基于DDS和PLL技术的混合式频率合成器的设计
基于DDS和PLL技术的混合式频率合成器的设计[20191215153522]
摘要
本篇文章首先介绍了锁相环频率合成器以及直接数字合成技术的基本构造、工作原理以及各自的特点和优缺点。锁相环频率合成器基于锁相技术，利用锁相环路窄带跟踪特性良好的特点，实现输出频率能够准确的锁定于参考信号频率，与参考频率保持同样的频谱纯度和频谱稳定度，且相位差保持不变。直接数字频率合成器是一种全新的数字化频率合成器，它由相位累加器，正弦函数表，数模转换器和低通滤波器组成。直接数字频率合成技术的优点包括频率切换速度快、频率分辨率高、输出噪声低、可产生任意波形以及相位连续等优点。通过对这两种频率合成器的对比研究发现，将锁相环频率合成和直接数字频率合成这两种频率合成技术综合起来能够形成几种比较合理的性能良好的频率合成方案。本文经过对几种频率合成方案进行比较后，选取了经典的DDS激励PLL混合频率合成方案，并且进行了详细的理论推导和软件仿真。仿真结果表明，此种频率合成方案兼具有DDS快速频率变化和高频谱分辨率以及PLL宽频谱范围的优点，是一种存在应用价值的频率合成方案。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:字频率合成DDSPLL频谱分辨率
目录
第一章 绪论 1
1.1课题背景与意义 1
1.2频率合成技术的发展 1
1.3设计环境 4
第二章 锁相环频率合成技术 6
2.1 PLL的工作原理和主要特点 6
2.1.1PLL的基本组成 6
2.1.2PLL的主要特点 7
2.1.3 PLL的工作原理 8
2.2 PLL的整体构架 8
2.2.1鉴相器 9
2.2.2数字滤波器 11
2.2.3数控振荡器 13
2.3 PLL系统的调试与性能分析 14
第三章 直接数字频率合成技术 16
3.1 DDS的工作原理和主要特点 16
3.1.1 DDS的基本组成...................................................................................................16
3.1.2 DDS的工作原理...................................................................................................16
3.2 DDS的整体构架 17
3.2.1相位累加器............................................................................................................18
3.2.2 正弦查询表...........................................................................................................19
3.3 DDS系统的调试与性能分析 22
第四章PLL结合DDS的频率合成器设计 24
4.1系统的设计原理 24
4.2系统的设计方案 24
4.2.1 DDS激励PLL方案 24
4.2.2 DDS内插PLL方案 25
4.2.3最终选择方案 26
4.3系统整体构架 26
4.4系统仿真及性能分析 26
第五章 结束语 29
致谢.................................................................................................................................................30
参考文献 31
附录 33
附录一：部分代码 33
附录二：科技文献翻译 37
第一章 绪论
1.1 课题背景与意义
伴随着信息化社会的高度发展，通信对于人们的生活来说越来越重要，无线通信行业正进行这空前的飞跃和发展，对频源的要求也愈来愈高。传统的石英晶体产生频率的做法已经无法满足需求，尽管石英晶体振荡器产生的频率十分稳定，但其只能在一个极小的范围内进行微调。在无线通信领域内，人们需要能在特定频率范围内提供一系列高精准度和稳定度的频率，所以，在二十世纪三十年代，伴随着电子技术的不断发展以及频率源在电子设备中的大量使用，为了解决既有频率稳定准确，又要频率可以在大范围内可变这一矛盾，合成频率技术应运而生，成为解决频率源问题的最佳途径。频率合成，又叫频率综合，简称频综，它将一个低相位噪声、高稳定度和高精度等综合指标的参考频率源经过混频、倍频和分频等处理，产生大量具有同样频率精确度与稳定度的频率源。频率合成器是电子系统的核心，是关系到电子设备性能的关键部分。随着现代无线通信行业的发展，人们对频率合成器性能提出了越来越高的要求，要求其输出频率能够达到微波频段甚至更高，频率范围从0到几GHZ，频率分辨率达到微赫兹级别甚至更小，相应的频点数更多，频率转换时间达到纳秒级，对频谱纯度的要求也越来越高。高性能的频率合成器有着十分广泛的应用前景，受到世界各国的重视。
1.2 频率合成技术的发展
今年来随着GSM,GPRS,3G，4G以及WLAN等无线接入技术的发展，再加上合成孔径雷达等现代国防、军事、航空航天等在科技上的不断进步与创新，各个国家都十分重视频率合成技术的发展。所有这些社会需求和微电子技术、计算机技术、信号处理技术等本身的进步都大大刺激了频率合成器的发展。
率合成技术起源于上个世纪30年代，到目前为止己经有了几十多年的发展历史。所谓的频率合成技术就是把具有低相位噪声、高精度以及高稳定度等综合性指标的参考频源经过电路上的混频、倍频或者分频等信号处理方式以便对它进行数学意义上面的加、减、乘、除等四则运算，从而能够产生大量具有同样精度的离散频率源。用以实现频率合成的电路被叫做频率合成器，频率合成器是现代电子系统中十分重要的组成部分。在通信、雷达和导航等电子设备中，频率合成器既可以作为发射机的激励信号源，也可以作为接收机的本地振荡器；在电子对抗设备当中，它可以用作为干扰信号发生器；而在测试设备中，可被作为标准信号源，因而频率合成器也被人们称为许多电子系统中的“心脏”。
最早出现的首代频率合成技术就是把一个或者多个基准频率经过倍频、分频、混频等电路方式来实现频率的四则算术运算，最后合成所需要的频率，并用窄带滤波器滤出。因为这种频率合成方法是直接采用对频率进行加减乘除运算，所以人们称之为直接频率合成技术DS(Di=rect Synthesis)。这种具有频率转换速度快、工作频段宽、相位噪声好等优点，在特定的历史时期能够较好地满足了人们的需求。但是，随着电子技术的不断前进与发展，它的不足之处也逐渐的暴露了出来：首先，它需要大量的晶振、倍频器、滤波器、混频器和分频器等硬件设施，所以比较难于集成；其次如何能够抑制谐波和组合频率是设计直接频率合成器主要关注的同时也是很难以解决的问题。
伴随着锁相环技术的应用和发展，其后又出现了间接频率合成技术，就是通过锁相环PLL(Phase．Locked Loop)构成的锁相合成技术，也即是第二代频率合成技术。鉴相杂散、相位噪声和锁相时间是锁相环频率合成器的三个主要指标，最期的PLL频率合成器采用的是模拟锁相环，后来产生了全数字型锁相环以及数模混合的锁相环。由数字鉴相器(内部己经集成分频器)、模拟环路滤波器和压控振荡器构成的混合式锁相环是目前为止最为普遍的PLL频率合成方式。经过对PLL中的压控振荡器的输出信号进行可编程可控的数字分频以后再送回到鉴相器中进行鉴相，就会比较容易的实现多频点的输出。和直接频率合成器相比，锁相环的区别在于，锁相环频率合成系统分析的主要关注点放在了PLL的跟踪、噪声、捕捉性能以及对稳定性的研究上，并不是在对组合频率的抑制上。锁相环频率合成技术的优点在于它具有很宽的输出频率范围，良好的抑制寄生信号性能，输出频谱纯度较高，并且输出的频率也易于程控。它的主要缺点在于频率转换时间不够短从而很难实现快速跳频，另外它的输出信号频率分辨率不高，想要实现小步长的输出则容易产生恶化输出频谱的相位噪声。经过现代通信技术的不断进步与发展，前两代的频率合成技术已经很难能够满足需要，人们开始寻求更好的新的频率合成方式。
上个世纪七十年代，一种崭新的频率合成技术出现了，它就是直接数字频率合成技DDS(Direct Digital Synthesis)。这种技术通过数字方式累加相位，再经过相位和来查找正弦函数表从而得到正弦波的离散数字序列，最后通过数模转换器变换产生模拟正弦波的频率合成方式。直接频率合成技术的优点在于具有很高的频率转换速度、很细的频率分辨率以及相位具有连续性，它能够输出宽带的正交信号，并且容易实现线性调频以及其他的各种相位、频率和幅度调制，它输出信号频率的稳定度和相噪等各项指标与系统时钟相当，并且具有全数字化因而便于单片集成等优良性能。因此在此后短短的二三十年时间里，这种频率合成技术得到了飞速的发展并且被人们广泛应用。但是DDS也有它自身的不足之处，即：输出带宽较小和杂散性能指标不高，输出带宽主要受到DDS工作时钟频率的限制。目前市场上DDS芯片的价格不太高的，如AD9957和AD9858等，它们的工作时钟频率达到1GHz，可以提供400MHz的直接输出信号频率，但是这这对于飞速发展的无线通信依然是远远不够用的。目前广泛应用GaAs技术生产的DDS芯片它的输出频率虽然也能够可达300到400MHz，并且也已有上GHz的DDS芯片产生，但是它们的价格都十分昂贵，难以被广泛应用。随着GaAs器件的进步与发展，DDS输出带宽不足的限制正在被逐渐克服。而杂散是DDS自身所固有的，并且随着输出带宽的不断扩展，杂散也将越来越明显地成为抑制DDS技术发展的主要原因。利用GaAs技术的高速DDS芯片也只能够达到．50到．60dBc。而对于一般的CMOS工艺的DDS芯片，宽带杂散在．50到．60dBc之间，窄带杂散在．65到．90dBc之间，但是其输出信号的频率又比较低，当采用倍频或者变频等手段来提高其输出频率时又会使杂散同样被放大。因此如何能够有效的抑制杂散依旧是高速DDS技术急需解决的首要问题。
直接数字合成技术的出现给频率信号源领域添加了新的内容方式，对于频率合成器的整体发展也产生了极大的影响。近些年来，各种电子系统对频源的要求不断提高，尤其是电子测量设备，不仅要求高带宽、细分辨率，而且要求测试速度较快，因此需要切换时间也要快：在这样的情况下，无论采用何种频率综合方式都肯定难以满足整体系统的要求。因此只有将DDS和锁相环频率合成技术混合使用才能够综合它们的优点，这就是混合式频率合成(Hybrid Frequency Synthesis)。如上文所述，锁相环频率合成技术具有高频率、输出宽带、频谱纯度高等优点，但是它的频率切换速度比较低，只能够达到微秒级。而DDS技术则具有高速频率变换能力(可以达到纳秒级)、高频率和相位分辨力，但是不能做到输出宽带，频谱纯度也不如锁相环。而在设计电路时通常要在带宽、频率精度、频率切换时间、相位噪声等各种要求中进行折衷考虑。因此，出现了将两种频率合成技术结合起来的DDS与PLL混合技术以实现频率合成的方案。
摘要
本篇文章首先介绍了锁相环频率合成器以及直接数字合成技术的基本构造、工作原理以及各自的特点和优缺点。锁相环频率合成器基于锁相技术，利用锁相环路窄带跟踪特性良好的特点，实现输出频率能够准确的锁定于参考信号频率，与参考频率保持同样的频谱纯度和频谱稳定度，且相位差保持不变。直接数字频率合成器是一种全新的数字化频率合成器，它由相位累加器，正弦函数表，数模转换器和低通滤波器组成。直接数字频率合成技术的优点包括频率切换速度快、频率分辨率高、输出噪声低、可产生任意波形以及相位连续等优点。通过对这两种频率合成器的对比研究发现，将锁相环频率合成和直接数字频率合成这两种频率合成技术综合起来能够形成几种比较合理的性能良好的频率合成方案。本文经过对几种频率合成方案进行比较后，选取了经典的DDS激励PLL混合频率合成方案，并且进行了详细的理论推导和软件仿真。仿真结果表明，此种频率合成方案兼具有DDS快速频率变化和高频谱分辨率以及PLL宽频谱范围的优点，是一种存在应用价值的频率合成方案。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:字频率合成DDSPLL频谱分辨率
目录
第一章 绪论 1
1.1课题背景与意义 1
1.2频率合成技术的发展 1
1.3设计环境 4
第二章 锁相环频率合成技术 6
2.1 PLL的工作原理和主要特点 6
2.1.1PLL的基本组成 6
2.1.2PLL的主要特点 7
2.1.3 PLL的工作原理 8
2.2 PLL的整体构架 8
2.2.1鉴相器 9
2.2.2数字滤波器 11
2.2.3数控振荡器 13
2.3 PLL系统的调试与性能分析 14
第三章 直接数字频率合成技术 16
3.1 DDS的工作原理和主要特点 16
3.1.1 DDS的基本组成...................................................................................................16
3.1.2 DDS的工作原理...................................................................................................16
3.2 DDS的整体构架 17
3.2.1相位累加器............................................................................................................18
3.2.2 正弦查询表...........................................................................................................19
3.3 DDS系统的调试与性能分析 22
第四章PLL结合DDS的频率合成器设计 24
4.1系统的设计原理 24
4.2系统的设计方案 24
4.2.1 DDS激励PLL方案 24
4.2.2 DDS内插PLL方案 25
4.2.3最终选择方案 26
4.3系统整体构架 26
4.4系统仿真及性能分析 26
第五章 结束语 29
致谢.................................................................................................................................................30
参考文献 31
附录 33
附录一：部分代码 33
附录二：科技文献翻译 37
第一章 绪论
1.1 课题背景与意义
伴随着信息化社会的高度发展，通信对于人们的生活来说越来越重要，无线通信行业正进行这空前的飞跃和发展，对频源的要求也愈来愈高。传统的石英晶体产生频率的做法已经无法满足需求，尽管石英晶体振荡器产生的频率十分稳定，但其只能在一个极小的范围内进行微调。在无线通信领域内，人们需要能在特定频率范围内提供一系列高精准度和稳定度的频率，所以，在二十世纪三十年代，伴随着电子技术的不断发展以及频率源在电子设备中的大量使用，为了解决既有频率稳定准确，又要频率可以在大范围内可变这一矛盾，合成频率技术应运而生，成为解决频率源问题的最佳途径。频率合成，又叫频率综合，简称频综，它将一个低相位噪声、高稳定度和高精度等综合指标的参考频率源经过混频、倍频和分频等处理，产生大量具有同样频率精确度与稳定度的频率源。频率合成器是电子系统的核心，是关系到电子设备性能的关键部分。随着现代无线通信行业的发展，人们对频率合成器性能提出了越来越高的要求，要求其输出频率能够达到微波频段甚至更高，频率范围从0到几GHZ，频率分辨率达到微赫兹级别甚至更小，相应的频点数更多，频率转换时间达到纳秒级，对频谱纯度的要求也越来越高。高性能的频率合成器有着十分广泛的应用前景，受到世界各国的重视。
1.2 频率合成技术的发展
今年来随着GSM,GPRS,3G，4G以及WLAN等无线接入技术的发展，再加上合成孔径雷达等现代国防、军事、航空航天等在科技上的不断进步与创新，各个国家都十分重视频率合成技术的发展。所有这些社会需求和微电子技术、计算机技术、信号处理技术等本身的进步都大大刺激了频率合成器的发展。
率合成技术起源于上个世纪30年代，到目前为止己经有了几十多年的发展历史。所谓的频率合成技术就是把具有低相位噪声、高精度以及高稳定度等综合性指标的参考频源经过电路上的混频、倍频或者分频等信号处理方式以便对它进行数学意义上面的加、减、乘、除等四则运算，从而能够产生大量具有同样精度的离散频率源。用以实现频率合成的电路被叫做频率合成器，频率合成器是现代电子系统中十分重要的组成部分。在通信、雷达和导航等电子设备中，频率合成器既可以作为发射机的激励信号源，也可以作为接收机的本地振荡器；在电子对抗设备当中，它可以用作为干扰信号发生器；而在测试设备中，可被作为标准信号源，因而频率合成器也被人们称为许多电子系统中的“心脏”。
最早出现的首代频率合成技术就是把一个或者多个基准频率经过倍频、分频、混频等电路方式来实现频率的四则算术运算，最后合成所需要的频率，并用窄带滤波器滤出。因为这种频率合成方法是直接采用对频率进行加减乘除运算，所以人们称之为直接频率合成技术DS(Di=rect Synthesis)。这种具有频率转换速度快、工作频段宽、相位噪声好等优点，在特定的历史时期能够较好地满足了人们的需求。但是，随着电子技术的不断前进与发展，它的不足之处也逐渐的暴露了出来：首先，它需要大量的晶振、倍频器、滤波器、混频器和分频器等硬件设施，所以比较难于集成；其次如何能够抑制谐波和组合频率是设计直接频率合成器主要关注的同时也是很难以解决的问题。
伴随着锁相环技术的应用和发展，其后又出现了间接频率合成技术，就是通过锁相环PLL(Phase．Locked Loop)构成的锁相合成技术，也即是第二代频率合成技术。鉴相杂散、相位噪声和锁相时间是锁相环频率合成器的三个主要指标，最期的PLL频率合成器采用的是模拟锁相环，后来产生了全数字型锁相环以及数模混合的锁相环。由数字鉴相器(内部己经集成分频器)、模拟环路滤波器和压控振荡器构成的混合式锁相环是目前为止最为普遍的PLL频率合成方式。经过对PLL中的压控振荡器的输出信号进行可编程可控的数字分频以后再送回到鉴相器中进行鉴相，就会比较容易的实现多频点的输出。和直接频率合成器相比，锁相环的区别在于，锁相环频率合成系统分析的主要关注点放在了PLL的跟踪、噪声、捕捉性能以及对稳定性的研究上，并不是在对组合频率的抑制上。锁相环频率合成技术的优点在于它具有很宽的输出频率范围，良好的抑制寄生信号性能，输出频谱纯度较高，并且输出的频率也易于程控。它的主要缺点在于频率转换时间不够短从而很难实现快速跳频，另外它的输出信号频率分辨率不高，想要实现小步长的输出则容易产生恶化输出频谱的相位噪声。经过现代通信技术的不断进步与发展，前两代的频率合成技术已经很难能够满足需要，人们开始寻求更好的新的频率合成方式。
上个世纪七十年代，一种崭新的频率合成技术出现了，它就是直接数字频率合成技DDS(Direct Digital Synthesis)。这种技术通过数字方式累加相位，再经过相位和来查找正弦函数表从而得到正弦波的离散数字序列，最后通过数模转换器变换产生模拟正弦波的频率合成方式。直接频率合成技术的优点在于具有很高的频率转换速度、很细的频率分辨率以及相位具有连续性，它能够输出宽带的正交信号，并且容易实现线性调频以及其他的各种相位、频率和幅度调制，它输出信号频率的稳定度和相噪等各项指标与系统时钟相当，并且具有全数字化因而便于单片集成等优良性能。因此在此后短短的二三十年时间里，这种频率合成技术得到了飞速的发展并且被人们广泛应用。但是DDS也有它自身的不足之处，即：输出带宽较小和杂散性能指标不高，输出带宽主要受到DDS工作时钟频率的限制。目前市场上DDS芯片的价格不太高的，如AD9957和AD9858等，它们的工作时钟频率达到1GHz，可以提供400MHz的直接输出信号频率，但是这这对于飞速发展的无线通信依然是远远不够用的。目前广泛应用GaAs技术生产的DDS芯片它的输出频率虽然也能够可达300到400MHz，并且也已有上GHz的DDS芯片产生，但是它们的价格都十分昂贵，难以被广泛应用。随着GaAs器件的进步与发展，DDS输出带宽不足的限制正在被逐渐克服。而杂散是DDS自身所固有的，并且随着输出带宽的不断扩展，杂散也将越来越明显地成为抑制DDS技术发展的主要原因。利用GaAs技术的高速DDS芯片也只能够达到．50到．60dBc。而对于一般的CMOS工艺的DDS芯片，宽带杂散在．50到．60dBc之间，窄带杂散在．65到．90dBc之间，但是其输出信号的频率又比较低，当采用倍频或者变频等手段来提高其输出频率时又会使杂散同样被放大。因此如何能够有效的抑制杂散依旧是高速DDS技术急需解决的首要问题。
直接数字合成技术的出现给频率信号源领域添加了新的内容方式，对于频率合成器的整体发展也产生了极大的影响。近些年来，各种电子系统对频源的要求不断提高，尤其是电子测量设备，不仅要求高带宽、细分辨率，而且要求测试速度较快，因此需要切换时间也要快：在这样的情况下，无论采用何种频率综合方式都肯定难以满足整体系统的要求。因此只有将DDS和锁相环频率合成技术混合使用才能够综合它们的优点，这就是混合式频率合成(Hybrid Frequency Synthesis)。如上文所述，锁相环频率合成技术具有高频率、输出宽带、频谱纯度高等优点，但是它的频率切换速度比较低，只能够达到微秒级。而DDS技术则具有高速频率变换能力(可以达到纳秒级)、高频率和相位分辨力，但是不能做到输出宽带，频谱纯度也不如锁相环。而在设计电路时通常要在带宽、频率精度、频率切换时间、相位噪声等各种要求中进行折衷考虑。因此，出现了将两种频率合成技术结合起来的DDS与PLL混合技术以实现频率合成的方案。
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