數字頻率合成技術

頻率合成技術就是把一個或者多個高穩定度、高準確度的參考頻率,經過各種信號處理技術,生成具有同等穩定度和準確度的各種離散頻率。參考頻率可由晶體振盪器產生,合成的離散頻率與參考頻率有嚴格的比例關係,並具有同等的穩定度和準確度。頻率合成技術是實現高性能頻率源的重要手段。頻率源的性能是影響雷達、電子對抗、儀器儀表等系統性能的關鍵問題。

基本內容

(1) 頻率合成器件的主要性能指標:①頻率範圍(頻寬);②頻率解析度;③頻率轉換時間;④頻率準確度和穩定度;⑤頻譜純度(主要影響因素是相位噪音和寄生干擾)。

(2) 幾種主要頻率合成技術的比較

①直接模擬頻率合成技術:相干合成方法是用一個晶體參考頻率源,然後經過分頻、混頻和倍頻來得到各種頻率信號,輸出頻率的穩定度和精度與參考頻率相同;非相干合成方法是用多個晶體參考頻率源,然後把這些參考頻率信號經過加減乘除來得到各種頻率信號。

直接模擬頻率合成技術簡單易行、頻率轉換時間短、相位噪音低,但因採用了大量的分頻、混頻、倍頻和濾波等模擬元件,使合成器的體積大、易產生雜散分量、元件的非線性影響難以抑制。

②基於鎖相環(PLL)的頻率合成技術:鎖相環主要由鑒相器、低通濾波器和壓控振盪器組成;鑒相器通過比較壓控振盪器的輸出信號和參考信號而產生相位控制信號,再經過低通濾波器後就直接去控制壓控振盪器的輸出,然後採用頻率選擇開關通過改變分頻比來控制壓控振盪器的輸出信號頻率。若在鎖相環中插入數字分頻器和數字鑒相器,即成為數字鎖相環;數字鎖相頻率合成技術是目前的主流技術。因為鎖相環相當於窄帶跟蹤濾波器,所以PLL頻率合成技術能夠很好選擇頻率、抑制雜散分量和大量使用濾波器,有利於集成化;而且頻率的長期和短期穩定性都很好。但是PLL有惰性,頻率解析度和頻率轉換時間相互矛盾(難以兼顧);頻率轉換時間較長;壓控振盪器引起的噪音也較大。

DDS直接數字合成)技術:採用數位化技術,通過控制相位的變化速度來直接產生各種頻率的信號。在頻寬、頻率解析度、頻率轉換時間、相位連續性(相位變化連續)、調製輸出(對輸出信號易實現多種調製)和集成化等方面,都遠遠超過傳統的頻率合成技術。但是DDS技術把幅度和相位信息也都用數字量表示,故將會產生量化精度和量化噪音,從而造成輸出信號的幅度失真和相位失真,使得DDS的輸出信號雜散較大(雜散頻率多);同時DDS的輸出信號頻帶有限(為了有效分開輸出頻率和鏡像頻率,最高頻率應該<0.5fs,更高的fs要求器件的工作頻率更高),這是限制DDS技術發展的主要問題之一。然而,由於DDS是全數位化結構,易於集成、功耗低、體積小、重量輕、可靠性高、易於程控、使用靈活,性價比很高,故廣為採用。

為了發揮DDS技術的長處、克服其缺點,往往把DDS技術和其他頻率合成技術結合起來使用。通常是採用DDS技術與PLL技術結合(DDS+PLL)的方案;這既可克服DDS技術的輸出信號頻率的雜散和頻帶受限,同時又可改善PLL技術的頻率解析度不高、頻率轉換時間較長的問題,並且這種組合式頻率合成器的製作成本較低、結構簡單,是目前高性能頻率合成器的主要發展趨勢。

DDS技術基礎

(1)DDS系統的結構:

DDS系統由相位累加器(把相位按照頻率調節控制字指定的步長進行累加)、相位-幅度變換電路(把相位轉換為其正弦值或餘弦值的數字序列)、DAC(把數字序列轉換為階梯狀正弦波或餘弦波)和LPF(濾掉高次諧波,輸出連續的模擬正弦波或餘弦波信號)等部分組成。當相位累加器累加滿量時即產生一次溢出,完成一個周期性動作,該周期就是合成信號的周期;累加器的溢出頻率也就是DDS的合成信號的頻率。

(2)DDS的長處和短處:

長處:①頻率解析度高;②輸出頻率相對頻寬很大(只要<0.5[輸入參考時鐘頻率]);③頻率轉換時間很短;④頻率切變時相位連續;⑤可輸出任意波形;⑥易於實現數字調製;⑦易於編程控制。

短處:①輸出頻寬有限;②輸出信號雜散頻率豐富。

(3)DDS輸出的雜散:

雜散的主要來源:①相位截斷誤差所致:是周期性雜散,雜散頻率分布在基頻兩邊,是DDS雜散的主要來源。②幅度量化誤差所致:雜散水平最低。③DAC轉換所致:主要是DAC非線性的雜散和DAC毛刺的雜散。

降低雜散的主要措施:①採用抖動注入技術:破壞相位截斷雜散的周期性及其與信號的相關性。②採用PLL+DDS方法:利用PLL頻率合成技術的長處(寬頻、高頻、頻譜質量好、雜散小),折中頻寬、捷變速度和頻譜質量,能較好的降低雜散。

高性能DDS單片IC舉例~AD公司的 AD9858晶片:系統組成可分為高性能DDS數字核心單元和高性能D/A轉換模擬單元兩個部分。工作頻率(內部時鐘速率)達1GSPS,10位DAC,為數字可程式式的完整高頻頻率合成器;內部時鐘頻率達1GHz,能夠產生400MHz靈敏變頻的正弦、餘弦波模擬信號。AD9858的用途廣泛。其中的射頻構件可用於各種頻率合成環路或者其他系統的需要。

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