6.8 频率合成技术 频率合成器的主要技术指标：

1 ）频率范围 频率合成器的输出频率最小值 minof

和最大值 maxof 之间的变化范围，即频率合成器的工作

频率范围。也可以用频率覆盖系数 max

min

o

o

fk f 表示。

2 ）频率间隔（分辨率） 相邻频率之间的最小间隔为频率合成器的频率间隔。

如：对短波单边带通信来说，多取频率间隔为 100Hz 有的甚至取为 10Hz 、 1Hz 乃至 0.1Hz 。

对超短波通信来说，频率间隔多取为 50kHz 或 10kHz 。

用途不同，要求的频率间隔不同。

3 ）频率转换时间 从一个工作频率转换到另一个

工作频率并达到稳定工作所需要的时间。

频率稳定度是指在规定的时间间隔内，合成

器频率偏离标称值的程度。

4 ）频率稳定度与准确度

5 ）频谱纯度 频谱纯度是指输出信号接近正弦波的程度，是频域指标。

频率准确度是指实际工作频率偏离标称值的

数值，即频率误差。

实现频率合成的方法：有直接合成法、间接合成法（锁相环路法）以及直接数字频率合成法。

理想的正弦信号的频谱只有一根谱线，但实际的正弦信号由于噪声的影响不可能只有一根谱线。在有用信号频谱的两边，总有一些不需要的离散谱和连续谱，这些离散谱称为杂波，连续谱称为噪声。

6.8.1 锁相频率合成器

锁相频率合成是应用锁相环路的频率合成方法，

从一个高稳定度和高准确度的基准频率合成大量的离

散频率，基准频率产生器提供一个或几个参考频率，

锁相环路利用其良好的窄带跟踪特性，使压控振荡器

的输出频率准确地稳定在参考频率或某次谐波上。

1 、单环频率合成器

图 6.8.1 为带有前置分频器的数字频率合成器。

固定分频器的工作频率一般高于可变分频器的工作频率。

图 6.8.1 带有前置分频器的数字频率合成器框图

1 ）带有前置分频器的数字频率合成器

当改变可变分频器时，就可以输出不同的合成频率。

环路锁定时，输出频率为 o if NPf

低了 P 倍，可以把参考频率也降低 P 倍来克服这一缺

点，但降低鉴相器的参考频率会使锁相环路的许多性能

变坏。可见它是以加大频率间隔，降低分辨率为代价换

取输出频率的提高。解决这一问题的方法是采用下变频

和双模前置分频法来保持频率分辨率不变。

if Pf ，即频率分辨率降频率合成器的频率分辨率为

（ 2 ）设置前置混频器的频率合成器

图 6.8.2 为设置前置混频器的频率合成器

图 6.8.2 设置前置混频器的频率合成器

由图知，电路是对压控振荡器的输出频率进行

混频并取差频，从而降低可变分频器的输入信号的频率。

由图知，可变分频器的输入信号的频率为 o Lf f

当环路锁定时， o Lif ff N

输出频率为 o L if f Nf

在锁相环路中插入混频器和滤波器，使锁相环

路的电路复杂，滤波器会使环路性能变坏，混频过程必

然会产生组合频率分量，造成输出信号的频谱纯度下降。

为此，可以采用吞脉冲频率合成器。

边，因此环路性能和本地载频没有直接关系，环路的分

析和参数的计算和基本单环合成器相同。

合成器的输出频率，但并没有降低频率分辨率，这种

频率合成器只是用混频器把频率 iNf 搬移到了 Lf 频率两

可见这时频率分辨率仍然为 if ，这种方法提高了频率

（ 3 ）吞脉冲频率合成器吞脉冲频率合成器（双模前置分频器型单环频率合成器）：将前置分频器用双模分频器（ Two-Modulus D

ivider ）取代，以保持频率间隔为 if 的前提下提高输出频率。它的组成框图如图 6.8.3 所示。

图 6.8.3 吞脉冲频率合成器组成框图

在一个计数周期内，总计脉冲数即分频比为

( 1) ( )tN P A P N A A PN

频率合成器的输出频率为

( )o t i if N f A PN f

上式表明，与简单的频率合成器相比， of 提高了 P 倍，

而频率分辨率仍保持为 if 。其中 A 为个位分频器，又称

尾数分频器。

（ 4 ）集成频率合成器件， 图 6.8.4 为采用 MC145152 和双模分频器 MC

3393P构成的吞脉冲型频率合成器电路。

图 6.8.4 采用 MC145152 构成的吞脉冲型频率合成器

在不降低参考频率的情况下，提高频率分辨率的一个

2、多环频率合成器

方法就是采用多环频率合成的方法，常见的有双环和三环的频率合成器。

图6.8.5所示是一个三环频率合成器框图，它由三个锁相环路和一个混频电路构成，设环路 A 输出频率为 。

af

经过一个 M 倍的固定分频器后得到 Af

a AA i

f Nf f

M M

频率分辨率为 1

A if fM

显然比单环合成器的频率分辨率提高了 M

倍。因此一般称环路 A 为高分辨率环。

设环路 B 的输出频率为 Bf

B B if N f

频率分辨率为 B if f

环路 C 是混频相加环，将环路 B 的输出频率和环路 C 的输出频率混频之后得到（ o Bf f ），并送到鉴相器和

Af 做相位比较，可得到输出频率 A

o A B i B i

Nf f f f N f

M

图 6.8.5 三环频率合成器框图

6.8.2 直接数字频率合成器 直接数字式频率合成器（ Digital Direct Sy

nthesizer ，简称为 DDS ）是以数字信号处理理论为

基础，从信号的幅度相位关系出发进行频率合成的。

与传统的频率合成器相比， DDS 具有极高的分辨

率、快速的频率转换时间、很宽的相对带宽、任意波

形的输出能力和数字调制等优点。

根据奈奎斯特取样定理，从连续信号的相位出

发，对一个正弦信号取样、量化、编码，形成一个正弦

函数表，储存在只读存储器中，合成时通过改变相位累

加器的频率控制字，改变相位增量，相位增量的不同导

致一周期内的取样点不同，从而使得输出频率不同。

直接数字式频率合成的的思路是：

图 6.8.6 直接数字式频率合成原理框图

图 6.8.6所示是直接数字式频率合成的基本原理框图。

若累加器的宽度为 N 位，查询表 ROM 的输出位数为

M ，则 2N 就相当于 2 rad ， 位中的最低有效位相当于 N

2

2N

rad, 即最小的相位增量， 对应的相位为 f 2

2f N

rad

时钟周期。

简单工作原理：

设时钟频率为 cf ，输出频率为 of ，频率建立字 FSW

用相位增量 f 表示。

完成一个周期的正弦波输出需要 2 222

N

fNf

个参考

所以一个参考时钟周期 cT内输出频率的周期为

2No c

f

T T

或

2f

o cNf f

输出频率与查询表 ROM 的输出位数

M无关。在一定的时

钟频率 cf 下，相位增量 f 决定了合成信号的频率，故

被称为频率控制字，习惯上用 f K表示。因此合成信

号的频率为

2o cN

Kf f

cf当时钟频率 固定时，改变频率控制字 K，可以改变

合成信号的频率 of 。当 1K 时，输出频率最低，即

1

2onim o cNf f f

式中 of 为 DDS 的频率分辨率。

DDS 与前两种频率合成器相比，其特点主要表现在以下几个方面：

1K ，因而其最低频率为 1

2onim cNf f

式中， N为累加器的宽度或字长，当 很大时，最低输出N

数量级。最高频率受限于时钟频率频率可达 Hz 甚至 mHz

① DDS 具有极宽的工作频率范围。 DDS输出频率的下限对应于频率控制字

和奈奎斯特抽样定理，即每周期至少取样两次才能够重建波形，因此最大的合成频率为

max

1

2o cf f

实际应用中，一般取 max040 0o cf f

辨率就是它的最低频率，即

1

2o cNf f

在时钟频率 cf 确定后，频率分辨率由相位累加器的字长

N 决定，只要 N足够大，就可以获得足够高的频率分辨率。例如当 50MHzcf ， 48N 位， 可达到 of

60.18 10

是传统的频率合成器所不及的。

② DDS具有极高的频率分辨率 。 DDS 的频率分

of

③ DDS具有极短的频率转换时间。由于 DDS

是开环系统，无反馈环节，所以 DDS 的频率转换时间可以近似认为是即时的，高速 DDS 系统的频率转换时间可达纳秒量级。

④ 任意波形输出能力。 DDS可以合成任意波形。合成的主要方法就是找出相应波形幅度和相位的关系，最简单的方法是改变 ROM 查询表中的数据，很多 DDS合成器可以输出正弦波、方波、三角波等任意波形。