高頻電子線路第三版課件第8章 反饋控制電路

1、高頻電子線路,西安電子科技大學(xué),內(nèi)容提要,第一章 緒論,第二章 高頻電路基礎(chǔ),第三章 高頻放大器,第四章正弦波振蕩器,第五章 頻譜的線性搬移電路,第六章 振幅調(diào)制、解調(diào)及混頻,第七章 頻譜的線性搬移電路,第八章 反饋控制電路,第九章 高頻電路系統(tǒng)設(shè)計(jì),第8章 反饋控制電路,8.1 自動(dòng)增益控制電路8.2 自動(dòng)頻率控制電路8.3 鎖相環(huán)電路8.4 頻率合成器,4,問(wèn)題,負(fù)反饋放大器的組成、原理與作用什么是接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍

2、？如何保證接收機(jī)載波頻率的準(zhǔn)確與穩(wěn)定？,改善性能穩(wěn)定參數(shù),現(xiàn)有電路無(wú)法解決！,擾動(dòng)來(lái)自外部負(fù)反饋閉合環(huán)路,反饋控制:在系統(tǒng)受到擾動(dòng)的情況下，通過(guò)反饋控制，可使系統(tǒng)的某個(gè)參數(shù)達(dá)到所需精度，或按照一定規(guī)律變化。,非線性環(huán)路，在一定條件下可近似線性參數(shù)與比較器：振幅、頻率、相位,不變變化,有無(wú),位置可變,核心與關(guān)鍵常含濾波器,放大器VCO,反饋控制電路概述,控制范圍控制精度控制速度復(fù)雜度,主要技術(shù)指標(biāo),AGC（Auto

3、matic Gain Control） ----AP（Power）C, AL（Level）CAFC（Automatic Frequency Control）APC（Automatic Phase Control）----PLL（Phase Locked Loop）,類型,不能完全消除誤差，有剩余誤差,反饋控制電路概述,利用電壓誤差信號(hào)來(lái)消除輸出信號(hào)振幅與要求信號(hào)振幅之間誤差,信號(hào)強(qiáng)度：μV～mV, A

4、GC控制范圍幾十分貝。,平均值峰值鍵控式,AGC組成原理,維持輸出電壓基本不變,初始幅差,,有誤差的控制電路,AGC方式,前置AGC后置AGC基帶AGC,瞬時(shí)AGC對(duì)數(shù)放大器限幅放大+帶通濾波,AGC方式,,控制高放增益,,延遲AGC,動(dòng)態(tài)范圍,主要性能指標(biāo),響應(yīng)時(shí)間,要求AGC電路的反應(yīng)既要能跟得上輸入信號(hào)振幅 Ui 的變化速度，又不會(huì)出現(xiàn)反調(diào)制現(xiàn)象。 響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短的調(diào)節(jié)由環(huán)路帶寬決定，主要

5、是低通濾波器的帶寬。低通濾波器帶寬越寬，則響應(yīng)時(shí)間越短，但容易出現(xiàn)反調(diào)制現(xiàn)象。 LPF時(shí)間常數(shù)選?。赫Z(yǔ)音調(diào)幅0.02~0.2s 等幅電平：0.1~1s AM信號(hào)：,主要性能指標(biāo),改變放大器的偏置,反

6、向AGC,正向AGC,反向AGC,AGC實(shí)現(xiàn)方法,改變放大器負(fù)載或電調(diào)衰減器的衰減量,AGC實(shí)現(xiàn)方法,MC3340是專門用作可控衰減器的集成芯片，它是可變衰減器AGC的典型代表。,,AGC實(shí)現(xiàn)方法,,改變放大器的負(fù)反饋深度（IC中常用）,AGC實(shí)現(xiàn)方法,,實(shí)際AGC電路,,AM收音機(jī)平均值簡(jiǎn)單AGC,,自動(dòng)功率控制電路,已調(diào)波線性功率放大器,利用輸入量與輸出量之間的頻率誤差來(lái)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的頻率，使輸出的振蕩頻率保持穩(wěn)定，或者在盡可能小的

7、頻率誤差下，保持輸出量與輸入量之間的頻率跟蹤。有剩余頻差，輸出頻率穩(wěn)定在 （初始頻差 ） LPF濾除快變化分量,AFC組成原理,限幅鑒頻器（中心頻率即參考頻率）混頻-鑒頻器（中心頻率為fI）,VCO,AFC組成原理,AFC組成原理,正極性,負(fù)極性,AFC組成原理,穩(wěn)態(tài)剩余頻差,直接鎖定，不調(diào)整

8、,鑒頻特性與壓控特性極性相反才能穩(wěn)定為使剩余頻差小，需兩個(gè)靈敏度高,,AFC組成原理,同步帶（跟蹤帶）>捕捉帶,AFC電路應(yīng)用,接收機(jī)中的自動(dòng)頻率微調(diào)電路（AFC）,輸入若為FM信號(hào)，可直接從鑒頻器輸出;穩(wěn)定中頻頻率，通頻帶裕量減小，提高靈敏度和選擇性;載波跟蹤型（慢變化）。,AFC電路應(yīng)用,直接調(diào)頻發(fā)射機(jī),穩(wěn)定載波頻率載波跟蹤型（LPF帶寬窄）,FM振蕩器,放大器,LPF,鑒頻器,混頻器,晶振,,,,,,,,,中心頻率,

9、AFC電路應(yīng)用,調(diào)頻負(fù)反饋解調(diào),不失真；中頻帶寬窄，噪聲功率低，解調(diào)門限低，有利于對(duì)微弱信號(hào)的接收與解調(diào)；LPF帶寬寬，調(diào)制跟蹤型AFC。,AFC電路應(yīng)用,線性掃頻電路,減小掃頻失真掃頻范圍寬（幾百kHz~上百M(fèi)Hz）,利用相位誤差來(lái)消除頻率誤差的相位跟蹤系統(tǒng)；鎖定或跟蹤后有剩余相差，無(wú)剩余頻差； 可實(shí)現(xiàn)良好的跟蹤（頻率與相位，窄帶跟蹤與調(diào)制跟蹤）性能，并具有窄帶濾波能力；門限性

10、能好；模擬PLL、數(shù)字PLL、軟件PLL。,PLL組成原理,非線性環(huán)節(jié)比相模擬、數(shù)字,濾除誤差電壓ud(t) 中的高頻成分和噪聲，保證環(huán)路性能，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。,設(shè)輸入?yún)⒖夹盘?hào)為 輸出信號(hào)是 若輸入信號(hào)為單一載波，則 θr(t) = θr。輸出信號(hào)的相位能夠跟蹤輸入信號(hào)相位的變化，兩者之間的相位差為,,,,,,,,在VCO未受控之前θo(t) 是常數(shù)。當(dāng)環(huán)路入鎖之后 θo(t

11、)是時(shí)間的函數(shù)，而θe(t)為一個(gè)很小的穩(wěn)態(tài)相位誤差，即,此時(shí)，輸出信號(hào)已偏離原有的振蕩頻率，其偏差量由上式得,輸出信號(hào)的頻率已變?yōu)?,通過(guò)鎖相環(huán)路的相位跟蹤作用，最終使被控壓控振蕩器頻率ω0與輸入信號(hào)頻率ωr相同，兩者之間僅維持了一個(gè)很小的穩(wěn)態(tài)相差。,問(wèn) 題,,PD在什么情況下可近似為線性？線性系統(tǒng)常用的分析方法是什么？比照AFC環(huán)路，PLL環(huán)路可能有哪幾種狀態(tài)或過(guò)程？,變換域的傳輸函數(shù)：頻域（傅里葉變換）或復(fù)頻域（拉普拉斯變換

12、）；失鎖、捕捉、鎖定、跟蹤（同步）,鎖相環(huán)（PLL）電路,,主要內(nèi)容：,PLL環(huán)路方程與狀態(tài)分析PLL性能近似分析PLL電路的應(yīng)用,鎖相環(huán)（PLL）電路,數(shù)學(xué)模型之鑒相器,,,,,,定義幾個(gè)與頻率和相位有關(guān)的量 ：,,,,,化簡(jiǎn)，均以 為參考（設(shè)初始相位 為零）,,鑒相器的功能：產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓，此電壓的平均分量 正比于兩輸

13、入信號(hào)的相位差,,理想鑒相器傳輸特性,為鑒相靈敏度，單位是V/rad,,,,,常用模擬乘法器做鑒相器，其傳輸特性：,,為正弦鑒相器最大輸出電壓，單位是伏,,③ 鑒相特性為非線性， 當(dāng) 時(shí) ，正弦鑒相可以近似為線性,② 鑒相范圍是：,,,功能：低通濾波器 ，濾除 中高頻與噪聲,,電路特點(diǎn)： 線性電路，可用傳遞函數(shù) 描述,,常用的環(huán)路濾波器——三種,數(shù)學(xué)模型之環(huán)路濾波器,環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù),時(shí)

14、間常數(shù),當(dāng) 時(shí)， ；當(dāng) 時(shí)，,,簡(jiǎn)單RC積分濾波器,當(dāng) 時(shí)， ；當(dāng) 時(shí)，,與簡(jiǎn)單RC濾波器不同，趨于比例常數(shù) 而不是 0,,,無(wú)源比例積分濾波器,分子引入一個(gè)零點(diǎn),,有源比例積分濾波器,,時(shí)間常數(shù) 和,

15、特點(diǎn)：理想積分濾波器，分子引入一個(gè)零點(diǎn),,,,與無(wú)源比例積分濾波器相同，高頻增益趨于常數(shù),環(huán)路濾波器的主要指標(biāo),功能 —— 電壓控制頻率振蕩器,VCO 數(shù)學(xué)模型,注意：VCO電壓輸入鑒相器，起作用的是其相位,,,求VCO受控相位：,數(shù)學(xué)模型之壓控振蕩器,鎖相環(huán)完整的數(shù)學(xué)模型,環(huán)路的基本方程,,用相位表示:,,用頻率表示:,,用微分算子 表示 :,環(huán)路方程的含義,用頻率表示:,,,,,,② 是非線性微分方程，它的非線

16、性主要來(lái)自鑒相器 。 微分方程的階數(shù)是環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù) 的階數(shù)加 1,描述了輸入信號(hào)與輸出信號(hào)間的相位(或角頻率)的關(guān)系： ～,而不是輸入電壓 與輸出電壓 間的幅度關(guān)系。,如，RC濾波器 是一階，則環(huán)路方程是：,③ 當(dāng)誤差相位 比較小時(shí)，由于 環(huán)路非線性微分方程可線性化,,PLL工作狀態(tài)分析,,,,,,鎖定狀態(tài),,鎖定時(shí)的穩(wěn)態(tài)相位誤差,為什

17、么會(huì)有穩(wěn)態(tài)相位誤差？,,,,,,,穩(wěn)態(tài)相位誤差多大？,,,,跟蹤——鎖定時(shí)，若輸入信號(hào)頻率或相位發(fā)生變化， 環(huán)路通過(guò)自身調(diào)節(jié)，來(lái)維持鎖定狀態(tài)的過(guò)程稱為跟蹤,,求出系統(tǒng)傳遞函數(shù),線性跟蹤狀態(tài),線性化鎖相環(huán)模型：,,,,,,,,,,1. 開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù),開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù),3. 誤差傳遞函數(shù),2. 閉環(huán)傳遞函數(shù),,,,,理解傳遞函數(shù)的含義,,① 傳遞函數(shù)是將鎖相環(huán)近似為線性系統(tǒng)后得出的， 要求,② 鎖相環(huán)是相位傳遞系統(tǒng)。傳遞函

18、數(shù)中的S表示輸入輸出信號(hào) 相位變化的頻率，而不是輸入輸出信號(hào)的載頻。,,,,,,——環(huán)路阻尼系數(shù)（無(wú)量綱）,——環(huán)路無(wú)阻尼振蕩頻率（rad/s),,引入 和 來(lái)描述鎖相環(huán)的傳遞函數(shù),不同環(huán)路濾波器對(duì)應(yīng)的 表達(dá)式,傳遞函數(shù)與環(huán)路濾波器關(guān)系,,,,,,,鎖相環(huán)的階和型,鎖相環(huán)輸入信號(hào)的相位（頻率）變化情況：,相位突變——PSK調(diào)制信號(hào),頻率突變——FSK調(diào)制信號(hào),頻率（相位）正弦變化——模擬調(diào)

19、頻FM（調(diào)相PM）,跟蹤分析什么？,瞬態(tài)響應(yīng),相位誤差歷經(jīng)：從穩(wěn)態(tài) → 時(shí)變 → 鎖定后達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)相位誤差,分析瞬態(tài)響應(yīng)的方法,,=,穩(wěn)態(tài)相位誤差 =,輸入信號(hào)頻率階躍時(shí)環(huán)路的跟蹤過(guò)程,,,,初始狀態(tài)：環(huán)路鎖定、 、,解：① 求 輸入信號(hào)相位的變化及對(duì)應(yīng)的拉氏變換,,,求：,,,③ 求誤差相位隨時(shí)間的變化,,,通過(guò)拉氏反變換，由 求得,,對(duì)于不同的環(huán)路濾波器， 不同， 不同，

20、 不同,（設(shè) 阻尼系數(shù) 0 < < 1），反拉氏變換得：,簡(jiǎn)單RC濾波器:,有源理想比例積分濾波器：,④ 求穩(wěn)態(tài)相位誤差,,如何減小跟蹤過(guò)程的穩(wěn)態(tài)相位誤差：,①,② 選用有源濾波器,瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)渡過(guò)程分析,以有源理想比例積分濾波器為例：,,觀察歸一化曲線,,a. 頻率跳變－脫離鎖定－新的鎖定－頻率重新相等 —需要一定的響應(yīng)時(shí)間,b. 最大的瞬態(tài)相位誤差 ——過(guò)沖量,,,,,衡量瞬態(tài)響應(yīng)的三個(gè)參數(shù)：相對(duì)過(guò)沖量—

21、—僅取決于阻尼系數(shù)響應(yīng)時(shí)間——穩(wěn)態(tài)相位誤差—— (RC 濾波器）,,如何合理選擇環(huán)路及環(huán)路參數(shù)，解決上述矛盾？,跟蹤頻率階躍時(shí)穩(wěn)態(tài)相位誤差的一般表達(dá)式：,,,結(jié)論：采用有源濾波器的環(huán)路——II 型環(huán)的跟蹤性能優(yōu)于 采用無(wú)源濾波器的環(huán)路——I 型環(huán),跟蹤性能主要取決于環(huán)路的“型”，而不是“階”,,,正弦響應(yīng),初始狀態(tài)：環(huán)路鎖定于,,設(shè)：輸入信號(hào)為調(diào)頻波,,,,,,,,,,閉環(huán)傳遞函數(shù) 的

22、含義：,表征了鎖相環(huán)路對(duì)角頻率 為不同值的輸入相位 的通過(guò)能力,,,VCO輸出信號(hào)：,,結(jié)論：控制鎖相環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)的帶寬，就能決定輸出信號(hào) 是否跟蹤上輸入信號(hào)的角度調(diào)制變化,以理想積分濾波器為環(huán)路濾波器的鎖相環(huán)為例,,,,,代入，得幅頻特性：,,令 = ，將下降3dB所對(duì)應(yīng)的頻率記為 ，得：,,,推論：可以用 來(lái)說(shuō)明環(huán)路3dB帶寬的大小,鎖相環(huán)作為帶通濾波器的應(yīng)用,寬

23、帶環(huán)——寬帶調(diào)制跟蹤環(huán)——用于調(diào)頻波解調(diào),窄帶環(huán)——在很高的載頻上實(shí)現(xiàn)通頻帶極窄的濾波器， 相當(dāng)于具有極高的Q值——用于載波提取,帶寬的調(diào)節(jié)——調(diào)節(jié)環(huán)路增益 ，時(shí)間常數(shù),非線性跟蹤 —— 同步,,,,,跟蹤過(guò)程中，誤差相位 較大，環(huán)路方程不能線性化,分析方法——環(huán)路非線性微分方程（分析略）,同步帶 ——環(huán)路鎖定，輸入信號(hào)頻率極緩慢變化時(shí)，環(huán)路能保持鎖定（跟蹤上）

24、的最大輸入頻差,能鎖定的允許最大,初始狀態(tài)——環(huán)路鎖定,控制頻差達(dá)最大值,,捕捉過(guò)程,分析依據(jù)：環(huán)路非線性微分方程,當(dāng)輸入固有頻差 為不同值時(shí)的捕捉情況,（1） 很大,分析捕捉過(guò)程時(shí)，假設(shè)輸入信號(hào)頻率 不變,正弦鑒相器輸出：,,,,,很大， 頻率很高,環(huán)路濾波器是RC低通——濾除 ，,,（2） 較小,正弦鑒相器輸出：,定性分析,較小時(shí)的捕捉特征,VCO的

25、頻率變化：,,,,,快捕帶與環(huán)路的參數(shù)關(guān)系如何？,,,,若采用RC低通濾波器，它的傳遞函數(shù)為：,則,,若滿足 >> ,則有：,采用不同環(huán)路濾波器，快捕帶不同,若采用理想二階環(huán)，則,,,,,捕捉過(guò)程:,,（3） 間于上述兩者之間,,,,VCO的頻率變化——正弦,結(jié)果： 、 是不對(duì)稱的正弦波,,,,,,鑒相器的輸出 變?yōu)檎胫荛L(zhǎng)，負(fù)半周短的不對(duì)稱正弦波,,由于頻差減小，LF(

26、低通）對(duì) 的通過(guò)能力增大，即,>,,鑒相器輸出的差拍信號(hào)的頻率逐漸降低,捕捉過(guò)程使:,,,相位捕獲TS,頻率捕獲TF,直流,推論——一階環(huán)只有快捕，沒(méi)有頻率牽引,（3）環(huán)路濾波器及環(huán)路增益對(duì)捕捉性能影響很大,,,,,,推論：捕捉帶總是小于同步帶,同步跟蹤,,,,,,,,,,,,捕捉時(shí)間與環(huán)路參數(shù)的關(guān)系,,縮短捕捉時(shí)間的思路：,環(huán)路輔助捕捉方法,,減小初始頻差法,VCO粗調(diào)電壓+頻率掃描,變帶寬和變?cè)鲆娣?輔助鑒頻法

27、,頻差估計(jì)法,縮短捕捉時(shí)間實(shí)例 1：,頻率合成器原理圖,當(dāng)N變化時(shí)，環(huán)路失鎖——需重新捕獲——鎖定,,鎖定時(shí)進(jìn)入鑒相器兩信號(hào)頻率相等：,頻率合成器例 2：,增添一鑒頻器,鑒頻器功能——將兩個(gè)輸入信號(hào)的頻率差變?yōu)殡妷?環(huán)路鎖定時(shí)—— 兩信號(hào)頻率相等，鑒頻器輸出電壓為 0,進(jìn)一步改進(jìn)：采用新器件——鑒頻鑒相器代替鑒相器,鎖相環(huán)設(shè)計(jì)之技術(shù)指標(biāo),（1）靜態(tài)特性：穩(wěn)態(tài)相位誤差,（3）捕捉特性：快捕帶 ，捕捉帶 ，捕捉時(shí)間,,（

28、4）噪聲濾波性能：環(huán)路噪聲帶寬,（5）環(huán)路穩(wěn)定性：相位裕量、幅度裕量,,有源比例積分濾波器——II 型環(huán)，跟蹤性能較好,鎖相環(huán)設(shè)計(jì)之環(huán)路濾波器選擇,,,,鎖相環(huán)設(shè)計(jì)之設(shè)計(jì)考慮,鎖相環(huán)的應(yīng)用,鎖相調(diào)頻,,,實(shí)現(xiàn)調(diào)制的的條件是：調(diào)制信號(hào)的頻譜要處于低通濾波器通頻帶之外，并且調(diào)頻指數(shù)不能太大。,當(dāng)調(diào)制信號(hào)為鋸齒波時(shí)，可輸出掃頻信號(hào)。當(dāng)調(diào)制信號(hào)為數(shù)字脈沖時(shí)，可產(chǎn)生移頻鍵控調(diào)制（FSK信號(hào)）。,,,鎖相鑒頻,將環(huán)路的頻帶設(shè)計(jì)的足夠?qū)?，使環(huán)路捕捉帶

29、大于調(diào)頻波的最大頻偏，利用鎖相環(huán)的跟蹤特性，可以使VCO的振蕩頻率跟蹤輸入調(diào)頻波的瞬時(shí)頻率。,調(diào)頻波鎖相解調(diào)的優(yōu)點(diǎn)是解調(diào)門限值比普通鑒相器低4—5dB。,,,同步檢波器,,同步載頻提?。ㄆ椒江h(huán)）,鎖相接收機(jī)（載波跟蹤）,中頻放大器,限幅器,鑒相器,混頻器,壓控振蕩器,環(huán)路濾波器,頻率捕捉電路,,,,,,,,,,,窄帶濾波器,,,,至測(cè)速系統(tǒng),衛(wèi)星信號(hào)極微弱；多普勒效應(yīng)載頻偏移。,信號(hào)解調(diào),鎖相倍頻鎖相分頻鎖相混頻鎖相

30、頻合,頻率合成,頻率合成（FS）原理,問(wèn) 題,,一個(gè)晶振的輸出經(jīng)混頻（+/-）、倍頻（乘）和分頻（除）以及鎖相環(huán)后，其頻率穩(wěn)定度如何變化？晶振和VCO相比，各有什么特點(diǎn)？如何快速輸出大量具有相同頻率穩(wěn)定度的信號(hào)（相干）？,頻率合成器：頻率穩(wěn)定性高，可變性好。,晶體振蕩器：頻率穩(wěn)定性高，可變性差；壓控振蕩器：頻率穩(wěn)定性差，可變性好；,,主要內(nèi)容：,頻率合成的概念與主要技術(shù)指標(biāo)直接頻率合成方法及其特點(diǎn)間接頻率合成方法及其特點(diǎn)

31、混合和特殊頻率合成方法,頻率合成,頻率合成（Frequency Synthesis）或頻率綜合,利用一個(gè)或少量高穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)頻率產(chǎn)生出多個(gè)或大量等間隔的高穩(wěn)定離散頻率信號(hào)的技術(shù)。,特點(diǎn),所產(chǎn)生的一系列頻率與標(biāo)準(zhǔn)頻率有嚴(yán)格的比例關(guān)系，具有同樣的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度；用電子開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換輸出頻率；輸出為某一范圍的離散頻率。,主要技術(shù)指標(biāo),頻率范圍 頻率合成器輸出的最低頻率 fomin 和最高頻率 fomax 之間的變化范圍,也可用覆蓋系數(shù)k

32、 = fomax/fomin表示（k又稱之為波段系數(shù)）。如果覆蓋系數(shù)k >2~3 時(shí),整個(gè)頻段可以劃分為幾個(gè)分波段。在頻率合成器中,分波段的覆蓋系數(shù)一般取決于壓控振蕩器的特性。,頻率間隔 (頻率分辨率) 頻率合成器的輸出是不連續(xù)的。兩個(gè)相鄰頻率之間的最小間隔,就是頻率間隔。頻率間隔又稱為頻率分辨率。不同用途的頻率合成器,對(duì)頻率間隔的要求是不相同的。,信道總數(shù) 決定于頻率范圍和頻率間隔。,主要技術(shù)指標(biāo),頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間

33、 頻率合成器從某一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換到另一個(gè)頻率,并達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間。它與采用的頻率合成方法有密切的關(guān)系。,準(zhǔn)確度與頻率穩(wěn)定度 頻率準(zhǔn)確度是指頻率合成器工作頻率偏離規(guī)定頻率的數(shù)值,即頻率誤差。 頻率穩(wěn)定度是指在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi),頻率合成器頻率偏離規(guī)定頻率相對(duì)變化的大小。 穩(wěn)定度是準(zhǔn)確度的前提。 通常認(rèn)為頻率誤差已包含在頻率不穩(wěn)定的偏差之內(nèi)，因此，一般只提穩(wěn)定度。,主要技術(shù)指標(biāo),頻譜純度 影響頻率合成器頻譜純度的

34、因素主要有兩個(gè),一是相位噪聲,二是寄生干擾。相位噪聲是瞬間頻率穩(wěn)定度的頻域表示,在頻譜上呈現(xiàn)為主譜兩邊的連續(xù)噪聲。,頻率合成方法,,頻率合成,直 接 法（開(kāi)環(huán)） DS,間 接 法（閉環(huán)）（鎖相） IS,,模擬式,數(shù)字式（DDS）,,非相干,相 干,頻率漂移抵消（外差補(bǔ)償）,,脈沖控制鎖相,間接合成制減法降頻（模擬鎖相環(huán)）,間接合成制除法降頻（數(shù)字鎖相環(huán)）,轉(zhuǎn)換快相噪好雜散差,轉(zhuǎn)換慢相噪差雜散好

35、,非相干,可以產(chǎn)生4096個(gè)頻率,這是一種“和頻”/“分頻”方案。 “和頻”/“分頻”式頻率合成器是由一些完全相同的“和頻”/“分頻”基本單元串接而成的。,? 分頻比為N，每增加一級(jí)，輸出頻率間隔就減少為前 一級(jí)的1／N，所以輸出頻率間隔Δf 為參考頻率間隔 ΔF與參考頻率數(shù)K的乘積除以頻率總數(shù)KA，即為,?“和頻”/“分頻”式頻率合成器能夠提供的頻率總數(shù)與參考頻率的數(shù)目(K)及混頻的次數(shù)(A)有關(guān),即為KA個(gè)頻率。

36、,? “和頻”/“分頻”基本單元,影響轉(zhuǎn)換速率的因素,帶通濾波器抑制混頻產(chǎn)生的不需要頻率（如和頻和其他組合頻率）；開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間----不是主要因素帶通濾波器的延遲----關(guān)鍵 混頻器的處理延遲----重要,隨著混頻級(jí)數(shù)的增加，各種傳輸時(shí)延也會(huì)增加，這樣就限制了轉(zhuǎn)換速度。,相干,由同一晶振通過(guò)諧波發(fā)生器產(chǎn)生的多個(gè)頻率,,相干與非相干特點(diǎn),工作穩(wěn)定可靠頻率穩(wěn)定度取決于晶振，一般較高頻率間隔?。?0-2Hz）開(kāi)環(huán)-->

37、;轉(zhuǎn)換快（100μs級(jí)）部件多-->體積與結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗大、成本高混頻存在諧波及其組合干擾，寄生調(diào)制多-->影響穩(wěn)定度和頻譜純度（特別是雜散）,頻率漂移抵消法,輸出頻率的準(zhǔn)確度僅取決于標(biāo)準(zhǔn)頻率fom，而與可變振蕩器的頻率誤差△f無(wú)關(guān)?？勺冋袷幤髦黄痤l率轉(zhuǎn)換作用，其步進(jìn)間隔與晶振相同，輸出頻率與fL無(wú)關(guān)。由于頻率誤差△f在兩次變頻過(guò)程中被抵消，故稱之為頻率漂移抵消法，也可以叫做外差補(bǔ)償法。只需一個(gè)濾波器，其中心頻率為

38、fi1,帶寬取決于可變振蕩器的穩(wěn)定度，一般不大于間隔的20%。,DDS原理,上式中，令U = 1， θ0 = 0，則有,上式所表示的單頻信號(hào)的主要特性是，其相位是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，即,由頻率和相位之間的關(guān)系知，相位函數(shù)對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)為常數(shù)，即,一個(gè)頻譜純凈的單頻信號(hào)可表示為,DDS原理,相位函數(shù)是一條直線，它的斜率就是信號(hào)的頻率。,采樣頻率 為 fc = 1 / Tc,DDS原理,,,,,DDS原理,M = 2N，N為累加器字長(zhǎng),DDS

39、性能與特點(diǎn),頻率分辯率高 DDS的最小頻率步進(jìn)量就是它的最低輸出頻率，達(dá)mHz。,DDS的最高輸出頻率受限于時(shí)鐘頻率fc和采樣定理。,相對(duì)帶寬寬,在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到輸出濾波器的非理想特性，一般采用40%fc,DDS性能與特點(diǎn),頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間 開(kāi)環(huán)工作，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間近似就是頻率控制字的傳輸時(shí)間，即一個(gè)時(shí)鐘周期 Tc= 1 / fc。目前可達(dá)ns級(jí)。這是常用鎖相頻率合成所無(wú)法達(dá)到的。,頻率轉(zhuǎn)換時(shí)的相位連續(xù)性 當(dāng)頻率控制

40、字從K1變?yōu)镵2之后，它是在已有的累加相位K1δ之上，再每次累加K2δ，相位函數(shù)的曲線是連續(xù)的，只是在改變頻率瞬間其斜率發(fā)生了突變，因而保持了輸出信號(hào)相位的連續(xù)性。這一點(diǎn)對(duì)利用相位信息的那些系統(tǒng)很重要。 相位連續(xù)可避免信息的丟失，相位不連續(xù)回導(dǎo)致頻譜的擴(kuò)散，不利于頻譜資源的有效利用。,DDS性能與特點(diǎn),可方便輸出正交信號(hào),DDS性能與特點(diǎn),可輸出任意波形若在ROM中存儲(chǔ)其它所需的波形函數(shù)表，DDS即可輸出相應(yīng)的周期性

41、的波形，因此，更新ROM中的數(shù)據(jù)，使DDS輸出方波、三角波、鋸齒波等等。,調(diào)制性能,DDS性能與特點(diǎn),頻率質(zhì)量 穩(wěn)定度決定于參考頻率源。 相噪由fc 純度決定，且隨20lg(fo/fc )改善，非常小，可達(dá)-120dBc。 雜散主要是由相位舍位、幅度量化和DAC 的非理想特性引起。改善方法：1）增加DAC位數(shù)（6dB/1位下降）；2）增加有效相位數(shù)（8dB/1位下降）；3）設(shè)計(jì)性能良好的LF；4）與PLL相結(jié)合。,脈

42、沖控制鎖相法,利用參考頻率的某次諧波與fv鑒相---->無(wú)降頻電路,對(duì)不同的fv取不同諧波---->單環(huán)多波道頻合,受VCO穩(wěn)定度限制，最大頻偏不超過(guò)0.5fR,模擬鎖相環(huán)法,分單環(huán)和多環(huán)（圖為多環(huán)）混頻降頻改變開(kāi)關(guān)，輸出不同頻率輸出頻率可以較高，但頻率間隔受限,,數(shù)字鎖相環(huán)法,應(yīng)用最廣泛?jiǎn)苇h(huán)、雙環(huán)和多環(huán)整數(shù)分頻與小數(shù)分頻性價(jià)比好,單環(huán)基本型,分辨率與鑒相頻率： fr轉(zhuǎn)換時(shí)間：可變分頻器工作頻率受限

43、，輸出頻率受限fr降低，轉(zhuǎn)換時(shí)間和相噪都變大,高速前置分頻型,分辨率變差：M fr,fr,,,,,鑒相頻率降低，轉(zhuǎn)換時(shí)間和相噪都變大。,,,PD,PD,下變頻型,電路復(fù)雜，BPF使環(huán)路性能變差；混頻器對(duì)頻合輸出頻譜質(zhì)量產(chǎn)生影響。,,BPF,變模分頻型（吞脈沖法）,分辨率與鑒相頻率： fr變模分頻器工作頻率低于固定分頻器，高于可變（程序）分頻器。,（N>A）,小數(shù)分頻型,頻率合成器的輸出頻率則按參考頻率的分?jǐn)?shù)倍變化；減小頻

44、率間隔，但不降低鑒相頻率。,,,累加器,累加器每來(lái)一個(gè)CP，累加 F（設(shè)F=0.1）,初始雙模分頻器以÷P工作,改變F值，可改變分頻比，且頻率以0.1的分辨率步進(jìn),多環(huán)頻率合成,轉(zhuǎn)換時(shí)間短（ns級(jí)）開(kāi)關(guān)調(diào)幅影響頻譜純度開(kāi)關(guān)隔離度隨頻率升高而減小減小步進(jìn)和提高跳速都很難電磁兼容問(wèn)題線路復(fù)雜,,,,,,,,,,,,,,,鑒相,環(huán)路濾波,VCOA,固定分頻,可變分頻,鑒相,環(huán)路濾波,VCOB,鑒相,帶通濾波,混頻

45、,環(huán)路濾波,VCOC,可變分頻,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,不降低fi卻可以減小頻率間隔,間接式頻率合成器特點(diǎn),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，易集成頻率穩(wěn)定度高雜散小，相噪較好輸出頻率高，頻點(diǎn)多轉(zhuǎn)換速度較慢（幾十μs 到幾百ms級(jí)），跳速不夠高（低于直接式頻合）----適合慢速、中速跳頻率間隔不能太小,DDS與PLL比較,DDS驅(qū)動(dòng)PLL,輸出頻率范圍是DDS輸出頻率的N倍，輸出帶寬寬；分辨率高（可達(dá)1H