小數(shù)分頻鎖相頻率合成器的研究論述

默亞斌

[摘 要]頻率合成器是雷達(dá)、通信設(shè)備、電子偵察設(shè)備當(dāng)中的重要部件，因此在現(xiàn)代的科技領(lǐng)域當(dāng)中具有極大的研究價(jià)值。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，頻率合成器的功能也更加的完善。小數(shù)分頻鎖相頻率合成器是近年來新研發(fā)的一種高分辨率、高穩(wěn)定性、低噪聲的一種新型頻率合成器。本文從鎖相環(huán)設(shè)計(jì)方法、工作原理、工作性能等方面對小數(shù)分頻鎖相頻率合成器進(jìn)行了研究。

[關(guān)鍵詞]小數(shù)分頻 鎖相 頻率合成器

中圖分類號：TN74 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）02-0394-01

頻率合成器的主要功能是產(chǎn)生電頻或調(diào)頻，從而達(dá)到傳輸信號的作用。因此，頻率合成器被廣泛應(yīng)用于信號源的構(gòu)建上。在現(xiàn)代電子設(shè)備中，頻率合成器也是十分常見的一種部件，例如在雷達(dá)設(shè)備、電子信息設(shè)備中通常都能找到頻率合成器。小數(shù)分頻鎖相頻率合成器是頻率合成器的一種類型，主要由晶體振蕩器、分頻器、相位電路等幾個(gè)部分組成。與其他頻率合成器相比，具有調(diào)頻速度快、分辨率高等特點(diǎn)，因而在近幾年獲得了廣泛的應(yīng)用。

1.頻率合成技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度十分驚人，由此產(chǎn)生的電子設(shè)備類型也極為豐富，尤其是在通信、航天、電子等領(lǐng)域，技術(shù)和設(shè)備更新?lián)Q代的速度極高。這為頻率合成技術(shù)的發(fā)展提供了一個(gè)良好的平臺。頻率合成器的各項(xiàng)功能有了明顯的完善，造價(jià)成本則有了一定的下降，從而促進(jìn)了這一設(shè)備的廣泛應(yīng)用。頻率合成器的類型也變得更加豐富。傳統(tǒng)的電壓型頻率合成器已經(jīng)不是最常使用的設(shè)備類型，小數(shù)分頻鎖相合成器得到了快速的發(fā)展。這種新型設(shè)備的優(yōu)勢在于，能夠在實(shí)現(xiàn)同步步進(jìn)的基礎(chǔ)上顯著提高分辨率，進(jìn)而進(jìn)一步降低設(shè)備的生產(chǎn)應(yīng)用成本。隨著電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，小數(shù)分頻鎖相頻率合成器的各項(xiàng)性能也將得到更好的完善和發(fā)展。

2.鎖相環(huán)的基本理論

2.1 鎖相環(huán)基本理論

從根本上來說，鎖相環(huán)是一個(gè)控制電路，主要由鑒相器、振蕩器、濾波器等幾個(gè)部分組成。在鎖相環(huán)電路中，標(biāo)準(zhǔn)相位與振蕩器中的實(shí)際信號相位之間會產(chǎn)生一個(gè)差值。這個(gè)相位差在經(jīng)過濾波器會形成一個(gè)電壓。這個(gè)電壓會改變振蕩器的輸出頻率。因此，振蕩器的相位與頻率之間是存在一個(gè)正相關(guān)的函數(shù)關(guān)系的，實(shí)際上就是相位控制了振蕩器中的頻率變化。要得出振蕩器中的頻率大小，只需要檢測其中的相位即可。

2.2 壓控振蕩器

當(dāng)電路中輸入一個(gè)電壓時(shí)，就會輸出一個(gè)相應(yīng)的頻率，這就是壓控振蕩器的作用原理。在壓控振蕩器中，電路中的輸入電壓控制著輸出頻率的大小。但這種控制難以在較長的時(shí)間內(nèi)保持線性關(guān)系，只能在一個(gè)范圍內(nèi)保持相對的穩(wěn)定。當(dāng)頻率的變化幅度超出一定的范圍時(shí)，壓控制振蕩器的控制精度就會受到影響，進(jìn)一步影響輸出頻率的大小。

2.3 環(huán)路濾波器

鎖相環(huán)的電路中存在環(huán)路濾波器，這會導(dǎo)致電路的輸出信號受到干擾，通常會比正常值偏小。當(dāng)輸出頻率較低時(shí)，這種影響作用較小，主要原因是頻率較小的信號可以較為順利的通過濾波器。當(dāng)信號的頻率較大時(shí)，就會受到低通濾波器的過濾，從而限制了信號的傳輸。低通濾波器的組成部分包括電容和電阻兩個(gè)部分。有一些環(huán)路濾波器中還會設(shè)置頻率放大器。

3.鎖相環(huán)路的性能

3.1 鎖相環(huán)路的捕獲性能

鎖相環(huán)路并不是一開機(jī)就自動(dòng)鎖定的。事實(shí)上，在開機(jī)、調(diào)頻或開環(huán)到閉環(huán)的一段時(shí)間內(nèi)，鎖相環(huán)路是出于打開的狀態(tài)的。鎖相環(huán)路是通過捕獲的過程進(jìn)入鎖定的狀態(tài)的。在捕獲過程的第一個(gè)階段中，只存在相位捕獲。在這一階段，電路中不存在周期性的頻率。二階環(huán)是鎖相環(huán)路中最常見的一種環(huán)路類型。環(huán)路中包含一個(gè)壓控振蕩器和一個(gè)一階環(huán)路濾波器。這些部件共同起到了控制電壓大小的作用，最終完成環(huán)路鎖定的過程。

頻率捕獲完成所需要的時(shí)間被稱為捕獲時(shí)間，其中包括了頻率捕獲時(shí)間和相位捕獲時(shí)間兩個(gè)部分。通常，頻率捕獲時(shí)間都要遠(yuǎn)高于相位捕獲時(shí)間，因此在大多數(shù)情況下，相位捕獲時(shí)間可以直接省略，而將頻率捕獲時(shí)間近似的看做捕獲時(shí)間。

3.2 鎖相環(huán)路的跟蹤性能

當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，輸出頻率與輸入頻率是一致的，但兩者之間存在一定的相位差。當(dāng)輸入信號的頻率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，環(huán)路會通過自動(dòng)控制的作用來改變輸出信號頻率的大小。這一過程通常由壓控振蕩器來完成。壓控振蕩器通過變化相位跟蹤輸入信號的變化狀態(tài)，從而體現(xiàn)了鎖相環(huán)路的跟蹤性能。

當(dāng)鎖相環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，相位的變動(dòng)是較小的。這時(shí)可以根據(jù)線性函數(shù)對變化的相位進(jìn)行計(jì)算，環(huán)路也被近似看做是一個(gè)線性的體系。這種信號跟蹤方式被稱為線性跟蹤。當(dāng)相位的變動(dòng)幅度較大時(shí)，環(huán)路會出現(xiàn)解鎖的現(xiàn)象。這時(shí)線性跟蹤的方式不再適用。，而需要采用非線性微分進(jìn)行求解。

3.3 鎖相環(huán)路的主要指標(biāo)分析

鎖相環(huán)路常用的指標(biāo)主要有六項(xiàng)，分別是相位噪聲、雜散抑制、輸出頻率范圍、調(diào)頻步進(jìn)、調(diào)頻時(shí)間、頻率漂移。其中，相位噪聲主要體現(xiàn)了頻率合成器在一段時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定性。通常，載波的頻率會受到相位噪聲的影響，隨著噪聲的增加而變大。變化的范圍從1赫茲到幾千赫茲不等。這幾項(xiàng)指標(biāo)共同決定著頻率合成器使用的成本、體積、功能等。其中，雜散水平、相位噪聲和頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間是影響最大的幾項(xiàng)指標(biāo)。

4.鎖相環(huán)頻率合成器的相位噪聲分析

頻率合成器的相位噪聲會對其功能的發(fā)揮、靈敏度、信號強(qiáng)度等產(chǎn)生極大的影響，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)混頻的問題，導(dǎo)致接收器失靈。因此，對于鎖相環(huán)頻率合成器的相噪指標(biāo)進(jìn)行研究是十分有必要的。

4.1 相位噪聲的基本概念

相位噪聲是體現(xiàn)頻率合成器短期內(nèi)穩(wěn)定性的一項(xiàng)指標(biāo)。相位噪聲的存在對于載波的頻譜寬度也會產(chǎn)生影響。通常，在頻率合成器中都會出現(xiàn)一定的無用信號，這些信號的頻率、相位等會對有用的信號產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾，這些信號就被稱為相位噪聲。相位噪聲在頻域和時(shí)域上體現(xiàn)出不同的特性。在時(shí)域中，相位噪聲是以正弦波的方式出現(xiàn)的。而在頻域中則是余弦波的形式。

4.2 鎖相環(huán)系統(tǒng)的相位噪聲處理

鎖相環(huán)路對于壓控振蕩器的噪聲有高通的效果，為了有效的抑制鎖相環(huán)路中的各種噪聲，必須適當(dāng)?shù)脑黾迎h(huán)路的帶寬，從而達(dá)到優(yōu)化相位噪聲的作用。在實(shí)際操作的過程中，可以將環(huán)路帶寬設(shè)置為交叉頻率的大小，通過晶振來控制鎖相環(huán)系統(tǒng)的相位噪聲。

5.結(jié)語

頻率合成器在我國已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展歷程。在發(fā)展的過程中，頻率合成器的技術(shù)不斷完善，尤其是小數(shù)分頻鎖相頻率合成器的發(fā)明和使用，給電子、通信、航空航天等領(lǐng)域帶來了極大的革新。

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