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1、目录引言31.研究课题的发展史31.1频率合成器的概述42频率合成器的分类43直接数字频率合成器63.1直接数字频率合成器的原理63.2直接数字频率合成器的特点73.3 DDS的FPGA的实现74频率合成技术的特点分析104.1 直接式频率合成器的缺点114.2 频率合成器的主要技术指标124.3 谐波抑制和杂散抑制124.4 长期与短期频率的稳定度135数字锁相频率合成组态135. 1单环数字锁相频率合成器135.2多环数字锁相频率合成器146数字锁相频率合成器部件的相位噪声分析146.1放大器的噪声1562振荡器的相位噪声157频率合成技术的应用157.1 实时模拟仿真的高精密信号1572
2、 实现各种复杂方式的信号调制16 73实现频率精调，作为理想的频率源16 74 频率合成技术在通信电路中的应用17结 论18参考文献18致 谢19频率合成技术及其应用学 生： 彭文学指导老师 ： 纪海元武汉工业学院工商学院电气信息工程系 湖北 武汉 430065【内容摘要】本课题主要讲叙频率合成技术的发展，以及研究的意义和国内外 的研究先状，本课题特别对直接数字频率合成技术做重点的分析与描叙。还对频 率合成技术的特点进行系统分析。介绍了利用现场可编程逻辑门阵列FPGA实现 直接数字频率合成（DDS）的原理、电路结构和优化方法。重点介绍了 DDS技 术在FPGA中的实现方法，给出了采用ALTER
3、A公司的ACEX系列FPGA芯片 EP1K30TC 进行直接数字频率合成的 VHDL 源程序。以及直接数字频率合成的 应用【关键词】直接数字频率合成（DDS）；现场可编程逻辑门阵列（FPGA）；直接数字频率合成的应用【Abstract】 This topic mainly says narrates the frequency synthesis technology development, as well as the research significance and the domestic and foreign research first the shape, this topi
4、c specially makes the key analysis to the direct digital frequency synthesis technology with to trace narrates. Also carries on the system analysis to the frequency synthesis technology characteristic.Introduced realizes the direct digital frequency using scene programmable logical gate array FPGA t
5、o synthesize (DDS) the principle, the electric circuit structure and the optimized method. Introduced with emphasis the DDS technology in the FPGA realization method, gave has used ALTERA Corporation ACEX series FPGA chip EP1K30TC to carry on the direct digital frequency synthesis the VHDL source pr
6、ogram. As well as direct digital frequency synthesis application【Key Word】Direct digital frequency synthesis Scene programmable logical gate array Direct digital frequency synthesis application引言频率合成器被人们喻为众多电子系统的“心脏”。它是从一个或多个参考频 率中产生多种频率的器件。它在信息通信方面得到了广泛的应用，并有新的发展。 本文主要介绍新型数字化可编程频率合成器的原理、特点及其应用。随着电子
7、技术的发展，要求信号的频率越来越准确和越来越稳定，一般振荡 器已不能满足系统设计的要求。晶体振荡器的高准确度和高稳定度早已被人们认 识，成为各种电子系统的必选部件。但是晶体振荡器的频率变化范围很小，其频 率值不高，很难满足通信.雷达.测控.仪器仪表等电子系统的需求，在这些应用 领域，往往需要在一个频率范围内提供一系列高准确和高稳定度的频率源，这就 需要应用频率合成技术来满足这一要求。在空间通信、雷达测量、遥测遥控、射电天文、无线电定位、卫星导航和数字 通信等先进的电子系统中都需要有一个频率高度稳定的频率合成器。电子干扰使雷达、通信面临着新的挑战。 通信在电子战中跳频体制成为一种重要的军事通信手
8、段。跳频通信系统必须装 备与跳频速度相适应的频率合成器。一个性能优良的频率合成器应同时具备输出相位噪声低、频率捷变速度快、输 出频率范围宽和捷变频率点数多等特点。一. 频率合成技术发展史频率合成理论大约是在 30 年代中期提出来。 最初产生并进入实际应用的是直接频率合成技术。 六十年代末七十年代初，相位反馈控制理论和模拟锁相技术的在频率合成领域 里的应用，引发了频率合成技术发展史上的一次革命，相干间接合成理论就是这 场革命的直接产物。随后数字化的锁相环路部件如数字鉴相器、数字可编程分频 器等的出现及其在锁相频率合成技术中的应用标志着数字锁相频率合成技术得 以形成。由于不断吸引和利用如吞脉冲计数
9、器、小数分频器、多模分频器等数字 技术发展的新成果，数字锁相频率合成技术已日益成熟。直接数字频率合成(DDS)的出现导致了频率合成领域的第二次革命。七十年代 初，Tierney等人发表了关于直接数字频率合成的研究成果，第一次提出了 DDS 的概念。由于直接数字频率合成器(DDFS)具有相对带宽很宽、频率捷变速度很快、 频率分辨率很高、输出相位连续、可输出宽带的正交信号、可编程和全数字化便 于集成等优越性能，因此在短短的二十多年时间里得到了飞速的发展，DDS的应 用也越来越广泛。1.1 概述1.1.1 频率合成的基本概念频率合成(Frequeney Syn thesis)是指以一个或数个参考频率
10、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。基于这个原理制成的频率源称 为频率合成器(Frequeney Synthesizer)。，每次只输出一个频率，输出频率随 频率变换系数的变化而改变的频率合成器，这种频率合成器被称为单输出相干频 率合成器，实际应用最广，也是我们研究的主要对象。频率合成器按频率综合方法可分为直接合成式(Direc t Syn thesizer)和间接 合成式(IndirectSynthesizer)；从输出信号间的相位关系可分为相干源和非相 干源。本课题主要研究相干频率合成技术。二. 频率合成器的分类频率合成器一般分为直接式、间接式和直接数字式三种基本类
11、型。2.1 直接式频率合成器这是最早出现最先使用的一种频率合成器。它是由一个或多个晶体振荡器经过 开关转换、分频、倍频、混频、滤波得到所需要的频率。虽然提出的时间早，最 初的方案也显得十分落后，但由于直接模拟合成具有频率捷变速度快，相位噪声 低的主要优点而使之在频率合成领域占有重要的地位。图 1 直接式频率合成器原理方框图直接模拟频率合成器容易产生过多的杂散分量以及设备量大是其主要缺点。近 年来随着声表面波(SAW)技术的发展，新型的SAW直接式频率合成器实现了较低 的相位噪声、更多的跳频频道、快的频率捷变速度、小体积和中等价格。预计随 着SAW技术的成熟，SAW直接频率合成技术将使直接模拟频
12、率合成器再现辉煌。SAW直接式频率合成器主要由SAW梳齿频率产生器、SAW滤波器以及高速转换 开关、分频器、倍频器组成。目前国外已研制出SAW频率合成器。仇2.2间接式频率合成器(IS)间接式频率合成器又称为锁相频率合成器，也利用锁相环构成频率合成器。锁相频率合成器是目前应用最广的频率合成器，直接式频率合成器中所固有 的哪些缺点，如体积庞大，成本高，输出端出现的寄生频率等，在应用锁相环路 的频率合成器中就大大减少了。基本的锁相频率器如下图所式：当锁相环锁定后， 相位检波器两输入端的频率是相同的，间接式频率合成器有模拟和数字两种，分别为模拟间接式频率合器和数字间接 式频率合成器。3. 数字锁相频
13、率合成器数字锁相频率合成器是以数字锁相环为基础构成的锁相频率合成器。应用数字 鉴相器和可编程数字分频器是数字锁相频率合成器有别于模拟锁相频率合成器 的主要特征。其中 VCO 频率锁相到参考源的谐波频率上，谐波次数等于数字分频 器的分频比。可编程分频器利用可编程分频器，使被合成的频率都有合适的分频比，可得到频率间隔相等 的频率。除了鉴相是在参考频率及 VCO 的分谐波频率下完成外，这一锁相环的工 作原理与模拟环路锁相振荡源的工作原理类似。用数字指令改变分频比以完成频 率切换。具有鉴频功能的数字鉴相器输出与频率有关的误差电压经放大、滤波， 使 VCO 的频率达到锁定。有些情况下，为了缩短频率切换时
14、间，需要外加辅助扩 捕电路。由于使用了数字器件，数字锁相频率合成器的带内相位噪声受鉴频/鉴相器、 数字分频器、参考源、环路放大器等多项累积噪声的限制，所以数字锁相频率合 成器的相噪性能比模拟频率合成器的要差，一般被认为应用于对相噪要求不很高 的场合。事实上，只要合理优化设计合成器方案，有效控制数字器件引入的噪声， 数字锁相频率合成器的相位噪声完全可以做得很低。三. 直接数字频率合成器（DDS）3.1. DDS 的原理DDS由相位累加器、正弦查找表、D/A转换器和低通滤波器组成，其原理如 图1 所示。N feelsliilvEfthicX itT1-图 3 DDS 原理图图1中，fc为时钟频率,
15、K为频率控制字,N为相位累加器的字长,m为ROM地 址线位数,n为ROM数据线宽度（一般也为D / A转换器的位数），f0为输出频率。 相位累加器由加法器和D触发器级联组成。在时钟脉冲fc的控制下，对输入频率 控制字K进行累加,累加满量时产生溢出。相位累加器的输出对应于该时刻合成 周期信号的相位，并且这个相位是周期性的，在02n范围内变化。相位累加器 位数为N,最大输出为2N-1,对应于2n的相位，累加一次就输出一个相应的相位 码，通过查表得到正弦信号的幅度,然后经D / A转换器转换为模拟信号，由低通 滤波器滤除杂散波和谐波以后，输出一个频率为f0的正弦波。输出频率f0由fc 和K共同决定。当频率控制字为K时，相位累加器的增量步长为K,经过2n/K次 累加,相位累加器满量溢出，完成一个周期动作，输出频率f0与时钟频率fc之间 的关系满足f0=Kfc/2N,从而,DDS的最小频率分辨率 f可达
