輸入白高斯噪聲形成的等效輸入相位噪聲：( t ) 是輸出諧 波或鑒相器本身的輸出噪聲電壓；幺，( t ) 是壓控振蕩器內(nèi)部噪聲形成的相位噪 聲。設(shè)輸入信號相位6 | ( t ) - - 0 ，運(yùn)用線性分析方法，可得環(huán)路方程 9 武漢理： 火學(xué)碩七學(xué)位論文 i 見( j ) = - a 。( s ) 1 0 o ( s ) ：僻( j ) 4 - 包( s ) 巧+ ( s ) f ( j ) 等4 - 幺，( s ) 屹q ) 經(jīng)合并簡化，得出環(huán)路總輸出相位噪聲為 f，1 幺。( s ) = 1 只，( s ) 4 - 鼉筍1 日( s ) 4 - 幺，( s ) 1 一日( s ) ( 2 - 4 ) l 1 、dj 上式右邊第一項(xiàng)實(shí)際上是括號內(nèi)噪聲通過環(huán)路閉環(huán)響應(yīng)的過濾，也就是低 通過濾，故稱這類噪聲為低通型噪聲：第二項(xiàng)實(shí)際上是見，( j ) 經(jīng)過環(huán)路誤差響應(yīng) 的過濾，即高通過濾，所以這類噪聲被稱為高通型噪聲。 無論何種類型的噪聲，其噪聲源皆是相互獨(dú)立的，可用各自的噪聲功率譜 密度表示。設(shè)( ，) 、( f ) 、( ，) 分別是巳( f ) 、( f ) 、幺。t ) 的功率 譜密度，則環(huán)路輸出的總相位噪聲功率譜密度& ( f ) 為 ( f ) ：1 ( f ) + 粵b ( 伽f ) 2 + ( f ) 1 一日( ，2 萬f ) 2 ( 2 - 5 ) l “d j 由此式可知，環(huán)路對參考源的相位噪聲以及鑒相器的電壓噪聲有低通過濾 作用，而對壓控振蕩器的相位噪聲則有高通過濾作用。低通的高端頻率和高通 的低端頻率就是1 日( 2 刀，) | 的帶寬z ( = q 2 萬) ，也就是環(huán)路的帶寬1 。 b 、環(huán)路帶寬的最佳選擇 在工程上，一般只考慮參考源和壓控振蕩器的相位噪聲，而忽略鑒相器的 噪聲。由前面的分析可知，環(huán)路對參考源的相位噪聲相當(dāng)于低通過濾，故我們 希望環(huán)路帶寬，：越低越好；而另一方面，環(huán)路對壓控振蕩器的噪聲又相當(dāng)于高 通過濾，所以我們又希望z 越高越好。因此要想使這兩種相位噪聲都得到相對 合理的抑制，顯然選擇環(huán)路帶寬時(shí)，需要兼顧好參考源和壓控振蕩器的噪聲功 率譜的交叉點(diǎn)。一個(gè)實(shí)用的鎖相環(huán)路，常常對輸出信號的隨機(jī)相位噪聲提出很 高的要求。采用低噪聲的壓控振蕩器并且合理地選擇環(huán)路參數(shù)，可有效地提高 鎖相環(huán)路對隨機(jī)相位噪聲的抑制程度。這就是工程上常用的選擇最佳環(huán)路帶寬 的方法和依據(jù)。 2 3 直接數(shù)字頻率合成技術(shù) 直接數(shù)字式頻率合成( d d s ) 技術(shù)是近年來隨著數(shù)字集成電路和計(jì)算機(jī)的發(fā) l o 武漢理工大學(xué)碩十學(xué)位論文 展而迅速發(fā)展起來的一種新的頻率合成技術(shù)【1 2 1 。 d d s 技術(shù)是一種把一系列數(shù)字量形式的信號通過d a c 轉(zhuǎn)換成模擬量形式的 信號合成技術(shù)。這樣的方式使其具備了以下優(yōu)良的工作特點(diǎn)【1 3 】： 極高的頻率分辨率 d d s 的分辨率在參考頻率固定時(shí)，取決于相位累加器的位數(shù)，只要累加器 位數(shù)取足夠大，理論上可以獲得任何滿足要求的頻率分辨精度，這在傳統(tǒng)的頻 率合成方法上是難以實(shí)現(xiàn)的。 頻率變化速度快 在d d s 中，一個(gè)頻率的建立時(shí)間通常取決于濾波器的帶寬。其主要影響因 素有內(nèi)部數(shù)控振蕩器內(nèi)的工藝結(jié)構(gòu)、數(shù)模變換及其它信號處理步驟產(chǎn)生的時(shí)延。 由于d d s 中沒有相位反饋控制這一環(huán)節(jié)，因而頻率建立和切換非?？?，只與數(shù) 字信號處理部分的時(shí)延與時(shí)鐘周期相關(guān)。 頻率變化時(shí)相位連續(xù) 當(dāng)改變其輸出頻率時(shí)，d d s 頻率改變就是改變f c w ，它是通過改變頻率控 制字實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際上這改變的只是信號的相位增長速率，而輸出信號的相位本 身仍然是連續(xù)的，這就是d d s 頻率捷變時(shí)相位連續(xù)性的原因。 易于實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字調(diào)制 由于d d s 采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，d d s 信號的頻率、相位及幅度均可通過數(shù)字信 號精準(zhǔn)地控制，因此d d s 非常易于實(shí)現(xiàn)如a s k 、p s k 、f s k 等高精度的數(shù)字調(diào) 制和正交調(diào)制。 集成度高 整個(gè)d d s 系統(tǒng)，除濾波器以外，幾乎所有的結(jié)構(gòu)部件都屬于數(shù)字信號處理 部件，因此系統(tǒng)易于集成、功耗低、體積小并且重量輕。 目前使用最廣泛的一種d d s 方式是利用高速存儲器作查尋表，然后通過高 速d a c 產(chǎn)生己經(jīng)用數(shù)字形式存入的正弦波。正弦輸出d d s 是實(shí)際應(yīng)用最廣的 一類。目前所見到的國外公司，如a d i 公司、q u a l c o m m 公司等生成的d d s 芯 片絕大多數(shù)都采用正弦信號輸出。 2 3 1d d s 的基本原理與組成 d d s 技術(shù)的理論基礎(chǔ)同大多數(shù)的數(shù)字信號處理技術(shù)一樣，仍然是香農(nóng)抽樣 定理。香農(nóng)抽樣定理是把任何模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的基礎(chǔ)，它論述的是一 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 個(gè)帶限的模擬信號經(jīng)抽樣變成離散值后，可不可以由這些離散值恢復(fù)出原始模 擬信號的問題【1 4 】。香農(nóng)抽樣定理告訴我們，當(dāng)抽樣頻率大于或等于模擬信號最 大頻率的2 倍時(shí)，可以由抽樣得到的離散信號無失真地恢復(fù)出原始信號。而在 d d s 中，這個(gè)過程被顛倒了過來。d d s 不是對一個(gè)模擬信號進(jìn)行抽樣，而是一 個(gè)假定抽樣過程已經(jīng)發(fā)生并且抽樣的值己經(jīng)量化完成，如何通過某種映射把己 經(jīng)量化的二進(jìn)制值送到d a 及后級的低通濾波器重建原始信號的問題【”】。 d d s 一般由相位累加器、波形存儲器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器及低通濾波器組成，其 基本的工作原理是將波形數(shù)據(jù)先存儲，在頻率控制字( f r e q u e n c yc o n t r o lw o r d s ) k 的作用下，由相位累加器( p h a s ea c c u m u l a t o r ，p a ) 從r o m 中讀出波形數(shù)據(jù)，再 經(jīng)過d a 和l p f 后輸出合成頻率【l6 1 。具體的工作過程為：在每一個(gè)時(shí)鐘周期z 內(nèi)，頻率控制字k 與nb i t 的相位累加器累加一次，并同時(shí)對2 取模運(yùn)算，用 運(yùn)算結(jié)果以二進(jìn)制代碼的形式( 正弦表的地址) 去查詢r(jià) o m 中的正弦函數(shù)表， 得到由相位信息轉(zhuǎn)變過來的數(shù)字量化正弦幅度值，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變?yōu)殡A梯模擬 信號，最后通過低通濾波器進(jìn)行平滑而得到純凈的正弦模擬信號。這種頻率合 成方法可以獲得高精度頻率和相位分辨率、快速頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間和低相位噪聲的 頻率信號，而且結(jié)構(gòu)簡單集成度高【1 7 】。 d d s 基本的結(jié)構(gòu)如圖2 - 6 所示，其中：k 是頻率控制字，n 是相位累加器的 字長，m 是r o m 地址線位數(shù)，m 是r o m 數(shù)據(jù)線位數(shù)，即d a c 的位數(shù)。f 為 d d s 的參考時(shí)鐘頻率，互= 1 z ；z 為d d s 的輸出頻率，乙= i z ； 頻 率 控 制 字 圖2 - 6d d s 的基本結(jié)構(gòu)框圖 當(dāng)相位累加器計(jì)數(shù)大于2 時(shí)，累加器會自動溢出最高位并保留后面的nb i t 位數(shù)據(jù)于累加器中。顯然該相位累加器平均每2 依個(gè)時(shí)鐘周期溢出一次。由此 1 2 武漢理：1 ：大學(xué)碩十學(xué)位論文 可見d d s 輸出信號的頻率值由k 和時(shí)鐘頻率z 共同決定著，之間的關(guān)系滿足 礦 f o = 號z ( 2 6 ) 二 當(dāng)k = i 時(shí)，d d s 的輸出頻率最小，即為d d s 的最小頻率分辨率 1 虬。= 者z ( 2 7 ) 二 綜上所述，d d s 相當(dāng)于一個(gè)小數(shù)分頻器。其最小頻率分辨率是頻率控制字 為1 時(shí)所對應(yīng)的d d s 的輸出頻率，只要累加器的長度n 足夠大，總能得到所需 的頻率分辨率。由于實(shí)際使用中的頻率控制字k 值很難為整數(shù)，因此將會存在 一定的頻率誤差f 1 8 】。另外由于存儲波表的大小受限，遠(yuǎn)不及相位累加器的位數(shù)， 故一般僅取累加結(jié)果的高位作為尋址地址送入正弦查詢表獲得波形幅度值【1 9 】。 在d d s 系統(tǒng)中，從頻率寄存器開始到波形存儲表的數(shù)字部分通常也被稱作 數(shù)控振蕩器( n c o ) 。通過數(shù)控振蕩器，能讓輸入的數(shù)字頻率值產(chǎn)生出相應(yīng)頻率的 數(shù)字波形?，F(xiàn)對其工作原理討論如下【2 0 】： 相位累加器 相位累加器是d d s 最基本的組成部分，用來實(shí)現(xiàn)相位的累加及存儲其累加 結(jié)果 1 9 】。設(shè)當(dāng)前相位累加器的值為。，一個(gè)時(shí)鐘周期后變?yōu)榇?，則滿足 。= 。+ k ( 1 l 8 ) 一n + i 一一 t 。o ， 可見，。是一等差數(shù)列，設(shè)。為初始相位值，顯然 。= n k + z o ( 2 9 ) 圖2 7 是相位累加器的基本結(jié)構(gòu)框圖，由一個(gè)n 位加法器和一個(gè)n 位寄存 器構(gòu)成，它通常采用n 個(gè)d 觸發(fā)器來構(gòu)成。 圖2 7 相位累加器的基本結(jié)構(gòu) 1 3 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 正弦查詢表 如前所述，d d s 查詢表存儲的是相位所對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字表示的正弦量化 幅值。在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，相位累加器輸出序列的高位對r o m 尋址，其輸出為 該相位相對應(yīng)的正弦幅值的二進(jìn)制序列【2 1 1 。 在一塊d d s 芯片中集成大容量的r o m ，可以提高輸出信號的精度，但這 樣會使成本提高，功耗增大，且可靠性下降。我們可以通過讓累加器輸出的低 位舍棄來壓縮r o m 容量的方法加以改善。 數(shù)模轉(zhuǎn)換器( d a c ) d d s 中，d a c 的作用是將相位所對應(yīng)的二進(jìn)制形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成相應(yīng) 頻率的模擬信號。根據(jù)前面的分析討論，它輸出的信號并不能真正連續(xù)可變， 而是以分辨率為最小單位的，其輸出實(shí)際上是一個(gè)階梯模擬信號。 2 3 2d d s 的理想輸出頻譜 要得到理想的d d s 信號，須滿足以下三個(gè)條件【2 2 1 ： 相位累加器輸出的位數(shù)無舍位，也就是用全部的位來尋址正弦查詢表。 相幅轉(zhuǎn)換器輸出的相位碼為無限精度，也就是正弦查詢表的幅度量化值位 數(shù)要無窮大。 不存d a c 誤差，也就是d a c 的位數(shù)要無限大，并且d a c 具有理想的模 數(shù)轉(zhuǎn)換特性，不存在產(chǎn)生非線性的條件。 因?yàn)槔硐氲膁 d s 在頻率合成過程中不存在相位截?cái)嗾`差、幅度量化誤差和 d a c 誤差，因此整個(gè)d d s 相當(dāng)于一個(gè)理想的采樣保持電路，其中n c o 相當(dāng)于 一個(gè)理想采樣器，d a c 相當(dāng)于一個(gè)理想保持電路。其系統(tǒng)沖激響應(yīng)為： f 1 0 t t r h ( t ) = ，、 。 。 ( 2 - 1 0 ) 【u e l s e 輸入正弦信號s i n ( 2 7 r f o t ) ，因?yàn)槠漕l譜分布是在一z 和z 兩個(gè)頻率點(diǎn)上的沖 激，所以經(jīng)過采樣之后，得到的頻譜是以采樣頻率7 ：為周期的原信號頻譜的周 期重復(fù)。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻率她必須大于或等于兩倍的被采樣信 號帶寬，這樣才不會發(fā)生混疊現(xiàn)象而無法完整地恢復(fù)原信號，因此d d s 的最 f， 高輸出頻率厶一須小于。在實(shí)際中，存在著鏡象頻率正一，為保證可以 有效地分開輸出頻率和鏡象頻率，d d s 的輸出丘一一般只能等于z 的 1 4 武漢理工人學(xué)碩士學(xué)位論文 3 0 4 0 t 2 3 1 。因此，在采樣頻率大于兩倍的被采樣信號帶寬時(shí)，在 【- 丘2 ，以2 】頻帶內(nèi)并沒有引入新的頻率點(diǎn)。1 t t ( 2 2 9 ) 式可得i l ( f ) 的頻譜h ( f ) 為： h ( f ) = z & ( 7 r 屈) e m ( 2 一1 1 ) 其中，s a ( x ) = s i n ( x ) x ，為取樣函數(shù)。時(shí)域卷積對應(yīng)頻域相乘，可見，理 想d a c 只是改變信號輸出頻譜的幅度和相位，并不增加新的頻率點(diǎn)，因此，理 想d d s 情況下輸出信號在 o ，正2 】內(nèi)無雜散。 2 3 3d d s 的雜散特性和相位噪聲特性分析 ( 1 ) 雜散特性分析 d d s 的數(shù)字化處理技術(shù)集中體現(xiàn)了頻率分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換快、輸出相位 連續(xù)、便于集成可編程等優(yōu)越性能。與此同時(shí)，d d s 的全數(shù)字結(jié)構(gòu)也帶來了不 利的一些因素，豐富的雜散隨著主頻率一起輸出，使降低雜散設(shè)計(jì)成為一個(gè)系 統(tǒng)必須考慮的問題。d d s 的雜散噪聲來源主要有三方面，分別是相位截?cái)嗾`差、 幅度量化誤差和由d a c 轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的誤差。現(xiàn)通過圖2 8 ，分別討論如下【2 4 1 。 相位截?cái)嗾`差幅度量化誤差d a 轉(zhuǎn)換誤差 圖2 - 8d d s 雜散來源模型 相位截?cái)喈a(chǎn)生的雜散 為了得到一定的頻率分辨率，通常相位累加器的位數(shù)取得很大，如果相位 累加器的所有位數(shù)都用來查詢正弦函數(shù)表，則正弦函數(shù)表的容量會非常大。由 式瓴抽= z 2 可知，只要值取得足夠大，就可以得到極高的頻率分辨率。但 如果用全部的n 位來尋址r o m ，則需要極大的存儲量，這個(gè)在實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)。 因此，實(shí)際中常使用相位截?cái)喾椒?，即用相位累加器輸出的高w 位來尋址，舍 去其中低的b = n w 位。由此產(chǎn)生的相位截?cái)嗾`差是d d s 雜散的主要來源。 因?yàn)閐 d s 的輸出通常都是正弦信號，有明顯的周期性，相位截?cái)喾椒ㄏ喈?dāng)于周 1 5 武漢理t 大學(xué)碩士學(xué)位論文 期性地引入了截?cái)嗾`差，造成輸出信號帶有一定的諧波分量，而表現(xiàn)在頻譜上 就是雜散信掣2 5 1 。 當(dāng)只取相位累加器輸出地址線的高w 位作為尋址r o m 的地址線時(shí)，應(yīng)有 s ( n ) ：s i n ( 2 萬 等】籌) ( 2 1 2 ) 其中，算式i x 表示對x 作不大于x 的取整運(yùn)算。 經(jīng)轉(zhuǎn)化，上式可表示為： s ( n ) ：s i n ( 2 萬掣) ( 2 1 3 ) 其中妒( 刀) 為相位截?cái)嗾`差，并且有： 緲( 以) ：k 刀一2 b 【等】：( k 刀) m o d 2 矗 ( 2 1 4 ) 對s ( n ) 進(jìn)行展開，有： s ( n ) - s i n ( 2 n 等) _ 2 萬等c o s ( 2 萬等) ( 2