倍頻:相關簡介,CPU倍頻,基本定義,歷史來由,主要方法,傅立葉法,鎖相環法,參量

在電子電路中，產生的輸出信號頻率是輸入信號頻率的整數倍稱為倍頻。假設輸入信號頻率為n，則第一個倍頻2n，相應地3n, 4n……等均稱為倍頻。在電腦CPU中，主頻=外頻x倍頻。

基本介紹

中文名：倍頻
外文名：frequency multiplier
釋義：基頻以外能產生的整數倍頻率
獲得方法：獲得頻率為原頻率整數倍
衡量標準：倍頻係數
實現：在數字電路中則利用邏輯門

相關簡介,CPU倍頻,基本定義,歷史來由,主要方法,傅立葉法,鎖相環法,參量法,雷射自倍頻晶體,

CPU倍頻

基本定義

倍頻係數是指CPU主頻與外頻之間的相對比例關係。最初CPU主頻和系統匯流排速度是一樣的，但CPU的速度越來越快，倍頻技術也就相應產生。它的作用是使系統匯流排工作在相對較低的頻率上，而CPU速度可以通過倍頻來提升。CPU主頻計算方式為：主頻=外頻x 倍頻。倍頻也就是指CPU和系統匯流排之間相差的倍數，當外頻不變時，提高倍頻，CPU主頻也就越高。但實際上，在相同外頻的前提下，高倍頻的CPU本身意義並不大。這是因為CPU與系統之間數據傳輸速度是有限的，一味追求高倍頻而得到高主頻的CPU就會出現明顯的“瓶頸”效應——CPU從系統中得到數據的極限速度不能夠滿足CPU運算的速度。

CPU的倍頻，全稱是倍頻係數。CPU的核心工作頻率與外頻之間存在著一個比值關係，這個比值就是倍頻係數，簡稱倍頻。理論上倍頻是從1.5一直到無限的，但需要注意的是，倍頻是以0.5為一個間隔單位。外頻與倍頻相乘就是主頻，所以其中任何一項提高都可以使CPU的主頻上升。

歷史來由

原先並沒有倍頻概念，CPU的主頻和系統匯流排的速度是一樣的，但CPU的速度越來越快，倍頻技術也就應運而生。它可使系統匯流排工作在相對較低的頻率上，而CPU速度可以通過倍頻來無限提升。那么CPU主頻的計算方式變為：主頻 = 外頻 x 倍頻。也就是倍頻是指CPU和系統匯流排之間相差的倍數，當外頻不變時，提高倍頻，CPU主頻也就越高。

一個CPU默認的倍頻只有一個，主機板必須能支持這個倍頻。因此在選購主機板和CPU時必須注意這點，如果兩者不匹配，系統就無法工作。此外，現在CPU的倍頻很多已經被鎖定，無法修改。

主要方法

傅立葉法

這是一種最簡單的模擬倍頻方式，它採用了傅立葉級數。每一個周期性的信號能定義為一個基頻及它的諧波部分的和。如果你變換振盪器的正弦波輸出為方波，那么你能用下面的關係式：

下一步你必須選擇這正確的次諧波。你用一個帶通濾波器去衰減其它部分來選擇要的部分

注意：此法僅適用於低頻。

鎖相環法

這是一種最簡單的倍頻方法。在這個方法中，輸出頻率不是直接是基準頻率的倍頻，但出

於一個電壓控制的獨立振盪器，它是通過一個相位比較器與基準頻率同步。要被比較的頻率是輸出頻率除以倍頻因子n。

由於頻率分割，壓控振盪器（VCO）必須產生乘以 n的倍頻。分割後進入反饋迴路，使在比較器輸入端有相同的頻率。

注意：在大的頻率範圍內容易實現。由於反饋迴路及比較器的延遲引起頻率抖動會降低鎖相質量。.

參量法

Fordahl 開發了一個新的倍頻模擬方法，該方法採用了基於在半導體之間給出的參數轉移實

現乘法功能的硬體，在其輸出端具有一個次諧波衰減可選擇的倍頻係數。一個輸出帶通濾波器加以改善次諧波的衰減。由於模擬倍頻類型，其頻率n×Fref 的頻譜純度改善了，並且相位噪聲及抖動降低了。

注意：在低頻及高頻時都能很好工作。

雷射自倍頻晶體

雷射晶體和非線性光學晶體是兩類不同功能的晶體：雷射晶體是指以晶體為基質，通過分立的發光中心（通常是稀土或過渡金屬離子）吸收泵浦光能量並將其轉化為雷射輸出的發光材料；而非線性光學晶體是利用光波通過介質時極化的非線性回響對光波反作用，形成在和頻、差頻等處諧波發生（非線性效應）的晶體材料。具有二次諧波發生（ SHG）效應，即倍頻效應的晶體成為倍頻晶體。

雷射晶體由基質晶體和激活離子兩部分組成。基質晶體為激活離子提供適當的晶體場位置，利於其產生輻射。基質晶體不決定激射特徵，對於雷射起振閾值和效率有影響；激活離子在基質中形成適當振盪能級，在有外來能量激發時，通過受激輻射產生雷射。雷射晶體產生的雷射波長決定於激活離子發射譜帶及其振盪能級。

一種優良的雷射晶體，需要激活離子和基質晶體的特性有良好的匹配。總體來說，要求優良的雷射晶體有以下特點：

1. 良好的雷射性能：為獲得低的閾值和高效雷射輸出能量，要求晶體在泵浦光源輻射主要波段有強的有效吸收，而在雷射發射波段則應無光吸收。要有高的螢光輻射量子效率，適當的螢光壽命和受激發射截面，而晶體內部損耗要小。

2. 優良的光學均勻性：要求雷射晶體內部均勻，無雜質氣泡、無生長條紋和應力等缺陷，折射率梯度小，激活離子分布均勻。而且，要求晶體具有良好的動態光學均勻性，即要求晶體在雷射作用下，不因熱或其他作用，如磁場作用而破壞晶體的靜態光學均勻性。

3. 優良的熱穩定性：要求晶體的熱導率高，晶體的熱膨脹及熱膨脹的各向異性小。同時，要求晶體有高的抗光損傷閾值。

4. 良好的機械性質和化學穩定性：要求晶體的化學價態、組成和結構穩定，有良好的光照穩定性，硬度適當，機械加工和拋光性能好，不解理，不吸潮等。

5. 易於生長一定尺寸可供套用的晶體。當然，要獲得符合以上所有要求的雷射晶體是困難的，必須按照雷射器的實際要求，選擇主要條件相符的材料，針對其弱點進行研究，同時探索新的晶體材料。目前常用的Nd:YAG和Nd:YVO4等晶體就與相應的雷射器要求符合得很好，這正是雷射產業發展的基礎。

非線性光學晶體將一種波長雷射通過非線性效應進行頻率轉換，一種優良的非線性光學晶體，應具有以下基本特性：1. 晶體的非線性光學係數要大，有效非線性光學係數大則更好。2. 透過波段寬，特別是在所需波段有很好的透過性，在基頻和倍頻等波段沒有吸收峰。3. 晶體雙折射適當，能夠實現相關匹配，最好能夠實現90◦非臨界相位匹配。4.抗光損傷閾值要高；晶體有良好的熱性質，對於溫度變化所造成的影響要小。5. 晶體有良好的物理化學穩定性，不潮解，無明顯完全解理面。6. 晶體硬度適中，易於加工，包括切割不脆裂，易於研磨拋光等。7. 可以選用適當的方法生長出滿足相關套用要求尺寸和質量的晶體，可以生長大尺寸晶體則更為理想。

此外，還希望所生長晶體成本低，所用原料及殘留物對環境和人體無害等。但是，實際上完全符合上述各種要求的晶體幾乎不存在。在選用晶體時，應該對晶體的性能作綜合評價和分析，主要考慮套用所需要的基本要求，兼顧其他要求。同時具有雷射和倍頻效應的晶體稱為雷射自倍頻晶體。

雷射自倍頻晶體具有雷射和非線性兩種功能，但絕不能將其看成是雷射晶體和非線性晶體的簡單疊加。在考慮對雷射自倍頻晶體的基本要求時，必須考慮其雷射特性和非線性特性，特別要考慮雷射和非線性特性的耦合和匹配，同時更兼顧對於功能晶體的基本要求，綜合以上考慮，一種優良的雷射自倍頻晶體應具有以下基本特性：1. 晶體具有良好的螢光和雷射特性：晶體具有與泵浦光源相匹配的吸收譜帶，有適當大的吸收和發射截面，適當的螢光壽命，有強的螢光輻射量子效率；上能級（激發態）吸收小，同時要求在基頻和倍頻輸出波段沒有顯著吸收。2. 有適當的非線性光學係數，對於低對稱晶體，則要注意在位相匹配方向上吸收和發射波束的偏振性。3. 晶體雙折射適當，能實現位相匹配，可實現非臨界相位匹配更佳。4. 晶體具有優良的光學均勻性，激活離子分布均勻。5. 具有優良的熱導和熱穩定性，有高的抗光傷閾值。6. 晶體具有良好的物理化學穩定性，不潮解；硬度適中，易於加工。7. 可選用適當方法生長可用尺寸和質量晶體。在雷射自倍頻晶體中，更加重要的是其雷射特性和非線性效應的匹配。晶體的雷射增益與其激活離子濃度，光譜參數及基質特性相關，而非線性性質與晶體相位匹配方向、有效非線性係數、晶體長度及走離角等相關。對於雷射自倍頻晶體而言，要達到最好的效果，就必須要求晶體的雷射增益與其倍頻轉換效率相匹配。在具體設計雷射自倍頻器件時，要綜合各種因素，尋求最優設計。同時，由於在同一晶體中基頻雷射運轉和倍頻雷射運轉同時進行，激活離子的無輻射躍遷，基質對泵浦光的吸收及倍頻轉換中均產生熱量，在雷射自倍頻晶體中，對晶體的熱效應及熱管理（或稱熱工程）提出了更高的要求，從而對雷射自倍頻晶體的抗光損傷閾值也有更高的要求。

綜上所述，我們可以清楚地了解到對雷射自倍頻晶體的要求高於單一雷射或非線性光學晶體。因此儘管自上世紀六十年代雷射器發明以來，雷射晶體和非線性光學晶體獲得長足的發展，而雷射自倍頻晶體的發展遠遠落後於這兩類晶體的進步。

倍頻