一文看懂频率合成原理与特点

　　频率合成（Frequeney Synthesis）是指以一个或数个参考频率为基准，在某一频段内，综合产生并输出多个工作频率点的过程。本文主要介绍频率合成原理与特点，首先介绍了频率合成的分类，其次介绍了频率合成的特点，最后我们以直接数字频率合成来介绍原理，具体的跟随小编一起来了解一下。

　　频率合成的分类

　　1、直接频率合成

　　用混频器、倍频器和分频器实现频率间的加、减、乘、除来产生新频率，并靠滤波器选择使信号纯净。图1是直接合成式频率合成器的原理图，用插入除10的分频器来获得十进位。当开关S1、S2都在1位时，频率合成器输出频率为

　　

　　频率合成 当开关S1、S2都在10位时，频率合成器输出频率为

　　

　　由此可知，频率合成器的输出频段为0～9.9fr。fR是参考源频率，n1、n2、m根据电路实现的可能和有利情况来选择。直接合成的分辨率高，转换时间短，频段宽，相位噪声小，但设备大而且复 杂，成本高。全数字化的直接合成利用计算机技术，其分辨率高，转换速度可小到 1纳秒，但最高频率仅为参考源频率的四分之一，而且还与所采用器件的转换速度有关。

　　2、间接频率合成

　　用锁相环迫使压控振荡器 （VCO）的频率锁定在高稳定的参考频率上，从而获得多个稳定频率，故又称锁相式频率合成。图2是数字锁相式频率合成器的基本形式，它由压控振荡器、鉴相器、可变分频器和环路滤波器组成。压控振荡器的输出信号经可变分频器分频后在鉴相器内与参考信号比相。当压控振荡器发生频率漂移时，鉴相器输出的控制电压也随之变化，从而使压控振荡器频率始终锁定在N倍的参考频率上。锁定条件为因得从上式可以看出，改变可变分频器的分频比n，便可改变频率合成器的输出频率。在实用中为了提高分辨率，间接式频率合成器常采用多个锁相环的形式。间接频率合成器的体积小、成本低、相位噪声较小，但分辨率不甚高，频率转换时间较长，通常大于1毫秒。在通信和测量设备中，主要采用这种类型的合成技术。两种频率合成方案，均只采用一个参考频率源，故可选用频率标准作参考源，从而使频率合成器获得极高的频率稳定度。

　　频率合成的特点

　　直接合成法的优点是分辨率高、转换时间短、频移宽、相位噪声小，但设备大而复杂、成本高。全数字化的直接合成器利用了现代的计算机技术，其分辨率高，频率转换速度可达1ns（10-9s），但最高频率只有参考源频率的1/4，且与所采用的器件的转换速度有关。 ［4］

　　间接频率合成是指输出信号不是直接来自晶体振荡器，而是由一个压控振荡器（VCO） 的可变频率被锁相环锁定在高稳定的参考频率上，而获得多个稳定频率。间接合成法有脉冲控制锁相环法和数字环法，前者的主要特点是晶体振荡器的输出经脉冲形成器后得到一串重复频率为fR的窄脉冲，再用这样的窄脉冲通过锁相环来控制压控振荡器，后者的主要特点是在锁相环中用了一个数字式可变分频器。

　　压控振荡器的输出信号一路经可变分频器分频后在鉴相器内与参考信号比相，当压控振荡器发生频率漂移时，鉴相器输出的控制电压随之变化，从而将压控振荡器的频率始终锁定在某个值上，锁定条件为fo/N=fR，则fo=NfR。

　　间接频率合成器的特点是体积小、成本低、相位噪声小，但分辨率不甚高，频率转移时间长 （一般》1ms）。在实际电路中为了提高分辨率，往往采用多个锁相环。间接频率合成器在通信和测量等电子设备中应用较多。

　　直接数字频率合成原理

　　

　　工作过程为：

　　1、将存于数表中的数字波形，经数模转换器D/A，形成模拟量波形。

　　2、两种方法可以改变输出信号的频率：

　　（1）改变查表寻址的时钟CLOCK的频率， 可以改变输出波形的频率。

　　（2）改变寻址的步长来改变输出信号的频率.DDS即采用此法。 步长即为对数字波形查表的相位增量。由累加器对相位增量进行累加， 累加器的值作为查表地址。

　　3、D/A输出的阶梯形波形，经低通（带通）滤波，成为质量符合需要的模拟波形。

　　频率合成的优缺点

　　频率合成的优点

　　（1）精确性

　　（2）相对带宽宽

　　（3）频率分辨率高

　　（4）快速切换的能力

　　（5）输出任意波形的能力

　　（6）体积小功耗低，便于集成

　  频率合成的缺点

　　（1）工作频带的限制

　　（2）杂波抑制性能较差

　　（3）相位噪声性能低

　　频率合成如何实现

　　1、采用高性能DDS单片电路的解决方案

　　2、采用分立IC电路系统实现，一般有CPU，RAM，ROM，D/A，CPLD，模拟滤波器等组成

　　3、CPLD，FPGA实现