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頻率合成器是利用一個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),通過各種技術(shù)途徑產(chǎn)生大量離散頻率信號(hào)的設(shè)備。直接數(shù)字式頻率合成(DDS)技術(shù)是繼直接頻率合成和間接頻率合成之后,隨著數(shù)字集成電路和微電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來第三代頻率合成技術(shù)。它以數(shù)字信號(hào)處理理論為基礎(chǔ),從信號(hào)的幅度相位關(guān)系出發(fā)進(jìn)行頻率合成,具有極高的頻率分辨率、極短的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、很寬的相對(duì)帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)信號(hào)相位連續(xù)、任意波形的輸出能力及數(shù)字調(diào)制功能等諸多優(yōu)點(diǎn),正廣泛地應(yīng)用于儀器儀表、遙控遙測(cè)通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、導(dǎo)航以及廣播電視等各個(gè)領(lǐng)域。尤其是在短波跳頻通信中,信號(hào)在較寬的頻帶上不斷變化,并且要求在很小的頻率間隔內(nèi)快速地切換頻率和相位,因此采用DDS技術(shù)的本振信號(hào)源是較為理想的選擇。這種方法簡單可靠、控制方便,且具有很高的頻率分辨率和轉(zhuǎn)換速度,非常適合快速跳頻通信的要求。

頻率合成器的實(shí)現(xiàn)方法有3種:直接模擬頻率合成、間接頻率合成和直接數(shù)字頻率合成。

根據(jù)出現(xiàn)的時(shí)間順序,可將其分為3代。

第一代:直接模擬頻率合成技術(shù)。利用一個(gè)或多個(gè)不同的晶體振蕩器作為基準(zhǔn)信號(hào)源,經(jīng)過倍頻、分頻、混頻等途徑直接產(chǎn)生許多離散頻率的輸出信號(hào),稱為直接式頻率合成。這種方法獲得的信號(hào)具有頻率的長期和短期穩(wěn)定度高、頻率變換速度快等特點(diǎn),但調(diào)試難度大,雜散抑制難。

第二代:鎖相頻率合成技術(shù)。在20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了鎖相式頻率合成器,也稱為間接式合成器。它利用一個(gè)或者幾個(gè)參考頻率源,通過諧波發(fā)生器混頻和分頻等產(chǎn)生大量的諧波或組合頻率,然后用鎖相環(huán),把壓控振蕩器的頻率鎖定在某一諧波或組合頻率上。由壓控振蕩器間接產(chǎn)生所需頻率輸出。這種方法優(yōu)點(diǎn)是由于鎖相環(huán)路相當(dāng)于一個(gè)窄帶跟蹤濾波器,因此能很好地選擇所需頻率的信號(hào),抑止雜散分量,避免了大量使用濾波器,有利于集成化和小型化。

第三代:直接數(shù)字頻率合成技術(shù)。20世紀(jì)70年代以來,隨著數(shù)字集成電路和微電子技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了一種新的合成方法——直接數(shù)字式頻率合成(DDS)技術(shù)。它從相位的概念出發(fā)進(jìn)行頻率合成,采用了數(shù)字采樣存儲(chǔ)技術(shù),具有精確的相位、頻率分辨力,快速的轉(zhuǎn)換時(shí)間等沖突優(yōu)點(diǎn)。

頻率合成器作用是給微波掃頻信號(hào)提供一定分辨力的頻率參考信號(hào),并對(duì)微波信號(hào)輸出頻率進(jìn)行逐點(diǎn)鎖定,以得到高準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的掃頻輸出信號(hào)。

輸出點(diǎn)頻信號(hào)和掃頻信號(hào)是微波合成掃源的基本功能。而點(diǎn)頻輸出又是掃頻輸出的基礎(chǔ)(掃頻信號(hào)的輸出可以利用點(diǎn)頻通過程序控制的方法實(shí)現(xiàn))。下面是點(diǎn)頻功能的實(shí)現(xiàn)算法。

1、用戶在前面板上設(shè)置需要設(shè)定的頻率f0。

2、判斷f0屬于哪個(gè)頻段,求出YTO的輸出頻率fYTO。并對(duì)YTO進(jìn)行預(yù)置頻率。

3、根據(jù)fYTO和f0算出YTO鑒相器參考頻率,由此推出取樣環(huán)和小數(shù)分頻環(huán)的分頻系數(shù),并將分頻系數(shù)置人對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)鎖存器。

頻率合成源是微波系統(tǒng)的重要功能單元,在收發(fā)信機(jī)、雷達(dá)探測(cè)、通信、檢測(cè)儀器等電子設(shè)備中被廣泛使用。

從普通VCO、介質(zhì)振蕩器(DRO)、同軸振蕩器(CRO)、釔鐵石榴石振蕩器(YIG)中選擇合適的振蕩器配以各種合成技術(shù),從而為您提供性價(jià)比最高的頻率合成源。配以大洋微波開發(fā)的先進(jìn)的開環(huán)預(yù)置、閉環(huán)實(shí)時(shí)修正等輔助捕獲技術(shù),可為您提供極短的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間。

直接模擬合成法、鎖相環(huán)合成法和直接數(shù)字合成法。直接模擬合成法利用倍頻、分頻、混頻及濾波,從單一或幾個(gè)參數(shù)頻率中產(chǎn)生多個(gè)所需的頻率。該方法頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間快(小于100ns),但是體積大、功耗大,已基本不被采用。鎖相環(huán)合成法通過鎖相環(huán)完成頻率的加、減、乘、除運(yùn)算。該方法結(jié)構(gòu)簡化、便于集成,且頻譜純度高,使用比較廣泛,但存在高分辨率和快轉(zhuǎn)換速度之間的矛盾,一般只能用于大步進(jìn)頻率合成技術(shù)中。

頻率合成器是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要組成部分,在通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對(duì)抗和測(cè)試設(shè)備中都得到了廣泛的應(yīng)用。頻率合成器的主要性能指標(biāo)包括以下幾個(gè)方面。

1、輸出頻率范圍

頻率范圍是指頻率合成器輸出最低頻率和輸出最高頻率之間的變化范圍,包括中心頻率和帶寬兩個(gè)方面的含義。

2、頻率穩(wěn)定度

頻率穩(wěn)定度指在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi),頻率合成器輸出頻率偏離標(biāo)定值的數(shù)值,分為長期、短期和瞬間等3種穩(wěn)定度。

3、頻率間隔

頻率間隔是指兩個(gè)輸出頻率的最小間隔,也稱頻率分辨率。不同用途的頻率合成器,對(duì)頻率間隔的要求是不同的,小到幾赫茲,大到兆赫量級(jí)。

4、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間

頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間是指輸出頻率由一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換到另一個(gè)頻率的時(shí)間。

5、頻譜純度

頻譜純度以雜散分量和相位噪聲來衡量,雜散又稱寄生信號(hào),分為諧波分量和非諧波分量兩種,主要由頻率合成過程中的非線性失真產(chǎn)生;相位噪聲是衡量輸出信號(hào)相位抖動(dòng)大小的參數(shù)。

6、調(diào)制性能

調(diào)制性能是指頻率合成器的輸出是否具有調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)和調(diào)相(PM)等功能。

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)頻率合成器性能的要求越來越高。20世紀(jì)80年代以來,各國都在研制和發(fā)展各自的DDS產(chǎn)品,現(xiàn)在流行的DDS產(chǎn)品以AnalogDevices公司的最多,主要有AD7008、AD9830-9835、AD9850-9854等十幾種芯片,形成了0~120MHz的寬輸出頻率范圍系列。此外,高通公司也有Q2334、Q2368等產(chǎn)品,這些DDS芯片的時(shí)鐘頻率從30MHz到125MHz不等,芯片從一般功能到集成有D/A轉(zhuǎn)換器和正交調(diào)制器。隨著數(shù)字信號(hào)處理器件的發(fā)展,DDS可以在FPGA、DSP等可編程器件上以軟件化的方式實(shí)現(xiàn)。

一、直接數(shù)字頻率合成的原理

直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)是相對(duì)于直接模擬頻率合成(DAS)技術(shù)而言的。DDS直接以離散時(shí)間的方式產(chǎn)生信號(hào),通過改變幅度、頻率和相位來生成被調(diào)制信號(hào),因此對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)來說可以產(chǎn)生任意的波形。軟件無線電系統(tǒng)中的數(shù)字上下變頻、本地載波的產(chǎn)生以及壓控震蕩器等重要環(huán)節(jié)都可以用DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

采用DDS技術(shù)的直接數(shù)字頻率合成器(DDFS,DirectDigitalFrequencySynthesizer)可分為正弦輸出DDS、脈沖輸出DDS和相位插入DDS等不同的類別,其中正弦輸出DDS應(yīng)用最為普遍。

對(duì)于正弦輸出DDS,波形的產(chǎn)生主要有兩種方法。第一種為實(shí)時(shí)計(jì)算法,這種方法需要實(shí)時(shí)計(jì)算特殊的三角函數(shù)值,如果用DSP進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜,因此這種方法應(yīng)用較少。第二種為查表法,其主要思想是將各個(gè)相位所對(duì)應(yīng)的正弦值存儲(chǔ)在查找表中(一般用ROM來實(shí)現(xiàn)),在實(shí)際波形產(chǎn)生過程中只需要根據(jù)相位進(jìn)行相應(yīng)的查找便可以直接生成正弦波形值。

二、直接數(shù)字頻率合成的優(yōu)點(diǎn)

1、精確性

2、相對(duì)帶寬寬

3、頻率分辨率高

4、快速切換的能力

5、輸出任意波形的能力

6、體積小功耗低,便于集成

三、直接數(shù)字頻率合成的不足

1、工作頻帶的限制

2、雜波抑制性能較差

3、相位噪聲性能低