通信电路讲义——频率合成技术.pdf

通信电路原理 第八章 频率合成技术 1 第7章附：反馈控制系统 自动增益控制（AGC）电路 在输入信号幅度变化很大的情况下，其输出信号幅度保持恒 定或仅在较小范围内变化的一种自动控制电路（放大器的输 出信号为参考电平所控制，参考电平固定，放大器的输出信 号幅度几乎保持恒定不变）：AGC电路控制的是信号的幅度 自动频率控制（AFC）电路 是一种频率反馈控制系统，VCO输出信号的频率跟踪输入参 考信号的频率变化：AFC电路控制的是信号的频率 自动相位控制（APC）电路 又叫锁相环路(Phase Locked Loop,简称PLL)，是一种相位 反馈控制系统，VCO输出信号的相位跟踪输入参考信号相位 的变化：锁相环路控制的是信号的相位 2 频率/相位反馈系统 AFC VCO控制电压是频率之差的函数，环路稳定 后输出和输入信号之间存在频差 PLL VCO控制电压是相位之差的函数，环路稳定 后输出和输入信号之间只有相差 精准的频率控制：广泛应用于各个领域 通信系统中，可用于窄带跟踪滤波、频率综合、 调制解调、信号检测等方面 3 AFC方框图 频率比较器 LPF 可控频率电路 rrv ：参考信号EvCvYYv ：输出信号YrdEYrEKvfv：：鉴频器频率比较器     svsHsvEFC：低通滤波器 0YCoYCYvKvg：：压控振荡器可控频率电路CvY0Y rEv4 AFC线性分析 在一定范围内，AFC各个部件的输出输入关系可以近似 为线性网络关系，因而可以在复频域内分析 YrdEKv频率比较器频率比较器 LPF 可控频率电路可控频率电路 rrv ：参考信号EvCvYYv ：输出信号     ssKssKsvYrdYrdE       sssHKsvsHsvYrFdEFC    0000YrrrrYYYssss：其中0YCoYvK     sssHKKsvKsYrFdoCoY       sHKKsHKK sssTFodFodrY 1：闭环传递函数5 AFC误差传递函数 如果参考信号角频率发生了幅值为的阶跃变化，那么AFC的 稳态频差是该幅度的1/(1+KdKo)倍 频率比较器频率比较器 LPF 可控频率电路可控频率电路 rrv ：参考信号EvCvYYv ：输出信号       sHKKsHKK sssTFodFodrY 1：闭环传递函数         sHKKsss sssTFodrYrrE E11：误差传递函数    ododFodsrEsEsEKKAKKssHKKssssTss 111lim limlim10000 直流增益为低通滤波器稳态YrYrE6 输出频率是如何跟踪输入频率的？ ttrY0Y00Yr01AKKodE稳态输入参考频率 鉴频器中心频率漂移 VCO输出频率 ttrY00Yr输入参考频率 鉴频器中心频率不变 VCO输出频率 VCO中心频率漂移：被抑制 0Y开环 闭环 假设始终闭环状态 假设始终闭环状态 闭环 开环 7 用AFC减小振荡器的频率漂移 为了减小振荡器输出频率的频漂 （1）提高环路增益可有效抑制VCO中心频率漂移 可在鉴频器后接放大器 （2）AFC对参考频率频漂没有抑制作用，因此要 求参考频率源（即鉴频器中心频率）具有高稳定性 可通过降低鉴频器的中心频率以提高其绝对稳定性 频率比较器频率比较器 LPF 可控频率电路可控频率电路 rrv ：参考信号EvCvYYv ：输出信号01AKKodE稳态8 例：AFC环控制的FM发射机 直接调频中，因频率可控器件直接加在振荡回路中，使得调频波的中心频率 稳定度很低，为了提高中心频率稳定度，可采用AFC环 压控振荡器 fc=5.1MHz  tvfN1 3倍频 N2 2倍频 MHzfo630.N3 3倍频 功率 放大器 kHzfMHzfmt 75891.Nr 2倍频 晶体振荡器 14.3MHz 带通滤波器 鉴频器 （2MHz） 低通滤波器 MHzfd2MHzf628.环AFC频率调制器缓冲器 通过混频，将鉴 频中心频率降低， 以提高鉴频器频 率的绝对稳定性: 假设鉴频器有万 分之一的漂移， 那么绝对频率漂 移在混频前后分 别为3.06kHz和 200Hz kHzkHzfm17. 41875鉴 频 器 是Q值 很 高 的窄 带 调 谐 电 路（ 如 ： 失 谐 鉴 频 器 ）鉴频器和低通滤波器只 对主振荡器中心频率长 期的低频变化产生响应， 对调制信号所产生的频 率偏移不响应 9 VCO的频漂得到AFC环的矫正 例如，VCO因温度变化引起的频漂为 40ppm/ C， 那么每摄氏度所引起的VCO的频漂为 204Hz （=40*5.1），如果没有AFC环，该频漂在天线端的 表现为 3672Hz（=204*18） 现加上AFC环，如果鉴频器和晶体振荡器十分稳定， 那么第2倍频器输出端的闭环漂移为开环漂移的 1/(1+N1*N2*Kd*Ko) 例如：Kd=2V/kHz,Ko=10kHz/V。

第2倍频器后开环漂移 为1224Hz(＝204*6)，加入AFC环后，第2倍频器后的闭环 漂移为1224/(1+3*2*2*10)＝10.1Hz，天线端频漂为 30.3Hz（=10.1*3），是没有AFC环频漂3672Hz的1/121 01AKKodE稳态10 晶体和鉴频器不稳引入的频漂 几乎全部反映到输出端 鉴频器很容易漂移，最坏的情况是鉴频器、晶振 和VCO的频率漂移方向相同 鉴频器的漂移数量级一般为 100ppm，这也是为什 么要混频到2MHz再鉴频的缘故 因此鉴频器要经过仔细的调整和设计，应保证鉴频器中心频 率的稳定性 鉴频器的频漂 fd在第2倍频器输出端的表现为 N2N1KoKd fd 晶体的频漂 fo在第2倍频器输出端的表现为 N2N1KoKdNr fo VCO的频漂 fc在第2倍频器输出端的表现为N1N2 fc 第2倍频器输出端最大开环频漂为上述三者之和 11 00 1AKKAKKodod第八章 频率合成技术 8.1 概述 8.2 主要技术指标 相位噪声 8.3 直接频率合成法 8.4 锁相频率合成法 8.5 直接数字频率合成 12 8.1 概述 为了实现高质量的无线电通信，减少各种外界因 素对传输信号的干扰，近代通信系统往往要求通 信机具有大量的、可供用户选择和迅速更换的载 频振荡信号 短波通信：要求通信机能在2～30MHz频段内，提供以 100Hz为间隔的28万个频率点 移动通信：要求在150、400、900、1800MHz频率附 近提供上百个频率点 这些频率点的载波振荡频率稳定度与精度，都应 满足系统的性能要求，并能迅速变换 显然，一般的晶体振荡器无法满足上述要求 频率合成技术是能够实现上述要求的一种电路技术 13 频率合成技术 通过一定的处理过程，将一个或数个基准频率 变换为一系列等间隔的离散频率 这些离散频率的频率稳定度和精度与基准频率相同 ，而且能在很短时间内，可由其中的某一频率点变 换到另一频率点 频率合成技术：通过很少的频率基准源产生尽可能多的频 率，而且产生的每个频率都具有相同的精确度和稳定度 频率合成方法大体上可分为三类 直接频率合成法 锁相频率合成法 直接数字频率合成法 14 直接频率合成法 Direct Synthesis 利用对频率具有加减功能的混频器，乘除功能 的倍频器和分频器，以及具有选频功能的滤波 器，通过不同的组合，来实现对晶体振荡基准 频率的合成 优点：频率转换时间短 缺点：离散频率数目不能太多 如果太多，则过多的滤波器使得电路十分庞大和复杂 由于采用大量的倍频器、分频器、和混频器，使得 输出信号中的寄生频率分量和相位噪声显著增加 直接频率合成器的发展受到限制，可用锁相环间接 实现频率合成 15 多晶体直接频率合成 从20个晶体中产生129个间隔为10kHz的频率 产生106个AM广播电台的载频（540kHz-1600kHz） kHz100kHz110kHz120kHz130kHz140kHz150kHz160kHz170kHz180kHz190kHz700kHz800kHz900MHz1MHz1 . 1MHz2 . 1MHz3 . 1MHz4 . 1MHz5 . 1MHz6 . 1振荡器模块 振荡器模块 混频器 kHzkHz1790~51016 单晶体直接频率合成 产生1-999,999Hz，间隔为1Hz的频率 主振荡器 10分频 10分频 10分频 10分频 10分频 谐波发生器 谐波发生器 谐波发生器 谐波发生器 谐波发生器 谐波发生器 混频器 （+） kHz100kHz10kHz1Hz100Hz10Hz1)100(900~01kHzkHzf)10(90~02kHzkHzf)1 (9~03kHzkHzf)100(900~04HzHzf)10(90~05HzHzf)1 (9~06HzHzf21ff 43ff 65ff 混频器 （+） 混频器 （+） 混频器 （+） 混频器 （+） of17 锁相频率合成技术 用一个或几个参考频率源，然后用锁相环将压 控振荡器的频率锁定在某一谐波或组合频率上 ，由压控振荡器间接产生所需要的频率输出 输出频率不是由参考源经过变换直接得到，而是由 PLL控制的压控振荡器间接得到 锁相环路具有良好的窄带滤波特性，故其输出 信号质量得到明显的改善 主要优点：系统结构简单；输出频率成分的频谱纯 度高；易于得到大量的离散频率；易于集成化 主要缺点：频率转换时间长 锁相频率合成又称间接频率合成 Indirect Synthesis 18 直接数字频率合成 Direct Digital Synthesis DDS是近年来发展起来的一种将先进的数字处理理论 与方法引入信号合成领域的一项新技术 在存储器中存入合成波形的M个均匀间隔的样点，以 均匀速率把这些样点输出到DAC，变换成模拟阶梯信 号，经低通滤波器平滑，便得到所需波形 主要优点：相位连续；分辨力高（可达0.001Hz）；工作频 率范围宽，容易做到极低的频率；转换频率的时间短（几乎 是即时的频率转换），成本低、控制灵活等 主要缺点：输出频率上限不太高，受限于器件可用的最高时 钟频率；总输出噪声电平可能很高 19 8.2 频率合成器的主要技术指标 1. 工作频率范围 频率合成器最高与最低输出频率所确定的频率范围 ，称为频率合成器的工作频率范围 2. 频率间隔 每个离散频率（或信道）之间的最小间隔称为频率 间隔，又称分辨力 3. 频率转换时间 由一个工作频率转换到另一个工作频率并使后者达 到稳定工作所需的时间 20 频率稳定度、准确度和频谱纯度 4. 频率稳定度与准确度 频率。