数字频率合成技术

生成各种离散频率的技术

频率合成技术就是把一个或者多个高稳定度、高准确度的参考频率，经过各种信号处理技术，生成具有同等稳定度和准确度的各种离散频率。参考频率可由晶体振荡器产生，合成的离散频率与参考频率有严格的比例关系，并具有同等的稳定度和准确度。频率合成技术是实现高性能频率源的重要手段。频率源的性能是影响雷达、电子对抗、仪器仪表等系统性能的关键问题。

基本内容

（1）频率合成器件的主要性能指标：①频率范围（带宽）；②频率分辨率；③频率转换时间；④频率准确度和稳定度；⑤频谱纯度（主要影响因素是相位噪音和寄生干扰）。

（2）几种主要频率合成技术的比较：

①直接模拟频率合成技术：相干合成方法是用一个晶体参考频率源，然后经过分频、混频和倍频来得到各种频率信号，输出频率的稳定度和精度与参考频率相同；非相干合成方法是用多个晶体参考频率源，然后把这些参考频率信号经过加减乘除来得到各种频率信号。

直接模拟频率合成技术简单易行、频率转换时间短、相位噪音低，但因采用了大量的分频、混频、倍频和滤波等模拟元件，使合成器的体积大、易产生杂散分量、元件的非线性影响难以抑制。

②基于锁相环（PLL）的频率合成技术：锁相环主要由鉴相器、低通滤波器和压控振荡器组成；鉴相器通过比较压控振荡器的输出信号和参考信号而产生相位控制信号，再经过低通滤波器后就直接去控制压控振荡器的输出，然后采用频率选择开关通过改变分频比来控制压控振荡器的输出信号频率。若在锁相环中插入数字分频器和数字鉴相器，即成为数字锁相环；数字锁相频率合成技术是目前的主流技术。因为锁相环相当于窄带跟踪滤波器，所以PLL频率合成技术能够很好选择频率、抑制杂散分量和大量使用滤波器，有利于集成化；而且频率的长期和短期稳定性都很好。但是PLL有惰性，频率分辨率和频率转换时间相互矛盾（难以兼顾）；频率转换时间较长；压控振荡器引起的噪音也较大。

③DDS（直接数字合成）技术：采用数字化技术，通过控制相位的变化速度来直接产生各种频率的信号。在带宽、频率分辨率、频率转换时间、相位连续性（相位变化连续）、调制输出（对输出信号易实现多种调制）和集成化等方面，都远远超过传统的频率合成技术。但是DDS技术把幅度和相位信息也都用数字量表示，故将会产生量化精度和量化噪音，从而造成输出信号的幅度失真和相位失真，使得DDS的输出信号杂散较大（杂散频率多）；同时DDS的输出信号频带有限（为了有效分开输出频率和镜像频率，最高频率应该＜0.5fs，更高的fs要求器件的工作频率更高），这是限制DDS技术发展的主要问题之一。然而，由于DDS是全数字化结构，易于集成、功耗低、体积小、重量轻、可靠性高、易于程控、使用灵活，性价比很高，故广为采用。

为了发挥DDS技术的长处、克服其缺点，往往把DDS技术和其他频率合成技术结合起来使用。通常是采用DDS技术与PLL技术结合（DDS+PLL）的方案；这既可克服DDS技术的输出信号频率的杂散和频带受限，同时又可改善PLL技术的频率分辨率不高、频率转换时间较长的问题，并且这种组合式频率合成器的制作成本较低、结构简单，是目前高性能频率合成器的主要发展趋势。

DDS技术基础

（1）DDS系统的结构：

DDS系统由相位累加器（把相位按照频率调节控制字指定的步长进行累加）、相位-幅度变换电路（把相位转换为其正弦值或余弦值的数字序列）、DAC（把数字序列转换为阶梯状正弦波或余弦波）和LPF（滤掉高次谐波，输出连续的模拟正弦波或余弦波信号）等部分组成。当相位累加器累加满量时即产生一次溢出，完成一个周期性动作，该周期就是合成信号的周期；累加器的溢出频率也就是DDS的合成信号的频率。

（2）DDS的长处和短处：

长处：①频率分辨率高；②输出频率相对带宽很大（只要＜0.5[输入参考时钟频率]）；③频率转换时间很短；④频率切变时相位连续；⑤可输出任意波形；⑥易于实现数字调制；⑦易于编程控制。

短处：①输出带宽有限；②输出信号杂散频率丰富。

（3）DDS输出的杂散：

杂散的主要来源：①相位截断误差所致：是周期性杂散，杂散频率分布在基频两边，是DDS杂散的主要来源。②幅度量化误差所致：杂散水平最低。③DAC转换所致：主要是DAC非线性的杂散和DAC毛刺的杂散。

降低杂散的主要措施：①采用抖动注入技术：破坏相位截断杂散的周期性及其与信号的相关性。②采用PLL+DDS方法：利用PLL频率合成技术的长处（宽带、高频、频谱质量好、杂散小），折中带宽、捷变速度和频谱质量，能较好的降低杂散。

高性能DDS单片IC举例～AD公司的AD9858芯片：系统组成可分为高性能DDS数字核心单元和高性能D/A转换模拟单元两个部分。工作频率（内部时钟速率）达1GSPS，10位DAC，为数字可编程式的完整高频频率合成器；内部时钟频率达1GHz，能够产生400MHz灵敏变频的正弦、余弦波模拟信号。AD9858的用途广泛。其中的射频构件可用于各种频率合成环路或者其他系统的需要。

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