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频率合成器的FPGA设计实现
绪论
频率合成技术的背景
1)直接频率合成
直接频率合成理论大约在20世纪30年代中期开始形成,当时是利用单个或多个不同频率的晶体振荡器作为基准信号源,经过倍频、分频、混频等途径直接产生许多离散频率的输出信号,这就是最早应用的频率合成器,,经过具有加减乘除四则运算功能的混频器、倍频器、分频器和具有选频功能的滤波器的不同组合来实现频率合成。利用不同组合的四则运算,即可产生大量的、频率间隔较小的离散频率系列。根据参考频率源的数目和四则运算电路组合的不同,,或仅由一个或少数几个晶体振荡器提供基准频率。尽管合成器仅输入一个参考频率,但只需改变各倍频次数和分频器的分频数,即可获得一系列的离散频率。
2)锁相频率合成
相位反馈理论和锁相技术应用于频率合成领域,产生了间接式频率合成器。所谓间接式是指合成器的输出信号不是直接从参考源经过变换而得,而是由锁相环的压控振荡器间接产生所需要的频率输出,所以,,从一个高准确度、高稳定度的参考晶体振荡器综合出大量离散频率的一种技术。锁相频率合成器由基准频率产生器和锁相环路两部分构成。基准频率产生器为合成电路提供一个或几个高稳准的参考频率,锁相环路则利用其良好的窄带跟踪特性,使频率准确地锁定在参考频率或其某次谐波上,并使被锁定的频率具有与参考频率一致的频率稳定度和较高的频谱纯度[21。由于锁相环路具有良好的窄带滤波特性,故其输出信号质量较直接式频率合成器得到明显的改善。锁相技术在频率合成中的成功应用,使频率合成技术获得突破性进展。锁相频率合成器的结构简单、输出频率成分的频谱纯度高,而且易于得到大量的离散频率等优点引起了人们的极大关注,为频率合成器的广泛应用打下了基础。在锁相频率合成器中,输出频率系列是由压控振荡器(NCO)产生的。该频率在环路的鉴相器中,不断地与来自石英晶体振荡器的基准频率进行相位比较,并通过比较后产生的误差信号对振荡频率进行校准,使输出频率系列中的任一频率均具有与基准频率相同的频率稳定度[41。由于鉴相器要求进行相位比较的两输入频率在数值上相等,由此形成了多种锁相频率合成的方法,其中主要有:脉冲控制锁相法和数字锁相合成法。
3)直接数字频率合成
数字技术的飞速发展,使频率合成技术也跃上了一个新的台阶。1971年,美国学者J·Tiemey,C·M·Radcr和B·Gold提出了以全数字技术从相位概念出发,直接合成所需波形的~种新的频率合成原理,形成了第三代频率合成方案——DDs。限于当时的技术和器件水平,它的性能指标尚不能与已有的技术相比,故未受到重视。
频率合成器的发展情况
随着现代电子技术的发展,在通讯、雷达、宇航、电视广播、遥控遥测和电子测量等使用领域,对信号源的频率稳定度、频谱纯度、范围和输出频率提出了越来越高的要求。为了提高频率稳定度,经常采用晶体振荡器等方法来解决,但已不能满足众多应用场合的要求,许多应用领域对信号频率的稳定性要求起来越高,而且不仅需要单一的固定频率,还需要多点频率。为了解决这个问题,于是产生了频率合成技术。频率合成就是将具有低相位噪声、高精度和高稳定度等综合指标的参考频率源经过电路上的混频,倍频或分频等信号处理以便对其进行数学意义上的加、减、乘、除等四则运行,从而产生大量具有同样精度的频率源,实现频率合成的电路叫频率合成器。频率合成技术起源于二十世纪30年代,至今已有七十多年的历史。
早期的频率合成器是由一组晶体振荡器组成的,要输出多少个频率点,就需要多少个晶体。频率的切换由人工来完成,频率的准确度和稳定度主要由晶体来决定,很少与电路有关。后来这种合成方式被非相干合成的方法所代替。非相干合成虽然也使用了晶体,但它的工作方式是以少量的晶体产生许多频率。与早期的合成方式相比,成本降低了,而稳定性提高了。但是研制由多块开关晶体所组成的晶体振荡器是一个非常复杂的任务,而且成本高,不经济。所以后来科学家又提出了相干合成法。最早的相干合成法是直接频率合成(Direct Frequency synthesis)。直接频率合成是利用混频、倍频、分频的方法由参考源频率经过加、减、乘、除运算直接组合出所要需频率的方法。不过,直接合成也可以用多个基准源通过上述方式得到所需的频率。这种方法由于频率切变速度快,相噪低使之在频率合成领域占有重要地位,但因直接式频率合成器杂散多,体积大,研究复杂,成本也令人不可接受,故该方案已基本被淘汰。
在直接频率合成之后出现了间接频率合成(Indirect Freq