隨著電子技術(shù)的發(fā)展，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)信號(hào)頻率的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度要求越來(lái)越高，一般的LC，RC 振蕩器已不能夠滿足要求。晶體振蕩器的高精度與高穩(wěn)定度剛好滿足了這一要求，但其頻率單一，且頻率值不高。于是出現(xiàn)了以這一穩(wěn)定頻率為核心的，同時(shí)能產(chǎn)生大量具有相同精度和穩(wěn)定度頻率的方法，這就是頻率合成“。 它用個(gè)高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)頻率源作為參考，通過對(duì)頻率進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算，產(chǎn)生大量的同一穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的不同頻率。頻率合成器是電子設(shè)備的重要組成部分，是影響電子設(shè)備系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。

一、國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)

頻率合成器在國(guó)外已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟，形成了一系列的單片集成頻綜芯片，包括鎖相式整數(shù)/ 分?jǐn)?shù)頻率合成器、直接數(shù)字頻率合成器、雙環(huán)或者多環(huán)鎖相式頻率合成器、DDS 與PL 混合式頻率合成器。

美國(guó)National Semiconductor 的LMX243X 鎖相式頻綜芯片的噪聲基底已經(jīng)達(dá)到- 219 dBc /Hz，而ADI 公司的ADF4107 工作頻率可以達(dá)到7GHZ。目前，國(guó)內(nèi)還沒有生產(chǎn)單片雙環(huán)或者多環(huán)鎖相式頻綜的能力。

目前DDS 的雜散一般可以做到- 70dB 左右。AD 公司生產(chǎn)的單片集成DDS芯片AD9858 采樣頻率達(dá)到1GHz，最大輸出為400MHZ。本世紀(jì)初出現(xiàn)的ROM-LESS 的DDS 方式，降低了電路功耗，是直接數(shù)字頻率合成中最前沿的技術(shù)。國(guó)內(nèi)采用0.35Hm 常規(guī)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體電路（ CMOS）C藝，研制出合成時(shí)鐘頻率達(dá)2GHZ 的新一代ROMLESS DDS 高速芯片。

國(guó)外混合式頻率合成器所達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)是： DDS + DAS 合成方式下，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)IlHs，雜散分量- 65dBc，頻率范［ 圍10MHz~ 18GHz，步進(jìn)間隔1F Iz，比較典型的代表是Wathing Johnson Company的WJ45 100 型頻率合成器。 而在DDS+ PLL 合成方式下，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)100H，雜散分量-75dBc，相位噪聲- l15dBc /Hz@ 10 kHz，頻率范圍500MHz~ 2 5 GHz，分段合成，步進(jìn)間隔1Hz，比較典型的弋表是Commun icat ion Techniques Inc.的FSFR 頻率合成器系列。

二、技術(shù)體制分析

頻率合成技術(shù)主要分為三類： 直接模擬式頻率合成技術(shù)（ DAS）、直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)（DDS） 和間接瑣相式頻率合成技術(shù)（ PL）。

各種體制的合成器具有相應(yīng)特點(diǎn)： 直接模擬式頻率合成器技術(shù)是以一個(gè)或多個(gè)高穩(wěn)定參考信號(hào)為基準(zhǔn)，通過倍頻、分頻、混頻及開關(guān)濾波放大等多種方法組合而成的一種頻率綜合器，具有頻率穩(wěn)定度高、頻率轉(zhuǎn)換速度快、相位噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，但系統(tǒng)復(fù)雜、體積大、成本高、并且因混頻環(huán)節(jié)多容易引起較高的雜散電平，通常使用于頻率點(diǎn)較少、相位噪聲要求高的場(chǎng)合。

直接數(shù)字頻率合成技術(shù)是近年來(lái)剛剛發(fā)展起來(lái)的一種新型頻率合成技術(shù)，它具有頻率轉(zhuǎn)換速度快、相位噪聲低、相位連續(xù)和極高的頻率分辨率、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，主要缺點(diǎn)是工作頻段較低、頻段較窄，不能直接用于寬帶微波頻段，通常用于基帶信號(hào)的產(chǎn)生。

間接鎖相式頻率合成技術(shù)是利用鎖相環(huán)（PLL） 通過標(biāo)準(zhǔn)頻率源來(lái)控制壓控振蕩器得到所需的頻率，它具有電路簡(jiǎn)單、相位噪聲低、輸出頻帶寬和控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，但是由于環(huán)路濾波器的存在，使得其轉(zhuǎn)換速度慢，一般使用于具有寬頻帶、較高頻率分辨率要求的場(chǎng)合。

1、直接模擬式頻率合成

直接模擬式頻率合成是最早出現(xiàn)的一種頻率合成器類型，其工作原理就是用倍頻、混頻電路對(duì)個(gè)或幾個(gè)基準(zhǔn)頻率進(jìn)行加、減、乘和除運(yùn)算，從而產(chǎn)生所要求的頻率信號(hào)，根據(jù)其合成方法分為相關(guān)合成和非相關(guān)合成兩種。

直接模擬式頻率合成器的優(yōu)點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換快（一般可以做到1~2Hs）、分辨率高、相噪低、輸出頻率高; 缺點(diǎn)是合成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸及重量大，且輸出諧波、噪聲及寄生頻率難以抑制，適于頻率步進(jìn)大、點(diǎn)頻數(shù)不多的電子系統(tǒng)。

2、鎖相式頻率合成

鎖相式頻率合成器是采用鎖相環(huán)（ PIL） 進(jìn)行頻率合成的一種頻率合成器，其工作原理是將壓控振蕩器產(chǎn)生的射頻信號(hào)和晶振輸出的參考信號(hào)分別進(jìn)行分頻，得到兩個(gè)頻率近似相同的信號(hào)，并送到鑒相器進(jìn)行比較，輸出誤差信號(hào)，經(jīng)濾波后去控制壓控振蕩器的輸出，使壓控振蕩器輸出的射頻信號(hào)保持穩(wěn)定，工作原理如圖1所示！

鎖相式頻率合成器分為整數(shù)頻率合成器和小數(shù)頻率合成器兩種。整數(shù)頻率合成器的頻率分辨率為參考頻率fr，為了獲得較高的頻率分辨率必然要減小fr，必然同時(shí)減小環(huán)路帶寬（ 為保證環(huán)路穩(wěn)定，一般要求環(huán)路帶寬小于參考頻率fr 的十分之一），從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換時(shí)間變長(zhǎng)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得較高的頻率分辨率、快速轉(zhuǎn)換時(shí)間和寬頻帶特性，通常采用多環(huán)頻率合成技術(shù)和小數(shù)頻率合成技術(shù)。多環(huán)頻率合成器由多個(gè)鎖相環(huán)路組成，其中高位環(huán)提供頻率間隔較大的較高頻率輸出，低位環(huán)提供頻率間隔較小的較低頻率輸出，將兩部分輸出相加，便可獲得工作頻率和頻率分辨力高、轉(zhuǎn)換速度快的合成信號(hào)輸出。

鎖相式頻率合成器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、易于集成、調(diào)試方便、雜散低，所以應(yīng)用非常廣泛，缺點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，難以滿足對(duì)跳頻時(shí)間要求快的電子系統(tǒng)。

3、直接數(shù)字式頻率合成

直接數(shù)字式頻率合成（ DDS） 技術(shù)是采用全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方式。近年來(lái)，隨著集成電路工藝技術(shù)水平的提高，DDS 技術(shù)得到了迅速發(fā)展。DDS 主要由相位累加器、正弦波形表、D/A 轉(zhuǎn)換器、低通濾波器組成，工作原理如圖4。在系統(tǒng)時(shí)鐘fc 的控制下，將頻率控制字K 送到相位累加器，更新相位累加器的數(shù)據(jù)，然后把相位累加器中的數(shù)據(jù)N 作為地址對(duì)正弦ROM 表進(jìn)行查詢，通過改變相位增量就可以改變DDS 的輸出頻率值。由波形ROM 存儲(chǔ)器取出的波形量化數(shù)據(jù)，經(jīng)過A/ D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓/ 電流，再經(jīng)過低通濾波器將波形中的高次諧波濾除，得到DDS 的輸出頻率。

（3） 擾碼注入技術(shù)

相位舍位引起雜散最根本的原因是$（ n ）是一個(gè)周期序列，因此破壞這種周期性成為減少DDS 雜散的主要研究方法。幾種抖動(dòng)主入的方法; 可以對(duì)頻率控制字加抖; 可以對(duì)ROM 的尋址地址加抖，即相位抖動(dòng)主入; 還可以對(duì)DAC 轉(zhuǎn)換前的數(shù)據(jù)加抖，即幅度抖動(dòng)主入，如圖5 所示。

DDS 是- 一個(gè)全數(shù)字化的系統(tǒng)，具有易于集成、極快的跳頻速度、極高的頻率分辨率和頻率切換時(shí)相位連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是雜散比較大、輸出頻率低。

4、混合式頻率合成

混合式頻率合成是近幾年非常流行的合成技術(shù)，主要有DDS 激勵(lì)PLL.DDS 內(nèi)插PLL.DDS+ 倍頻（ DAS）、DDS+ 混頻幾種合成方式。DDS 激勵(lì)PLL 頻率合成原理框圖如圖6。這種方案利用了DDS 的高分辨力來(lái)提高PLL 輸出的頻率分辨力和實(shí)現(xiàn)較高的頻率輸出，同時(shí)PLL 環(huán)路內(nèi)的低通濾波器對(duì)帶外DDS 雜散起到很好的抑制作用，但頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間取決于PIL。

DDS 內(nèi)插PLL 頻率合成原理框圖見圖7。由于DDS 輸出不經(jīng)過PL 的倍頻，使DDS引入的相位噪聲和雜散不會(huì)使輸出端惡化，具有低的相位噪聲和良好的雜散性能，頻譜純度大大優(yōu)于DDS激勵(lì)PL，作！這種方案仍然基于PL，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間仍然很慢。

DDS+ 倍頻頻率合成原理框圖見圖8。用模擬倍頻器代替PLL，克服了DDS+ PLL 的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)的弱點(diǎn)，同時(shí)利用多個(gè)倍頻器和濾波器組成的倍頻鏈提高頻綜器輸出頻率，拓展了頻綜器的輸出帶寬。但隨著輸出頻率擴(kuò)高擴(kuò)寬，輸出濾波器的復(fù)雜度越來(lái)越大，甚至不能用單一濾波器而是要用開關(guān)、濾波器組件來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)研制的超高速頻率綜合器大都采用了這種方案。缺點(diǎn)是輸出帶寬均不寬，一般只有幾十兆赫。

DDS+ 混頻頻率合成原理框圖如圖9 所示，使用混頻器將DDS 輸出頻率直接搬移到微波頻段。第- 一級(jí)BPF 用來(lái)濾除DDS 的寬帶雜散，第二級(jí)BPF 用來(lái)濾除本振頻率、無(wú)用邊帶頻率和其它無(wú)用的混頻產(chǎn)物。本方案的優(yōu)點(diǎn)在于DDS 本身的雜散電平和相位噪聲不增加，且頻率的捷變速度和分辨率均保持不變，即保持了DDS 的良好性能; 缺點(diǎn)在于輸出頻率范圍窄（當(dāng)DDS 輸出頻率范圍超過一個(gè)倍頻程時(shí)，其低頻端二次諧波在混頻器輸出端變成雜散而無(wú)法濾除），且存在雙邊帶輸出、本振泄漏和其它混頻產(chǎn)物。

三、結(jié)束語(yǔ)

頻率合成技術(shù)從上世紀(jì)70年代開始，先后經(jīng)歷了直接模擬式（ DAS）、間接鎖相式、直接數(shù)字式（DDS）： 三個(gè)階段的發(fā)展。隨著電子設(shè)備系統(tǒng)性能要求的不斷提高，頻率合成器技術(shù)也得到了快速發(fā)展，如體積小、性能高、高度集成的頻率合成器以及將DDS 和鎖相結(jié)合的混合式頻率合成器逐漸成為發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，頻率合成器的小型化、低成本、高性能、多品種特性，也進(jìn)一步推動(dòng)了各種軍/ 民用電子系統(tǒng)的更新?lián)Q代。