一文看懂頻率合成原理與特點

頻率合成（Frequeney Synthesis）是指以一個或數個參考頻率為基準，在某一頻段內，綜合產生并輸出多個工作頻率點的過程。本文主要介紹頻率合成原理與特點，首先介紹了頻率合成的分類，其次介紹了頻率合成的特點，最后我們以直接數字頻率合成來介紹原理，具體的跟隨小編一起來了解一下。

頻率合成的分類

1、直接頻率合成

用混頻器、倍頻器和分頻器實現頻率間的加、減、乘、除來產生新頻率，并靠濾波器選擇使信號純凈。圖1是直接合成式頻率合成器的原理圖，用插入除10的分頻器來獲得十進位。當開關S1、S2都在1位時，頻率合成器輸出頻率為

頻率合成 當開關S1、S2都在10位時，頻率合成器輸出頻率為

由此可知，頻率合成器的輸出頻段為0～9.9fr。fR是參考源頻率，n1、n2、m根據電路實現的可能和有利情況來選擇。直接合成的分辨率高，轉換時間短，頻段寬，相位噪聲小，但設備大而且復 雜，成本高。全數字化的直接合成利用計算機技術，其分辨率高，轉換速度可小到 1納秒，但最高頻率僅為參考源頻率的四分之一，而且還與所采用器件的轉換速度有關。

2、間接頻率合成

用鎖相環(huán)迫使壓控振蕩器 （VCO）的頻率鎖定在高穩(wěn)定的參考頻率上，從而獲得多個穩(wěn)定頻率，故又稱鎖相式頻率合成。圖2是數字鎖相式頻率合成器的基本形式，它由壓控振蕩器、鑒相器、可變分頻器和環(huán)路濾波器組成。壓控振蕩器的輸出信號經可變分頻器分頻后在鑒相器內與參考信號比相。當壓控振蕩器發(fā)生頻率漂移時，鑒相器輸出的控制電壓也隨之變化，從而使壓控振蕩器頻率始終鎖定在N倍的參考頻率上。鎖定條件為因得從上式可以看出，改變可變分頻器的分頻比n，便可改變頻率合成器的輸出頻率。在實用中為了提高分辨率，間接式頻率合成器常采用多個鎖相環(huán)的形式。間接頻率合成器的體積小、成本低、相位噪聲較小，但分辨率不甚高，頻率轉換時間較長，通常大于1毫秒。在通信和測量設備中，主要采用這種類型的合成技術。兩種頻率合成方案，均只采用一個參考頻率源，故可選用頻率標準作參考源，從而使頻率合成器獲得極高的頻率穩(wěn)定度。

頻率合成的特點

直接合成法的優(yōu)點是分辨率高、轉換時間短、頻移寬、相位噪聲小，但設備大而復雜、成本高。全數字化的直接合成器利用了現代的計算機技術，其分辨率高，頻率轉換速度可達1ns（10-9s），但最高頻率只有參考源頻率的1/4，且與所采用的器件的轉換速度有關。 ［4］

間接頻率合成是指輸出信號不是直接來自晶體振蕩器，而是由一個壓控振蕩器（VCO） 的可變頻率被鎖相環(huán)鎖定在高穩(wěn)定的參考頻率上，而獲得多個穩(wěn)定頻率。間接合成法有脈沖控制鎖相環(huán)法和數字環(huán)法，前者的主要特點是晶體振蕩器的輸出經脈沖形成器后得到一串重復頻率為fR的窄脈沖，再用這樣的窄脈沖通過鎖相環(huán)來控制壓控振蕩器，后者的主要特點是在鎖相環(huán)中用了一個數字式可變分頻器。

壓控振蕩器的輸出信號一路經可變分頻器分頻后在鑒相器內與參考信號比相，當壓控振蕩器發(fā)生頻率漂移時，鑒相器輸出的控制電壓隨之變化，從而將壓控振蕩器的頻率始終鎖定在某個值上，鎖定條件為fo/N=fR，則fo=NfR。

間接頻率合成器的特點是體積小、成本低、相位噪聲小，但分辨率不甚高，頻率轉移時間長 （一般》1ms）。在實際電路中為了提高分辨率，往往采用多個鎖相環(huán)。間接頻率合成器在通信和測量等電子設備中應用較多。

直接數字頻率合成原理

工作過程為：

1、將存于數表中的數字波形，經數模轉換器D/A，形成模擬量波形。

2、兩種方法可以改變輸出信號的頻率：

（1）改變查表尋址的時鐘CLOCK的頻率， 可以改變輸出波形的頻率。

（2）改變尋址的步長來改變輸出信號的頻率.DDS即采用此法。 步長即為對數字波形查表的相位增量。由累加器對相位增量進行累加， 累加器的值作為查表地址。

3、D/A輸出的階梯形波形，經低通（帶通）濾波，成為質量符合需要的模擬波形。

頻率合成的優(yōu)缺點

頻率合成的優(yōu)點

（1）精確性

（2）相對帶寬寬

（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

頻率合成的缺點

（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

頻率合成如何實現

1、采用高性能DDS單片電路的解決方案

2、采用分立IC電路系統(tǒng)實現，一般有CPU，RAM，ROM，D/A，CPLD，模擬濾波器等組成

3、CPLD，FPGA實現