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從20世紀30年代開始頻率合成技術被人們認識，70多年來，頻率合成技術有了較大的發展。頻率合成是以一個或幾個頻率為基礎，進行加、減、乘、除四則算術運算，合成出新的頻率的一門技術。隨著現代通信技術的迅速發展，雷達、宇航和遙控遙測技術的不斷前進，越來越需要高頻率穩定度、高頻譜純度、頻率范圍大的頻率源，同時對頻率合成的輸出頻率的個數等都有了越來越高的要求。 1 頻率合成技術原理 頻率合成的方法很多，最常用的頻率合成技術有3種：直接頻率合成、直接數字頻率合成、鎖相頻率合成。 直接頻率合成法是直接通過倍頻器、分頻器、混頻器對基準頻率進行加、減、乘、除等運算，以得到各種所需頻率。其優點是頻率轉換速度快，并能產生任意小的頻率增量。但他也存在一些不可克服的缺點，要求基準信號的功率較大，由于大量的倍頻、混頻、濾波等電路，合成器的設備十分復雜，而且輸出端的諧波、噪聲及寄生頻率難以抑制。 直接數字頻率合成隨著超高速數字電路的發展而興起，主要是通過微處理器求解數學遞推方程或者直接查正弦表得來，其輸出波形是部分合成。其優點主要是分辨率高、控制靈活、容易做到比較低的頻率，但是由于受器件的時鐘頻率控制，輸出頻率上限不能太高，而且總的輸出噪聲電平可能比較高。 鎖相頻率合成技術是基于鎖相環的同步原理，利用鎖相環路的窄帶跟蹤特性得到不同的頻率。鎖相頻率合成又有直接鎖相和數字鎖相2種。倍頻器實際上就是直接鎖相的一種，而數字鎖相是在鎖相環路中插入一個分頻比可變的分頻器，通過CPU控制可獲得不同的頻點。如圖1所示是一個典型的直接式鎖相環頻率合成器的原理圖。他由參考振蕩源、參考分頻器、鎖相環3部分組成。 其中的鎖相環與普通鎖相環不同的是，他在VCO的輸出端和鑒頻器的輸入端之間的反饋回路中加入了一個可變分頻器。如圖1所示，高穩定度的參考振蕩源信號經R次分頻后，得到頻率為fR的參考脈沖信號。同時壓控振蕩器的輸出經N次分頻后得到頻率為fN的脈沖信號，2個脈沖信號在鑒相器進行相位比較。當環路處于鎖定狀態時，則有輸出信號：fo=N·fN=N·fR。 2 SystemView軟件介紹 SystemView軟件是美國ELANIX公司開發的用于視圖化系統模型的設計、仿真、分析和評估的開發工具軟件，采用了Windows環境下的圖形化編程方式，具有友好、功能強大的調試環境，是真正信號級系統設計仿真的有力工具。 在SystemView環境下的操作比較簡明，根據系統設計要求利用SystemView本身提供的各種函數圖符建立仿真模型，并對其進行參數設置，在設定系統運行時間等參數后就可進行仿真分析。 3 數字頻率合成器的設計與仿真 基于以上對數字頻率合成器的分析，在SystemView設計環境下，建立了典型的數字頻率合成器的模型，如圖2所示。在此模型中，鎖相環的VCO用FM圖符(圖符2)代替，其載波頻率設置為195 Hz，增益為20 Hz／V，環路低通濾波器使用了一個8極點的貝塞爾低通濾波器，帶通為5 Hz，分頻器使用通信圖符中的N倍分頻器，根據鎖相環的輸出特性，若分頻比N=20，則鎖相環的輸出頻率fo應該鎖定在fo=N·fR=20·fR頻率上。 假設輸人參考振蕩器1 kHz，進行100分頻后作為基準頻率進入到數字頻率合成器中，也即基準頻率為fR=10 Hz，在系統時間參數設定為1 000 Hz，采樣點數為16 384點情況下，對構建的系統進行仿真，當N=20時，由圖3輸出信號的頻譜圖可以看出，在頻率為200 Hz處出現了較高的頻譜能量峰值，這說明輸出信號的頻率被鎖定在200 Hz。當把N改為18時，輸出信號的頻譜在頻率為180 Hz附近處出現了能量高峰值，如圖4所示，同理說明此時輸出信號的頻率處于鎖定狀態。 由以上仿真分析可以看出，改變N的值，輸出信號的頻率將變為基準頻率10 Hz的整數倍。但事實上由于鎖相環的鎖定范圍限制(與濾波器帶寬和VCO的載波最大變化范圍有關)，只能輸出VCO載波頻率附近的幾個整數倍的頻率。當N=23時，輸出信號頻譜如圖5所示，圖中頻譜能量高峰值并不像以上圖示那么清晰，而是存在能量高峰區，由此說明輸出信號頻率比較平均地分布在180～240 Hz頻帶內，此時的鎖相環處于失鎖狀態，頻率合成器也失去了作用。因此，在進行分頻比設置時，N值不能設置太高。在實際應用中，特別在超高頻工作情況下，為獲得較大范圍的頻率選擇(較多的頻率數)和較小的步進頻率，多采用吞食脈沖式鎖相環頻率合成器。 4 結 語 通過運用SystemView仿真軟件，構建了典型的數字頻率合成器，仿真分析結果表明在濾波器帶寬和VCO的載波最大變化范圍內，可產生多個頻率穩定的輸出信號，目前在各種無線電臺中使用的頻率合成器普遍采用可變數字式鎖相環頻率合成器。 |
