頻率合成器

頻率合成器是利用一個或多個標準信號，通過各種技術途徑產生大量離散頻率信號的設備。直接數字式頻率合成(DDS)技術是繼直接頻率合成和間接頻率合成之後，隨著數字集成電路和微電子技術的發展而迅速發展起來第三代頻率合成技術。它以數字信號處理理論為基礎，從信號的幅度相位關係出發進行頻率合成，具有極高的頻率解析度、極短的頻率轉換時間、很寬的相對帶寬、頻率轉換時信號相位連續、任意波形的輸出能力及數字調製功能等諸多優點，正廣泛地應用於儀器儀錶、遙控遙測通信、雷達、電子對抗、導航以及廣播電視等各個領域。尤其是在短波跳頻通信中，信號在較寬的頻帶上不斷變化，並且要求在很小的頻率間隔內快速地切換頻率和相位，因此採用DDS技術的本振信號源是較為理想的選擇。這種方法簡單可靠、控制方便，且具有很高的頻率解析度和轉換速度，非常適合快速跳頻通信的要求。

頻率合成器的實現方法有3種：直接模擬頻率合成、間接頻率合成和直接數字頻率合成。

根據出現的時間順序，可將其分為3代。

第一代：直接模擬頻率合成技術。利用一個或多個不同的晶體振蕩器作為基準信號源，經過倍頻、分頻、混頻等途徑直接產生許多離散頻率的輸出信號，稱為直接式頻率合成。這種方法獲得的信號具有頻率的長期和短期穩定度高、頻率變換速度快等特點，但調試難度大，雜散抑制難。

第二代：鎖相頻率合成技術。在20世紀50年代出現了鎖相式頻率合成器，也稱為間接式合成器。它利用一個或者幾個參考頻率源，通過諧波發生器混頻和分頻等產生大量的諧波或組合頻率，然後用鎖相環，把壓控振蕩器的頻率鎖定在某一諧波或組合頻率上。由壓控振蕩器間接產生所需頻率輸出。這種方法優點是由於鎖相環路相當於一個窄帶跟蹤濾波器，因此能很好地選擇所需頻率的信號，抑止雜散分量，避免了大量使用濾波器，有利於集成化和小型化。

第三代：直接數字頻率合成技術。20世紀70年代以來，隨著數字集成電路和微電子技術的發展，出現了一種新的合成方法——直接數字式頻率合成（DDS）技術。它從相位的概念出發進行頻率合成，採用了數字採樣存儲技術，具有精確的相位、頻率分辨力，快速的轉換時間等衝突優點。

頻率合成器作用是給微波掃頻信號提供一定分辨力的頻率參考信號，並對微波信號輸出頻率進行逐點鎖定，以得到高準確度和穩定度的掃頻輸出信號。

輸出點頻信號和掃頻信號是微波合成掃源的基本功能。而點頻輸出又是掃頻輸出的基礎(掃頻信號的輸出可以利用點頻通過程序控制的方法實現)。下面是點頻功能的實現演演算法。

(1)用戶在前面板上設置需要設定的頻率f0。

(2)判斷f0屬於哪個頻段，求出YTO的輸出頻率fYTO。並對YTO進行預置頻率。

(3)根據fYTO和f0算出YTO鑒相器參考頻率，由此推出取樣環和小數分頻環的分頻係數，並將分頻係數置人對應的數據鎖存器。

頻率合成源是微波系統的重要功能單元，在收發信機、雷達探測、通信、檢測儀器等電子設備中被廣泛使用。

從普通VCO、介質振蕩器（DRO）、同軸振蕩器（CRO）、釔鐵石榴石振蕩器(YIG)中選擇合適的振蕩器配以各種合成技術，從而為您提供性價比最高的頻率合成源。配以大洋微波開發的先進的開環預置、閉環實時修正等輔助捕獲技術，可為您提供極短的頻率轉換時間。

直接模擬合成法、鎖相環合成法和直接數字合成法。直接模擬合成法利用倍頻、分頻、混頻及濾波，從單一或幾個參數頻率中產生多個所需的頻率。該方法頻率轉換時間快(小於100ns)，但是體積大、功耗大，目前已基本不被採用。鎖相環合成法通過鎖相環完成頻率的加、減、乘、除運算。該方法結構簡化、便於集成，且頻譜純度高，目前使用比較廣泛，但存在高解析度和快轉換速度之間的矛盾，一般只能用於大步進頻率合成技術中。

頻率合成器是現代電子系統的重要組成部分，在通信、雷達、導航、電子對抗和測試設備中都得到了廣泛的應用。頻率合成器的主要性能指標包括以下幾個方面。

（1）輸出頻率範圍

頻率範圍是指頻率合成器輸出最低頻率和輸出最高頻率之間的變化範圍，包括中心頻率和帶寬兩個方面的含義。

（2）頻率穩定度

頻率穩定度指在規定的時間間隔內，頻率合成器輸出頻率偏離標定值的數值，分為長期、短期和瞬間等3種穩定度。

（3）頻率間隔

頻率間隔是指兩個輸出頻率的最小間隔，也稱頻率解析度。不同用途的頻率合成器，對頻率間隔的要求是不同的，小到幾赫茲，大到兆赫量級。

（4）頻率轉換時間

頻率轉換時間是指輸出頻率由一個頻率轉換到另一個頻率的時間。

（5）頻譜純度

頻譜純度以雜散分量和相位雜訊來衡量，雜散又稱寄生信號，分為諧波分量和非諧波分量兩種，主要由頻率合成過程中的非線性失真產生；相位雜訊是衡量輸出信號相位抖動大小的參數。

（6）調製性能

調製性能是指頻率合成器的輸出是否具有調幅（AM）、調頻（FM）和調相（PM）等功能。

隨著電子技術的不斷發展，對頻率合成器性能的要求越來越高。20世紀80年代以來，各國都在研製和發展各自的DDS產品，現在流行的DDS產品以AnalogDevices公司的最多，主要有AD7008、AD9830-9835、AD9850-9854等十幾種晶元，形成了0～120MHz的寬輸出頻率範圍系列。此外，高通公司也有Q2334、Q2368等產品，這些DDS晶元的時鐘頻率從30MHz到125MHz不等，晶元從一般功能到集成有D/A轉換器和正交調製器。隨著數字信號處理器件的發展，DDS可以在FPGA、DSP等可編程器件上以軟體化的方式實現。

1．直接數字頻率合成的原理

直接數字頻率合成（DDS）技術是相對於直接模擬頻率合成（DAS）技術而言的。DDS直接以離散時間的方式產生信號，通過改變幅度、頻率和相位來生成被調製信號，因此對於數字通信系統來說可以產生任意的波形。軟體無線電系統中的數字上下變頻、本地載波的產生以及壓控震蕩器等重要環節都可以用DDS技術實現。

採用DDS技術的直接數字頻率合成器（DDFS，DirectDigitalFrequencySynthesizer）可分為正弦輸出DDS、脈衝輸出DDS和相位插入DDS等不同的類別，其中正弦輸出DDS應用最為普遍。

對於正弦輸出DDS，波形的產生主要有兩種方法。第一種為實時計算法，這種方法需要實時計算特殊的三角函數值，如果用DSP進行處理實現比較複雜，因此這種方法應用較少。第二種為查表法，其主要思想是將各個相位所對應的正弦值存儲在查找表中（一般用ROM來實現），在實際波形產生過程中只需要根據相位進行相應的查找便可以直接生成正弦波形值。

2．直接數字頻率合成的優點

（1）精確性

（2）相對帶寬寬

（3）頻率解析度高

（4）快速切換的能力

（5）輸出任意波形的能力

（6）體積小功耗低，便於集成

3．直接數字頻率合成的不足

（1）工作頻帶的限制

（2）雜波抑制性能較差

（3）相位雜訊性能低