頻率合成是指由一個或多個頻率穩定度和精確度很高的參考信號源通過頻率域的線性運算，產生具有同樣穩定度和精確度的大量離散頻率的過程。
基本介紹
- 中文名：頻率合成
- 外文名：Frequency Synthesizer
- 又稱：頻率綜合
- 類型：線性運算
- 領域：電子工程
- 實現電路：頻率合成器
簡介,具體解釋,頻率合成技術,頻率合成器,頻率合成器的性能指標,分類,直接頻率合成,間接頻率合成,特點,
簡介
頻率合成（頻率綜合，英文名稱：Frequency Synthesizer）是指由一個或多個頻率穩定度和精確度很高的參考信號源通過頻率域的線性運算，產生具有同樣穩定度和精確度的大量離散頻率的過程。
實現頻率合成的電路叫頻率合成器，頻率合成器是現代電子系統的重要組成部分。在通信、雷達和導航等設備中，頻率合成器既是發射機的激勵信號源，又是接收機的本地振盪器；在電子對抗設備中，它可以作為干擾信號發生器；在測試設備中，可作為標準信號源，因此頻率合成器被人們稱為許多電子系統的“心臟”。
具體解釋
實現頻率合成的裝置稱為頻率合成器。頻率合成器是一種振盪源，僅需幾個高精度晶體振盪器作為頻率標準，就能在某個頻段內，按一定的頻率間隔產生各種不同頻率成分的振盪。振盪頻率的準確度和穩定度取決於頻率標準。
頻率合成分為直接頻率合成和間接頻率合成。直接頻率合成是將晶體振盪器的頻率輸出，通過混頻器、倍頻器和分頻器實現頻率的加、減、乘、除，產生大量頻率成分，這些頻率直接經過頻率濾波器選頻，輸出穩定頻率。這種方法的優點是解析度高、轉換時間短、頻段寬、相位抖動較小。缺點在於雜散頻率成分較多，容易出現干擾，而且設備大而複雜，成本高。間接頻率合成是指頻率輸出不是直接來自晶體振盪器，而是來自於電壓控制振盪器的頻率輸出。這種方法用鎖相環迫使電壓控制振盪器的頻率鎖定在高穩定的標準頻率上，由此獲得多個穩定頻率，故此法又叫鎖相頻率合成。在這種方法中，來自晶體振盪器的標準頻率，在鑒相器中同電壓控制振盪器輸出信號的相位進行比較，鑒相器的輸出電壓經低通濾波器加到VCO的壓控元件上，它隨時調整著壓控振盪器的頻率，因此輸出頻率與晶體振盪器的標準頻率有一定關係。間接頻率合成器具有體積小、成本低、相位噪聲小的優點，但解析度不高，頻率轉換時間也較長。現代通信和測量設備中，主要採用間接頻率合成技術。
頻率合成技術的發展時間不長。早期是用多晶體直接合成。20世紀50年代出現了間接頻率合成技術，但頻段只局限於短波範圍。60年代中期，出現了數字鎖相式頻率合成器; 60年代後期，微波頻率合成技術又在通信設備中得到了套用。到了 80年代，頻率合成技術進入毫米波範圍。目前，頻率合成技術被廣泛地套用於通信、導航、雷達和各種測量中。
頻率合成技術
實際的頻率合成設備通常採用以下三種技術：
1、直接數字式頻率技術，即DDS技術。優點是回響快，缺點是成本高，且不能做到任意頻率的合成，主要用於軍事通信。
3、DDS+PLL技術。結合上述兩者優點，主要用在專業領域。
用一個或數個高頻率穩定度的參考頻率源，產生多個與參考頻率穩定度相同或接近的新頻率的技術。頻率合成技術不但能提高通信頻率和通信設備的穩定度、準確度，而且還能滿足通信自動化對頻率可控和存儲的要求，以及抗干擾對快速跳頻的要求。
早期的頻率合成是用多晶體直接合成，以後發展成用一個高穩定參考源來合成多個頻率。20世紀50年代出現了間接頻率合成技術。但在使用頻段上，直到50年代中期仍局限於短波範圍。60年代中期，帶有可變分頻的數字鎖相式頻率合成器問世。60年代後期，全電晶體化的微波頻率合成技術已套用於通信設備。隨著大規模積體電路的發展，新的全數位化的頻率合成技術得以實現。80年代頻率合成技術進入毫米波範圍。頻率合成技術廣泛用於通信、導航、雷達和測量等設備中。測量設備採用頻率合成技術能提高測量精度，並易於與微處理機相結合，實現測量的自動化。
頻率合成器
頻率合成器是一種振盪源，它僅需一個或數個高穩定度的頻率參考源，就可產生多個與參考頻率穩定度相同或接近的新頻率。
頻率合成器在通信設備中套用很多，它不但能提高通信頻率和設備的穩定度、準確度，而且能滿足通信自動化對頻率可控和存儲的要求，以及抗干擾對快速跳頻的要求。另外，在遙控、遙測、無線電偵察和電子測量方面也得到了廣泛套用。
早期的頻率合成技術，多用晶體直接合成法，以後又發展成用一個高穩定參考源來合成多個頻率。20世紀50年代出現了間接合成法，但在使用波段上，直到50年代中期仍只局限在短波範圍。60年代中期，帶有可變分頻的數字鎖相式頻率合成器問世。60年代後期又出現了全電晶體化的微波頻率合成技術。隨著大規模積體電路的發展，新的全數位化的頻率合成技術得以實現。到80年代，頻率合成已進入毫米波範圍。
頻率合成器的性能指標
頻率合成器的性能需要一系列指標來表征，一般以下述基本指標衡量其優劣：
（1）頻率範圍；
（2）頻率分辨力；
（3）頻率轉換時間；
（4）頻率準確度和穩定度；
（5）頻譜純度；
（6）系列化、標準化及模組化的可實現性；
（7）成本、體積及質量。
分類
用頻率合成技術製成的信號源稱為頻率合成器。頻率合成分為直接頻率合成和間接頻率合成。
直接頻率合成
用混頻器、倍頻器和分頻器實現頻率間的加、減、乘、除來產生新頻率，並靠濾波器選擇使信號純淨。圖1是直接合成式頻率合成器的原理圖，用插入除10的分頻器來獲得十進位。當開關S1、S2都在1位時,頻率合成器輸出頻率為
頻率合成 當開關S1、S2都在10位時，頻率合成器輸出頻率為
由此可知，頻率合成器的輸出頻段為0～9.9fr。fR是參考源頻率,n1、n2、m根據電路實現的可能和有利情況來選擇。直接合成的解析度高，轉換時間短，頻段寬，相位噪聲小，但設備大而且復 雜，成本高。全數位化的直接合成利用計算機技術，其解析度高，轉換速度可小到 1納秒，但最高頻率僅為參考源頻率的四分之一，而且還與所採用器件的轉換速度有關。
間接頻率合成
用鎖相環迫使壓控振盪器 (VCO)的頻率鎖定在高穩定的參考頻率上，從而獲得多個穩定頻率,故又稱鎖相式頻率合成。圖2是數字鎖相式頻率合成器的基本形式，它由壓控振盪器、鑒相器、可變分頻器和環路濾波器組成。壓控振盪器的輸出信號經可變分頻器分頻後在鑒相器內與參考信號比相。當壓控振盪器發生頻率漂移時，鑒相器輸出的控制電壓也隨之變化，從而使壓控振盪器頻率始終鎖定在N倍的參考頻率上。鎖定條件為因得 從上式可以看出，改變可變分頻器的分頻比n,便可改變頻率合成器的輸出頻率。在實用中為了提高解析度，間接式頻率合成器常採用多個鎖相環的形式。間接頻率合成器的體積小、成本低、相位噪聲較小，但解析度不甚高，頻率轉換時間較長,通常大於1毫秒。在通信和測量設備中，主要採用這種類型的合成技術。兩種頻率合成方案，均只採用一個參考頻率源，故可選用頻率標準作參考源，從而使頻率合成器獲得極高的頻率穩定度。
特點
直接合成法的優點是解析度高、轉換時間短、頻移寬、相位噪聲小，但設備大而複雜、成本高。全數位化的直接合成器利用了現代的計算機技術，其解析度高，頻率轉換速度可達1ns(10-9s)，但最高頻率只有參考源頻率的1/4，且與所採用的器件的轉換速度有關。
間接頻率合成是指輸出信號不是直接來自晶體振盪器，而是由一個壓控振盪器(VCO) 的可變頻率被鎖相環鎖定在高穩定的參考頻率上，而獲得多個穩定頻率。間接合成法有脈衝控制鎖相環法和數字環法，前者的主要特點是晶體振盪器的輸出經脈衝形成器後得到一串重複頻率為fR的窄脈衝，再用這樣的窄脈衝通過鎖相環來控制壓控振盪器，後者的主要特點是在鎖相環中用了一個數字式可變分頻器。
壓控振盪器的輸出信號一路經可變分頻器分頻後在鑒相器內與參考信號比相，當壓控振盪器發生頻率漂移時，鑒相器輸出的控制電壓隨之變化，從而將壓控振盪器的頻率始終鎖定在某個值上，鎖定條件為fo/N=fR，則fo=NfR。
間接頻率合成器的特點是體積小、成本低、相位噪聲小，但解析度不甚高，頻率轉移時間長 (一般>1ms)。在實際電路中為了提高解析度，往往採用多個鎖相環。間接頻率合成器在通信和測量等電子設備中套用較多。
