第11章 頻率合成技術(shù)

第11章頻率合成技術(shù)

在無線電廣播、電視和通信的各個(gè)波段，發(fā)射機(jī)應(yīng)能提供可供選擇和迅速更換的載波頻率，同樣接收機(jī)也要能產(chǎn)生相應(yīng)的振蕩頻率才能接收。石英晶體振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度高的振蕩頻率，但每塊晶體只能提供一個(gè)振蕩頻率，改換頻率不方便；LC振蕩器改換頻率方便，但頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度達(dá)不到要求。要獲得頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度高，而且能方便地改換頻率的振蕩信號(hào)源需采用頻率合成技術(shù)。頻率合成技術(shù)是用頻率變換的方法頻率合成技術(shù)是用頻率變換的方法獲得穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度高的大量離散頻率的技術(shù)。常用頻率合成技術(shù)有直接頻率合成和間接頻率合成兩種。直接頻率合成直接頻率合成是用一個(gè)或多個(gè)石英晶體振蕩器的振蕩頻率作為基準(zhǔn)頻率，通過諧波發(fā)生一系列頻率，然后對(duì)這些頻率進(jìn)行倍頻、分頻和混頻處理，獲得大量離散頻率的合成方法。這些合成的頻率都具有與石英晶體振蕩器同樣的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度。直接頻率合成器合成的頻率穩(wěn)定度高，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，頻率間隔??；但合成器中需用大量混頻器和濾波器，體積大，成本高，調(diào)試復(fù)雜，只用于要求較高的固定發(fā)射臺(tái)站等。間接頻率合成間接頻率合成是采用鎖相技術(shù)來間接產(chǎn)生穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度高的頻率源的合成方法。間接頻率合成器的核心是鎖相環(huán)，通常稱為鎖相環(huán)頻率合成器。其性能指標(biāo)接近直接頻率合成器，但它的體積小，成本低，安裝調(diào)試簡單，所以應(yīng)用非常廣泛。頻率合成器有以下幾項(xiàng)主要性能指標(biāo)頻率合成器有以下幾項(xiàng)主要性能指標(biāo)：頻率范圍頻率范圍是指頻率合成器輸出的最低頻率至最高頻率之間的變化范圍。要求在頻率范圍內(nèi)，在任何指定的頻率點(diǎn)（波道）上，頻率合成器都能工作。頻率合成器有以下幾項(xiàng)主要性能指標(biāo)

頻率間隔頻率合成器的輸出頻譜是離散的，兩個(gè)相鄰頻率之間的間隔就是頻率間隔。頻率間隔又稱為頻率合成器的分辨力。頻率總數(shù)頻率總數(shù)是指頻率合成器輸出頻率點(diǎn)的總個(gè)數(shù)。頻率總數(shù)又稱為波道數(shù)。頻率合成器有以下幾項(xiàng)主要性能指標(biāo)頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間是指頻率合成器從某一頻率轉(zhuǎn)換到另一個(gè)頻率，并達(dá)到穩(wěn)定工作所需要的時(shí)間頻率合成器有以下幾項(xiàng)主要性能指標(biāo)頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度頻率穩(wěn)定度是指在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，合成器頻率偏離規(guī)定值的數(shù)值。頻率準(zhǔn)確度則是指合成器實(shí)際工作頻率偏離規(guī)定值的數(shù)值，即頻率誤差。這是頻率合成器兩個(gè)重要質(zhì)量指標(biāo)。二者既有區(qū)別又有聯(lián)系。穩(wěn)定度是準(zhǔn)確度的前提，只有頻率穩(wěn)定，才能談得上頻率準(zhǔn)確。通常認(rèn)為頻率誤差已包括在頻率不穩(wěn)定的偏差內(nèi)，因此，一般只提頻率穩(wěn)定度。頻率合成器有以下幾項(xiàng)主要性能指標(biāo)頻譜純度理想的頻率合成器輸出信號(hào)只應(yīng)有規(guī)定的頻率。但實(shí)際上，輸出主信號(hào)兩邊會(huì)寄生干擾噪聲和相位噪聲。頻譜純度表征輸出信號(hào)接近理想正弦波的程度。頻率直接合成頻率直接合成是將兩個(gè)基準(zhǔn)頻率直接在混頻器中混頻以獲得所需新頻率的合成方法。用于混頻的基準(zhǔn)頻率是由石英晶體振蕩器產(chǎn)生的。如果是用多個(gè)石英晶體來產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率，進(jìn)行混頻的兩個(gè)基準(zhǔn)頻率是相互獨(dú)立的，稱為非相干式直接合成。如果只用一塊石英晶體作為標(biāo)準(zhǔn)頻率源，由諧波發(fā)生器來產(chǎn)生混頻所需的兩個(gè)基準(zhǔn)頻率，這兩個(gè)基準(zhǔn)頻率彼此是相關(guān)的，就稱為相干式直接合成。圖11-1非相干式頻率直接合成原理圖圖中和為兩個(gè)石英晶體振蕩器的頻率，其頻率可根據(jù)需要選用。可以從8.000至8.009的10個(gè)頻率中任選1個(gè)，可以從9.00至9.09的10個(gè)頻率中任選1個(gè)。所選出的兩個(gè)基準(zhǔn)頻率在混頻器中相加（取和頻），通過帶通濾波器取出合成頻率。本例可獲得17.000～17.099共100個(gè)頻率點(diǎn)，頻率間隔為0.001.如果想獲得更多的頻率點(diǎn)和更寬的頻率范圍，可按上例類似的方法，多用幾個(gè)石英晶體振蕩器和混頻器來組成頻率合成器。圖11-2就是一個(gè)實(shí)際非相干式頻率直接合成器的框圖，輸出頻率范圍從1.000至39.999，共有39000個(gè)頻率點(diǎn)，每步頻率間隔為0.001。圖11-2非相干式直接頻率合成器方框圖11.2.2相干式頻率直接合成相干式頻率直接合成是由一塊石英晶體作為標(biāo)準(zhǔn)頻率源，通過諧波發(fā)生器產(chǎn)生多個(gè)基準(zhǔn)頻率，然后經(jīng)過分頻、混頻和濾波來合成所需頻率的方法。圖11-3是相干式頻率直接合成器的一個(gè)實(shí)例。圖中2.7～3.6每步間隔0.1的10個(gè)基準(zhǔn)頻率，是由石英晶體振蕩器通過諧波發(fā)生器所產(chǎn)生的。需要合成的輸出頻率可以通過對(duì)10個(gè)基準(zhǔn)頻率的選擇，經(jīng)過逐次混頻、濾波與分頻的方法來獲得。如果要合成輸出3.4509頻率，則開關(guān)D、C、B、A應(yīng)分別轉(zhuǎn)到4、5、0、9的位置。圖11-3相干式頻率直接合成器鎖相環(huán)頻率合成鎖相環(huán)頻率合成（頻率間接合成）頻率間接合成是用鎖相技術(shù)來合成高精度和高穩(wěn)定度所需頻率的合成方法。頻率間接合成器的核心是鎖相環(huán)，常稱為鎖相環(huán)頻率合成器。鎖相環(huán)頻率合成器的性能接近直接頻率合成器，但所需的零部件較少，具有體積小、重量輕、成本低、安裝調(diào)試方便的特點(diǎn)，所以應(yīng)用非常廣泛。鎖相環(huán)頻率合成器鎖相環(huán)頻率合成器根據(jù)所用鎖相環(huán)的數(shù)量可分為單環(huán)鎖相環(huán)頻率合成器和多環(huán)鎖相頻率合成器。在電路組成上它們均在鎖相環(huán)路中串入程序分頻器，通過編程改變程序分頻器的分頻比，從而獲得與標(biāo)準(zhǔn)頻率有相同穩(wěn)定度的合成離散頻率。因此它們又稱為數(shù)字式頻率合成器。下面介紹常用鎖相環(huán)頻率合成器的電路組成、工作原理及性能特點(diǎn)?；臼絾苇h(huán)鎖相頻率合成器圖11-4是基本式單環(huán)鎖相頻率合成器框圖。圖中晶體振蕩器產(chǎn)生高穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)頻率，由于鑒頻器PD的工作頻率較低，所以標(biāo)準(zhǔn)頻率經(jīng)固定分頻器除R分頻后得到鑒相器所需的基準(zhǔn)頻率。壓控振蕩器VCO的輸出頻率經(jīng)程序分頻器除N分頻后得到，與在鑒相器中進(jìn)行相位比較，當(dāng)環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)后，。所以壓控振蕩器的輸出頻率為（11-1）圖11-4基本單環(huán)鎖相頻率合成器框圖程序分頻器的分頻比N的數(shù)值，可由編程輸入不同的頻率代碼來改變，這樣合成器輸出的頻率就有N個(gè)頻率，頻道間的頻率間隔為基準(zhǔn)頻率?；臼絾苇h(huán)鎖相頻率合成器電路簡單、體積小、便于集成化。固定前置分頻式單環(huán)鎖相頻率合成器圖11-5為固定前置分頻式單環(huán)鎖相頻率合成器框圖。與基本式單環(huán)鎖相頻率合成器相比，只是在程序分頻器前串接一個(gè)分頻比固定為K的前置分頻器。當(dāng)環(huán)路鎖定后，。所以壓控振蕩器輸出頻率為（11-2）圖11-5固定前置分頻式單環(huán)鎖相頻率合成器框圖與前述基本式單環(huán)鎖相頻率合成器相同，程序分頻器的分頻比可由編程改變，因此前置分頻式單環(huán)鎖相頻率合成器的輸出頻率也有個(gè)頻率點(diǎn)。由于在程序分頻器前加有前置分頻器，所以頻道間的頻率間隔為。固定前置分頻式單環(huán)鎖相頻率合成器也具有電路簡單、體積小的優(yōu)點(diǎn)，而且輸出頻率比基本式高。雙模前置分頻式單環(huán)鎖相頻率合成器前述基本式和固定前置分頻式單環(huán)鎖相頻率合成器合成的頻率總數(shù)較少，采用雙模前置分頻式單環(huán)鎖相頻率合成器能增加頻率總數(shù)。圖11-6為雙模前置分頻式單環(huán)鎖相頻率合成器框圖圖11-6雙模前置分頻式單環(huán)鎖相頻率合成器框圖混頻式單環(huán)鎖相頻率合成器混頻式單環(huán)鎖相頻率合成器的工作原理如圖11-7所示。 圖11-7混頻式單環(huán)鎖相頻率合成器方框圖11.3.2多環(huán)鎖相頻率合成器單環(huán)鎖相頻率合成器的電路組成較簡單，但是當(dāng)可變分頻比較大時(shí)，輸出噪聲也較大，而且當(dāng)要求頻率分辨力較高，如小于時(shí)，單環(huán)鎖相頻率合成器難以實(shí)現(xiàn)。采用多環(huán)鎖相頻率合成器可以解決這些問題。常見多環(huán)鎖相頻率合成器有雙環(huán)式和三環(huán)式等類型，現(xiàn)分別介紹如下。雙環(huán)式鎖相頻率合成器雙環(huán)式鎖相頻率合成器的工作原理如圖11-8所示圖11-8雙環(huán)式鎖相頻率合成器框圖2．典型應(yīng)用圖11-11為收發(fā)通信機(jī)中用構(gòu)成的單環(huán)鎖相頻率合成器，共設(shè)置40個(gè)頻道，收、發(fā)共用，收、發(fā)頻率由R/T鍵控制。發(fā)射頻率為26.965～27.405。接收頻率為26.510～26.950。圖11-11收發(fā)信機(jī)頻率合成器2．典型應(yīng)用圖11-13為蜂窩式移動(dòng)電話的頻率合成器。它是由、雙模前置分頻器和、壓控振蕩器VCO等構(gòu)成的，微機(jī)控制的雙模式鎖相頻率合成器。它能提供666個(gè)信道，有雙工功能。在接收狀態(tài)，第一中頻為，第二中頻為。參考頻率，參考分頻器分頻比。環(huán)路總分頻比，其中，。發(fā)射頻率為，頻率間隔為。圖11-13無線電話系統(tǒng)頻率合成器本章小結(jié)1．頻率合成技術(shù)是用頻率變換的方法獲得大量高穩(wěn)定性離散頻率的技術(shù)。頻率合成器有頻率范圍、頻率間隔、頻率總數(shù)、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度以及頻譜純度等主要性能指標(biāo)。2．頻率直接合成是將石英晶體振蕩器產(chǎn)生的兩個(gè)基準(zhǔn)頻率直接混頻來獲得新頻率的合成方法。非相干式直接合成中混頻的兩個(gè)基準(zhǔn)頻率是由不同石英晶體振蕩器產(chǎn)生的。相干式直接合成混頻所需的兩個(gè)基準(zhǔn)頻率是由同一石英晶體作標(biāo)準(zhǔn)頻率，經(jīng)諧波發(fā)生器產(chǎn)生的。兩種直接合成法合成的頻率穩(wěn)定可靠、性能很好，但合成器體積大、成本高，適用范圍有限。3．鎖相環(huán)頻率合成是用鎖相技術(shù)間接合成高穩(wěn)定度頻率的合成方法。它是在鎖相環(huán)路中串入程序分