频率合成技术的发展概述

摘要：随着现代电子技术的飞速发展，人们对频率源的性能提出了更高的要求，频率合成技术也随之得以快速发展，本文介绍了自频率合成技术理论形成以来的主要发展过程。

关键词：频率合成；锁相环；直接数字频率合成

1、引言

所谓频率合成技术指的是由一个或者多个具有高稳定度和高精确度的参考频率源，通过在某一频段内的线性运算得到具有同样特性的大量工作频率点的技术，而完成这一功能的电路被称为频率合成器，简称为频综。频率合成器是电子系统不可或缺的组成部分。频率合成器是科研、教学实验及各种工程电子测量技术中很重要的标准信号源，其应用范围非常广泛，尤其是在通信系统和雷达系统中，频率合成器有着极为重要的作用。

2、频率合成技术指标

频率合成技术有各种技术指标，而其技术指标反映了频率合成技术的优缺点，下面就对若干基本的技术指标加以介绍。

（l）频率范围。频率合成器输出的最大合成频率fmax和最小合成频率fmin决定了频率范围，通常可用相对带宽来衡量频率范围。

（2）分辨率。频率合成输出的两离散频率点之间的最小间隔，即为输出频率的分辨率，不同场合的需要对频率分辨率的要求也不同。

（3）切换时间。是指从一个频率切换到另一个频率达到稳定时，并且在其有效的相位误差范围内所需要的时间，切换时间与频率合成器的电路形式密切相关。

（4）频谱纯度。是指输出信号频谱的纯净程度，通常以信号的相位噪声和杂散分量来衡量频谱纯度。

（5）频率稳定度与准确度。频率稳定度是指输出频率在规定的时间内与标称值间的偏差程度，由偏差程度可分为长期、短期和瞬时稳定度。频率准确度是指实际频率与标准频率的误差。频率的稳定度与准确度密切相关的，因为只有在频率稳定度足够高的前提下，其相应的频率准确度才有实际意义。

3、频率合成技术的发展过程

频率合成技术的理论起源于二十世纪30年代左右，至今己有八十多年的历史。早期的频综是由一组晶振组成，需要多少个输出频点，由晶体的数目所决定。需要由人工来实现频率切换，主要由晶体来决定频率的准确度和稳定度，很少与电路有关。现在这种频率合成方式已经被非相干合成的方法所取代，尽管非相干合成同样使用了晶体，但其工作方式是由少量晶体来产生多种频率的。对比早期的频率合成方式，非相干合成器不仅降低了成本，而且提高了所合成频率的稳定性。但是研制这种由几块晶体所构成的晶振是一个非常复杂的过程，而且成本较高。因此随着频率合成技术的发展，相干合成法也就被科学家提了出来。

最初的相干合成法主要是直接频率合成（Direct Frequency Synthesis简称DFS）。此合成方法是利用倍频、分频、混频的方法对一个或几个参考源频率经过加、减、乘、除运算直接产生所需要频率的方法。这种方法由于频率转化时间短，相位噪声低等优点，因此在频率合成领域也占有一定的地位，但由于所生成的频率是采用大量的倍频、分频、混频所得，使得直接式频率合成器体积大、杂散多且难于抑制、结构复杂、成本及功耗高，故该DFS己基本被淘汰。

在DFS之后出现了间接频率合成（Indirect Frequency Synthesis）。间接频率合成主要是指锁相环PLL（Phase-Locked Loop）频率合成。此合成方法是把相位反馈和锁相技术用于频率合成中，这种合成方法具有输出频率高、相位噪声低、抑制杂散好、成本低和易于集成等优点，因此在频率合成领域占有一席之地。但是传统PLL的频率合成器由于采用闭环控制，因此输出频率改变后，要想重新达到稳定则所需的时间较长。所以PLL频率合成器同时做到较高的频率分辨率和较快的频率切换时间是很困难的。

随着数字技术的飞速发展，特别是集成电路集成度的快速上升，使得直接数字频率合成（DDS）技术的实现成为可能。直接数字频率合成是建立在采样理论上，将信号波形以相位极小的间隔进行采样，通过计算出信号波形对应于相应相位的幅值，从而形成一个，并将其存储于DDS器件的波形存储器（ROM）中。频率的合成过程是利用数字方式对相位进行累加，而得到波形信号相应的相位值，按一定的幅度相位转换算法在波形存储器中查询相位-幅度表得到信号在该时刻的离散数字序列，最后将信号通过DAC和低通滤波器形成模拟波形输出的频率合成技术。相比其他的频率合成技术，DDS技术具有以下优点：

（1）频率切换时间短

由于DDS的开环结构特点，使得频率切换时间极短。因在时间上相位序列是离散的，则在频率控制字改变之后，需经过一个时钟周期之后才能按照新的相位增量进行累加，即频率得以切换。由此可以看到频率切换时间实际上就是频率控制字的传输时间，即一个时钟周期的时间。若fs越高，则频率切换时间将越短，但是不可能小于门电路的传输延迟时间。目前专用DDS集成芯片的频率切换时间可做到10ns的量级，这是常用的PLL频率合成技术无法实现的。

（2）频率分辨率高

DDS的最小输出频率fomin=fs/2N，即为输出频率的最小

步进量，其中fs为时钟参考频率，N为相位累加器的位数。由此可知如果fs固定，则只要改变相位累加器的位数N，就可以很容易达到非常高的分辨率的，甚至得到μHz的频率分辨率，而传统的频率合成技术要实现如此低的频率分辨率是很难做到的。

（3）相位变化连续

DDS输出频率的变化实际上是相位增量的改变，即改变相位的增加速度。当频率控制字变化后，由于相位函数的曲线是连续的，因此只是改变曲线的斜率，使得输出信号的相位保持相应的连续性，这一点在很多对相位要求比较严格的频率合成器使用中就显得非常重要。

（4）输出波形灵活

基于DDS的函数发生器的输出波形灵活多样，因为只要在波形ROM内存放相应的波形数据就可以生成正弦波、方波、三角波和锯齿波等任意的波形。同时，若在DDS中对频率、相位和幅度进行相应的控制，就可以实现调频（FM）、调相（PM）和调幅（AM）功能。

（5）相位噪声低和漂移小

DDS中输出信号的频率稳定度取决于参考时钟源的频率稳定度，且输出信号的相位噪声也是由参考时钟源的相位噪声所决定。由于在DDS系统中，通常是由固定的晶振来产生所需参考时钟频率，因此使输出信号具有低相位噪声和漂移小的特性。

（6）易集成、易于调整

直接数字频率合成器中除了数模转换器和滤波器之外，几乎所有的部件都属于数字器件，因此便于集成，且调整方便灵活，电路功耗低、体积小和高可靠性。

综上所述，由于DDS具有高分辨率、极快的频率切换速度、相位变化连续、相位噪声低、扩展功能容易和全数字化便于集成等优点，因此在近年来得到了快速发展和广泛应用。

4、结束语

频率合成技术经历了三代的发展过程，并朝着数字化、集成化和频率转换的高速化方向发展。而以DDS为代表的第三代频率合成技术，随着数字电子技术的不断进步，将成为应用最广泛的主流频率合成技术。

[参考文献]

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