《锁相技术》课程结业论文-双环频率合成器设计.doc

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1、14锁相技术课程结业论文题 目 双环频率合成器设计 院系名称： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 授课教师： 14摘 要 本文主要介绍了锁相环和锁相频率合成的数学模型，工作原理及频率合成器的应用。双环频率合成器的优点是杂波抑制度高、调试方便；缺点是频率转换速度比直接合成慢。频率合成器是电子系统的心脏，是决定电子系统性能的关键设备，随着通信 、数字电视、卫星定位、航空航天、雷达和电子对抗等技术的发展，对频率合成器提出了越 来越高的要求。频率合成技术是将一个或多个高稳定、高精确度的标准频率经过一定变换，产生同样高稳定度和精确度的大量离散频率的技术。频率合成理论自20世纪30年代提出以来，已取得了迅

2、速的发展，关键词 锁相环 锁相环数学模型 锁相环相位模型 频率合成器 双环频率合成器的工作原理 双环频率合成器的原理图 目 次1. 引言 41.1 课题目的和意义41.2 课题研究内容42锁相环和双环频率合成器的工作原理 42.1锁相环简介 4，5，62.2 双环频率合成器工作原理 6，7，83. 频率合成器应用83.1 频率合成器芯片8 3.2 频率合成器的EDA实现93.3直接数字频率合成的DSP实现9，10结论 11参考文献 12图1 锁相环路的相位模型4图2 锁相环的线性化相位模型5图3 双环频率合成器7图4 双环频率合成器的仿真原理图81 引言（或绪论）11 课题目的和意义 1.1.

3、1 课题目的 设计双环频率合成器，用systemview软件来仿真和实现。加深对锁相环和频率合成器原理的理解，学会使用systemxiew软件。摸索出双环的配合及参数最佳选择为思路和方法。1.1.2 课题意义 双环频率合成器的设计实现避免了一些单环频率合成器的缺点，有助于辅助环的性能改善，使频率合成器得到了更广泛的应用。也锻炼了我的思考能力，学会灵活运用软件，有助于我综合能力的提高。12 课题研究内容该课题主要研究双环频率合成器的工作原理，数学模型，设计方法，最优参数的设计和仿真的实现。2 锁相环和双环频率合成器的工作原理21 锁相环简介211 锁相环锁相环是种以消除频率误差为目的的反馈控制电

4、路，但它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差，所以当电路达到平衡状态之后，虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可降低到零，从而实现无频差的频率跟踪和相位跟踪。锁相环由三部分组成，它包含压控振荡器，鉴相器和环路滤波器三个基本部件，三者组成一个闭合环路，输入信号为，输出信号为，反馈至输入端。PD1PD1212 锁相环的数学模型图1 锁相环路的相位模型按图1的环路相位模型，不难导出环路的数学模型: （1）式(1)是锁相环路数学模型的一般形式，也称动态方程，从物理概念上可以逐项理解它的含义;式中pe(t)显然是环路的瞬时频差（2）右边第一项pi(t)称固定角频率， （3）式中最后一项AdA0AF

5、(p)sine(t)称控制角频差，AdA0AF(p)sine(t)=o(t)=o-r (4) 其表示压控振荡器在uc(t)=AdAF(p)sine(t)的作用下，产生振荡角频率o偏离r的数值。于是动态方程(1)构成如下关系： 瞬时频差=固有频差-控制频差 从方程(1)可以解出稳态相差213 锁相环的线性化相位模型Ad图2 锁相环的线性化相位模型当输入与输出的相位线性化差小于30度是，鉴相器可以线性化。线性化后的锁相环相位模型如图2。213锁相环的频率特性1.锁相环路的捕捉特性 当环路未加输入信号ui(t)时，VCO上没有控制电压，它的振荡频率为r。若将频率i恒定的输入信号加到环路上去，固有频差

6、（起始频差）i=i-r，因而在接入ui(t)的瞬间，加到鉴相器的两个信号的瞬时相位差 相应地，鉴相器输出的误差电压ud(t)=Adsinit。显然，ud(t)是频率为i的差拍电压。下面分三种情况进行讨论：(1)i(t)较小，即VCO的固有振荡频率r与输入信号频率i相差较小。 (2)i较大，即r与i相差较大，使i超出环路滤波器的通频带，但仍小于捕捉带p。 （3）i很大，即r与i相差很大，使i不但远大于环路滤波器的通频带，而且大于捕捉带p。 2.锁相环路的跟踪特性 当环路锁定后，如果输入信号频率i或VCO振荡频率o发生变化，则VCO振荡频率o跟踪i而变化，维持o=i的锁定状态，这个过程称为跟踪过程

7、或同步过程。相应地，能够维持环路锁定所允许的最大固有频差|i|，称为锁相环路的同步带或跟踪带，用H表示。22 双环频率合成器工作原理221双环频率合成器环概念1.频率合成器是指能对频率进行加减乘除运算，将一个或几个标准频率变成多个频率的电子装置。2.频率合成器的主要性能指标： （1）频率范围：频率范围是指频率合成器输出频率的最小值和最大值之间的变化范围。 （2）频道数与频道间隔：频道数是指频率合成器所能提供的频率个数。频道间隔是指两个相邻频道之间的频率差 。（3）频率转换时间:频道转换时间是指频率合成器从某一频率转换为另频率所需要的时间，它包括频道置定时间以及捕捉时间。 （4）长期频率稳定度：

8、长期频率稳定度是指一天以上时间范围内的频率稳定度，它主要是由振荡器器件老化，环境温度和湿度变化等因素引起的。 （5）噪声性能频谱纯度和短期频率稳定度和瞬间频率稳定度。3 频率合成器分为直接式频率合成和锁相式频率合成以及直接数字式频率合成。 该课题所设计的双环频率合成器主要是锁相式频率合成。锁相式频率合成器又称间接式频合器，是在20世纪50年代出现的第二代频率合成技术。它利用一个或多个锁相环来完成频率变换任务。目前已有许多频率合成器专用锁相集成电路，给制作体积小、性能好、价格低的频率合成器带来了极大的方便。这种方法的优点是杂波抑制度高、调试方便；缺点是频率转换速度比直接合成慢。这种方法仍在广泛使

9、用中。222双环频率合成器原理PD1LF1VCO1晶振fr1fo1PD1PD1（I）RN1MX（）fr2f10晶振VCO2晶振LF2晶振PD2晶振fo2N2晶振（II）图3 双环频率合成器图3是双环频率合成器的方框图。环路分主环（I）和辅助环（II），它们通过混频器MX结合在一起。主环提供输出，由于它的参考频率fr1，与单环频合器相比，在输出频率相同的情况下，分频比N1可以大大降低，有利于减小环路的输出杂波和相位噪声，并改善捕捉性能。辅助环的主要作用在于保证必要的频道间隔，其参考频率为fr2。由于辅助环的输出频率大大低于主环，因此分频比也可大大降低，同样有利于辅助环性能的改善。双环频合器的主要

10、特点在于将单环中的巨大分频比由两个环路来负担，使这两个环的分频比都比较小，同时将两个单环尤其是主环的参考频率大幅度提高，从而满足了参考频率高、分频比小和频道间隔窄等要求。本方案的频率关系为fo1=N1*fr1+fr2*N2/10223 双环频率合成器的仿真原理图图4 双环频率合成器的仿真原理图原理图中的参数为：模块0（信源）的输出频率fr1=100Hz,模块18的输出频率fr2=10Hz,模块18的分频比为10，模块17的分频比N1=20，模块19的分频比为10，模块20的分频比N2=100，所以fo1=N1*fr1+fr2*N2/10=2100Hz。由模块3（信宿）的输出频谱图可只，环路在2

11、100Hz出锁定。而模块4的输出近似为直流，因为频率差为0，而频率和被低通滤波器滤掉。3 频率合成器的应用3.1 频率合成器芯片早期的频率合成器主要由分立元器件来实现。80年代以来，微电子技术和计算机技术的飞速发展，使得频率合成器趋于全集成化，所有电路都集成在一块芯片上。频率合成器 的发展趋势是频率更高、系统功能更强、制作工艺更先进、集成度更高、成本更低、系列品 种更加完善。双环或多环锁相式频率合成器、DDS与锁相式混合的频率合成器已经实现单片集成。频率合成器已经与通信系统收发信机的射频电路集成在一起，形成了集接收机、发射机、频率合成器于一体的SOC芯片。生产频率合成器芯片的厂商主要有美国的A

12、D公司、国家半导体公司、Motorola公司、Qualco mm公司；日本的富士通公司和荷兰的Philips公司。3.2 频率合成器的EDA实现在有些场合，专用DDS芯片在控制方式、转化速度等方面往往与系统的要求差 距很大，这时可用EDA(电子设计自动化)技术按照自己的需要来设计基于DDS的ASIC。用EDA 技术来实现的过程是：首先按照“自顶向下”的设计思想，用VHDL(硬件描述语言)或图形输 入等方法来编辑DDS的功能电路，然后经过功能仿真、编译、后仿真、编程验证等步骤，最后将后仿真正确的文件经编程电缆下载到FPGA中，该FPGA即为所定制的ASIC。3.3 直接数字频率合成的DSP实现D

13、DS的DSP实现方法基于在单位圆上有2个极点(ej)的数字谐振器，这种IIR滤波器的脉冲响应h(n)sinn(n)，是幅度为1的等幅正弦波，对应的Z变换为H(z)sinz1(12 cosz1z2)，差分方程为：h(n)c0(n1)c 1h(n1)h(n2)，其中c0sin，c12cos。输出频率fo与极点位置关系为2foTs(Ts为采样周期)，故fo与滤波器系数的关系为c0sin2foTs，c12cos2foTs。若把fo写成fo(mn)fs的形式(其中m、n 为整数)，则有c0sin(2m/n)，c12cos(2m/n)。这样通过改变m、n值就可以合成不同的频率。可以用DSP芯片来实现基于这

14、种算法的DDS。用这种方法可以产生比采用正弦查表法 更多的频率，更关键的是在特定频率时的谐波失真很小。而以DSP芯片为核心的硬件设计，又使其具有设计简单、小型、可靠等优点。 在系统分析了频率合成技术的发展史以及大致的技术发展方向后，我通过参阅一些论文以及老师介绍的参考书，总结了下直接数字频率合成与传统频率合成技术的比较。在这个过程中，加深了我对DDS的理解，虽然我借鉴了很多资料，但是我的收获也是很大的，在以后的学习以及设计过程中，如果我遇到了相关的问题，也有了大致的解决问题的思路与方法的选择。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

15、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。 目前使用最为广泛的频率合成技术就是锁相环（PLL）合成技术。该技术利用锁相环完成对参考频率源的加、减、乘、除运算，从而得到预期的频率。锁相技术具有良好的窄带跟踪特性，可以根据需要选择频率信号。相对于直接模拟频率合成而言，锁相环具有频谱纯度高，能有效抑制杂散分量且结构简单、易于集成等

16、特点。但是，锁相环存在高分辨率和快速转换速度之间的矛盾，故而一般用于大步进频率合成技术中。相对于以上两种传统的合成技术而言，直接数字频率（DDS）由于采用了数字处理技术，因而能够避免许多传统技术的不足。相对于直接模拟合成和锁相环而言，直接数字频率（DDS）主要就有以下特点：1，有较高的输出分辨率： 当参考时钟频率和相位累加器的位宽满足一定的要求时，输出分辨率可以非常小。当频率控制字位48bit时，输出分辨率可以达到1uHz。而传统的频率合成技术通常只能够达到1KHz。2，频率转换时间小： 直接数字频率合成是一个开环系统，无任何反馈环节，故DDS的频率转换时间主要是DDS的数字处理延时，通常仅为

17、ns量级。而一个模拟锁相环的频率转换时间则主要是它的反馈环处理时间和压控振荡器的响应时间，通常大于2030us。因而DDS可以有效克服PLL的高分辨率和快速转换速度之间的矛盾。3， 较大的输出相对带宽： 由于DDS不受稳定性的影响，因此，在满足奈奎斯特抽样定理的前提下，输出一般可以达到时钟频率的40。4， 输 出 相 位 连 续： 在改变频率时只需改变频率控制字（即累加器累加步长），而不需改变原有的累加值，故改变频率时相位是连续的。正因为直接数字频率合成技术有许多无法替代的优点，其使用也越来越受到工程人员的重视。当然DDS也有其固有的缺点，如上文所述的杂散分布广，同时由于受当前集成电路工艺以及

18、材料的限制，DDS目前的最高工作频率被限制在1GHz左右等等。 结 论频率合成器是现代电子系统的重要组成部分,在通信、雷达、电子对抗、导航、广播电视、遥测遥控、仪器仪表等许多领域中被广泛应用。PLL则具有频带宽、工作频率高、频谱质量好等优点，但其不足之处为频率分辨率、频率建立时间等方面远不如DDS。如果把两者结合起来,取长补短,可以获得更高的频率分辨率,更快的信号建立时间,低相噪和宽输出频率范围等性能。现代通信与电子系统的发展，对频率合成技术在多个性能方面提出了更高的要求，也使得频率合成技术朝着集成化、程控化、数字化、小型化、频率范围的宽带化、频率间隔的微细化、频率转化的高速化这样一个方向发展。这也必将使得频率合成技术在信号合成、仪器仪表、现代通信、软件无线电等领域得到更加广泛的应用。 参 考 文 献1 王福昌，鲁昆生. 锁相技术（第二版）.华中科技大学出版社，2009.6 2 朱春华.锁相技术实验指导书.2012.3