频率合成

频率合成（频率综合，英文名称：Frequency Synthesizer）是指由一个或多个频率稳定度和精确度很高的参考信号源通过频率域的线性运算，产生具有同样稳定度和精确度的大量离散频率的过程。^[1]

实现频率合成的电路叫频率合成器，频率合成器是现代电子系统的重要组成部分。在通信、雷达和导航等设备中，频率合成器既是发射机的激励信号源，又是接收机的本地振荡器；在电子对抗设备中，它可以作为干扰信号发生器；在测试设备中，可作为标准信号源，因此频率合成器被人们称为许多电子系统的“心脏”。

实现频率合成的装置称为频率合成器。频率合成器是一种振荡源，仅需几个高精度晶体振荡器作为频率标准，就能在某个频段内，按一定的频率间隔产生各种不同频率成分的振荡。振荡频率的准确度和稳定度取决于频率标准。

频率合成分为直接频率合成和间接频率合成。直接频率合成是将晶体振荡器的频率输出，通过混频器、倍频器和分频器实现频率的加、减、乘、除，产生大量频率成分，这些频率直接经过频率滤波器选频，输出稳定频率。这种方法的优点是分辨率高、转换时间短、频段宽、相位抖动较小。缺点在于杂散频率成分较多，容易出现干扰，而且设备大而复杂，成本高。间接频率合成是指频率输出不是直接来自晶体振荡器，而是来自于电压控制振荡器的频率输出。这种方法用锁相环迫使电压控制振荡器的频率锁定在高稳定的标准频率上，由此获得多个稳定频率，故此法又叫锁相频率合成。在这种方法中，来自晶体振荡器的标准频率，在鉴相器中同电压控制振荡器输出信号的相位进行比较，鉴相器的输出电压经低通滤波器加到VCO的压控元件上，它随时调整着压控振荡器的频率，因此输出频率与晶体振荡器的标准频率有一定关系。间接频率合成器具有体积小、成本低、相位噪声小的优点，但分辨率不高，频率转换时间也较长。现代通信和测量设备中，主要采用间接频率合成技术。

频率合成技术的发展时间不长。早期是用多晶体直接合成。20世纪50年代出现了间接频率合成技术，但频段只局限于短波范围。60年代中期，出现了数字锁相式频率合成器; 60年代后期，微波频率合成技术又在通信设备中得到了应用。到了 80年代，频率合成技术进入毫米波范围。目前，频率合成技术被广泛地应用于通信、导航、雷达和各种测量中。

实际的频率合成设备通常采用以下三种技术：

1、直接数字式频率技术，即DDS技术。优点是响应快，缺点是成本高，且不能做到任意频率的合成，主要用于军事通信。

2、锁相环频率合成技术，即PLL。优点是成本低，可合成任意频率，缺点是响应慢，主要用于民用设备。

3、DDS+PLL技术。结合上述两者优点，主要用在专业领域。

用一个或数个高频率稳定度的参考频率源，产生多个与参考频率稳定度相同或接近的新频率的技术。频率合成技术不但能提高通信频率和通信设备的稳定度、准确度，而且还能满足通信自动化对频率可控和存储的要求，以及抗干扰对快速跳频的要求。

早期的频率合成是用多晶体直接合成，以后发展成用一个高稳定参考源来合成多个频率。20世纪50年代出现了间接频率合成技术。但在使用频段上，直到50年代中期仍局限于短波范围。60年代中期，带有可变分频的数字锁相式频率合成器问世。60年代后期，全晶体管化的微波频率合成技术已应用于通信设备。随着大规模集成电路的发展，新的全数字化的频率合成技术得以实现。80年代频率合成技术进入毫米波范围。频率合成技术广泛用于通信、导航、雷达和测量等设备中。测量设备采用频率合成技术能提高测量精度，并易于与微处理机相结合，实现测量的自动化。

频率合成器是一种振荡源，它仅需一个或数个高稳定度的频率参考源，就可产生多个与参考频率稳定度相同或接近的新频率。

频率合成器在通信设备中应用很多，它不但能提高通信频率和设备的稳定度、准确度，而且能满足通信自动化对频率可控和存储的要求，以及抗干扰对快速跳频的要求。另外，在遥控、遥测、无线电侦察和电子测量方面也得到了广泛应用。

早期的频率合成技术，多用晶体直接合成法，以后又发展成用一个高稳定参考源来合成多个频率。20世纪50年代出现了间接合成法，但在使用波段上，直到50年代中期仍只局限在短波范围。60年代中期，带有可变分频的数字锁相式频率合成器问世。60年代后期又出现了全晶体管化的微波频率合成技术。随着大规模集成电路的发展，新的全数字化的频率合成技术得以实现。到80年代，频率合成已进入毫米波范围。

频率合成器的性能需要一系列指标来表征，一般以下述基本指标衡量其优劣：

（1）频率范围；

（2）频率分辨力；

（3）频率转换时间；

（4）频率准确度和稳定度；

（5）频谱纯度；

（6）系列化、标准化及模块化的可实现性；

（7）成本、体积及质量。

用频率合成技术制成的信号源称为频率合成器。频率合成分为直接频率合成和间接频率合成。^[2]

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。

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。^[3]

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。