從20世紀(jì)30年代開始頻率合成技術(shù)被人們認(rèn)識，70多年來，頻率合成技術(shù)有了較大的發(fā)展。頻率合成是以一個或幾個頻率為基礎(chǔ)，進行加、減、乘、除四則算術(shù)運算，合成出新的頻率的一門技術(shù)。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的迅速發(fā)展，雷達、宇航和遙控遙測技術(shù)的不斷前進，越來越需要高頻率穩(wěn)定度、高頻譜純度、頻率范圍大的頻率源，同時對頻率合成的輸出頻率的個數(shù)等都有了越來越高的要求。
1 頻率合成技術(shù)原理
頻率合成的方法很多，最常用的頻率合成技術(shù)有3種：直接頻率合成、直接數(shù)字頻率合成、鎖相頻率合成。
直接頻率合成法是直接通過倍頻器、分頻器、混頻器對基準(zhǔn)頻率進行加、減、乘、除等運算，以得到各種所需頻率。其優(yōu)點是頻率轉(zhuǎn)換速度快，并能產(chǎn)生任意小的頻率增量。但他也存在一些不可克服的缺點，要求基準(zhǔn)信號的功率較大，由于大量的倍頻、混頻、濾波等電路，合成器的設(shè)備十分復(fù)雜，而且輸出端的諧波、噪聲及寄生頻率難以抑制。
直接數(shù)字頻率合成隨著超高速數(shù)字電路的發(fā)展而興起，主要是通過微處理器求解數(shù)學(xué)遞推方程或者直接查正弦表得來，其輸出波形是部分合成。其優(yōu)點主要是分辨率高、控制靈活、容易做到比較低的頻率，但是由于受器件的時鐘頻率控制，輸出頻率上限不能太高，而且總的輸出噪聲電平可能比較高。
鎖相頻率合成技術(shù)是基于鎖相環(huán)的同步原理，利用鎖相環(huán)路的窄帶跟蹤特性得到不同的頻率。鎖相頻率合成又有直接鎖相和數(shù)字鎖相2種。倍頻器實際上就是直接鎖相的一種，而數(shù)字鎖相是在鎖相環(huán)路中插入一個分頻比可變的分頻器，通過CPU控制可獲得不同的頻點。如圖1所示是一個典型的直接式鎖相環(huán)頻率合成器的原理圖。他由參考振蕩源、參考分頻器、鎖相環(huán)3部分組成。
其中的鎖相環(huán)與普通鎖相環(huán)不同的是，他在VCO的輸出端和鑒頻器的輸入端之間的反饋回路中加入了一個可變分頻器。如圖1所示，高穩(wěn)定度的參考振蕩源信號經(jīng)R次分頻后，得到頻率為fR的參考脈沖信號。同時壓控振蕩器的輸出經(jīng)N次分頻后得到頻率為fN的脈沖信號，2個脈沖信號在鑒相器進行相位比較。當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時，則有輸出信號：fo=N·fN=N·fR。
2 SystemView軟件介紹
SystemView軟件是美國ELANIX公司開發(fā)的用于視圖化系統(tǒng)模型的設(shè)計、仿真、分析和評估的開發(fā)工具軟件，采用了Windows環(huán)境下的圖形化編程方式，具有友好、功能強大的調(diào)試環(huán)境，是真正信號級系統(tǒng)設(shè)計仿真的有力工具。
在SystemView環(huán)境下的操作比較簡明，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求利用SystemView本身提供的各種函數(shù)圖符建立仿真模型，并對其進行參數(shù)設(shè)置，在設(shè)定系統(tǒng)運行時間等參數(shù)后就可進行仿真分析。
3 數(shù)字頻率合成器的設(shè)計與仿真
基于以上對數(shù)字頻率合成器的分析，在SystemView設(shè)計環(huán)境下，建立了典型的數(shù)字頻率合成器的模型，如圖2所示。在此模型中，鎖相環(huán)的VCO用FM圖符(圖符2)代替，其載波頻率設(shè)置為195 Hz，增益為20 Hz／V，環(huán)路低通濾波器使用了一個8極點的貝塞爾低通濾波器，帶通為5 Hz，分頻器使用通信圖符中的N倍分頻器，根據(jù)鎖相環(huán)的輸出特性，若分頻比N=20，則鎖相環(huán)的輸出頻率fo應(yīng)該鎖定在fo=N·fR=20·fR頻率上。
假設(shè)輸人參考振蕩器1 kHz，進行100分頻后作為基準(zhǔn)頻率進入到數(shù)字頻率合成器中，也即基準(zhǔn)頻率為fR=10 Hz，在系統(tǒng)時間參數(shù)設(shè)定為1 000 Hz，采樣點數(shù)為16 384點情況下，對構(gòu)建的系統(tǒng)進行仿真，當(dāng)N=20時，由圖3輸出信號的頻譜圖可以看出，在頻率為200 Hz處出現(xiàn)了較高的頻譜能量峰值，這說明輸出信號的頻率被鎖定在200 Hz。當(dāng)把N改為18時，輸出信號的頻譜在頻率為180 Hz附近處出現(xiàn)了能量高峰值，如圖4所示，同理說明此時輸出信號的頻率處于鎖定狀態(tài)。
由以上仿真分析可以看出，改變N的值，輸出信號的頻率將變?yōu)榛鶞?zhǔn)頻率10 Hz的整數(shù)倍。但事實上由于鎖相環(huán)的鎖定范圍限制(與濾波器帶寬和VCO的載波最大變化范圍有關(guān))，只能輸出VCO載波頻率附近的幾個整數(shù)倍的頻率。當(dāng)N=23時，輸出信號頻譜如圖5所示，圖中頻譜能量高峰值并不像以上圖示那么清晰，而是存在能量高峰區(qū)，由此說明輸出信號頻率比較平均地分布在180～240 Hz頻帶內(nèi)，此時的鎖相環(huán)處于失鎖狀態(tài)，頻率合成器也失去了作用。因此，在進行分頻比設(shè)置時，N值不能設(shè)置太高。在實際應(yīng)用中，特別在超高頻工作情況下，為獲得較大范圍的頻率選擇(較多的頻率數(shù))和較小的步進頻率，多采用吞食脈沖式鎖相環(huán)頻率合成器。
4 結(jié) 語
通過運用SystemView仿真軟件，構(gòu)建了典型的數(shù)字頻率合成器，仿真分析結(jié)果表明在濾波器帶寬和VCO的載波最大變化范圍內(nèi)，可產(chǎn)生多個頻率穩(wěn)定的輸出信號，目前在各種無線電臺中使用的頻率合成器普遍采用可變數(shù)字式鎖相環(huán)頻率合成器。