小數分頻鎖相頻率合成器的研究論述

默亞斌

[摘 要]頻率合成器是雷達、通信設備、電子偵察設備當中的重要部件，因此在現代的科技領域當中具有極大的研究價值。隨著科學技術的不斷發展，頻率合成器的功能也更加的完善。小數分頻鎖相頻率合成器是近年來新研發的一種高分辨率、高穩定性、低噪聲的一種新型頻率合成器。本文從鎖相環設計方法、工作原理、工作性能等方面對小數分頻鎖相頻率合成器進行了研究。

[關鍵詞]小數分頻 鎖相 頻率合成器

中圖分類號：TN74 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）02-0394-01

頻率合成器的主要功能是產生電頻或調頻，從而達到傳輸信號的作用。因此，頻率合成器被廣泛應用于信號源的構建上。在現代電子設備中，頻率合成器也是十分常見的一種部件，例如在雷達設備、電子信息設備中通常都能找到頻率合成器。小數分頻鎖相頻率合成器是頻率合成器的一種類型，主要由晶體振蕩器、分頻器、相位電路等幾個部分組成。與其他頻率合成器相比，具有調頻速度快、分辨率高等特點，因而在近幾年獲得了廣泛的應用。

1.頻率合成技術發展現狀

近年來，電子產業的發展速度十分驚人，由此產生的電子設備類型也極為豐富，尤其是在通信、航天、電子等領域，技術和設備更新換代的速度極高。這為頻率合成技術的發展提供了一個良好的平臺。頻率合成器的各項功能有了明顯的完善，造價成本則有了一定的下降，從而促進了這一設備的廣泛應用。頻率合成器的類型也變得更加豐富。傳統的電壓型頻率合成器已經不是最常使用的設備類型，小數分頻鎖相合成器得到了快速的發展。這種新型設備的優勢在于，能夠在實現同步步進的基礎上顯著提高分辨率，進而進一步降低設備的生產應用成本。隨著電子技術的進一步發展，小數分頻鎖相頻率合成器的各項性能也將得到更好的完善和發展。

2.鎖相環的基本理論

2.1 鎖相環基本理論

從根本上來說，鎖相環是一個控制電路，主要由鑒相器、振蕩器、濾波器等幾個部分組成。在鎖相環電路中，標準相位與振蕩器中的實際信號相位之間會產生一個差值。這個相位差在經過濾波器會形成一個電壓。這個電壓會改變振蕩器的輸出頻率。因此，振蕩器的相位與頻率之間是存在一個正相關的函數關系的，實際上就是相位控制了振蕩器中的頻率變化。要得出振蕩器中的頻率大小，只需要檢測其中的相位即可。

2.2 壓控振蕩器

當電路中輸入一個電壓時，就會輸出一個相應的頻率，這就是壓控振蕩器的作用原理。在壓控振蕩器中，電路中的輸入電壓控制著輸出頻率的大小。但這種控制難以在較長的時間內保持線性關系，只能在一個范圍內保持相對的穩定。當頻率的變化幅度超出一定的范圍時，壓控制振蕩器的控制精度就會受到影響，進一步影響輸出頻率的大小。

2.3 環路濾波器

鎖相環的電路中存在環路濾波器，這會導致電路的輸出信號受到干擾，通常會比正常值偏小。當輸出頻率較低時，這種影響作用較小，主要原因是頻率較小的信號可以較為順利的通過濾波器。當信號的頻率較大時，就會受到低通濾波器的過濾，從而限制了信號的傳輸。低通濾波器的組成部分包括電容和電阻兩個部分。有一些環路濾波器中還會設置頻率放大器。

3.鎖相環路的性能

3.1 鎖相環路的捕獲性能

鎖相環路并不是一開機就自動鎖定的。事實上，在開機、調頻或開環到閉環的一段時間內，鎖相環路是出于打開的狀態的。鎖相環路是通過捕獲的過程進入鎖定的狀態的。在捕獲過程的第一個階段中，只存在相位捕獲。在這一階段，電路中不存在周期性的頻率。二階環是鎖相環路中最常見的一種環路類型。環路中包含一個壓控振蕩器和一個一階環路濾波器。這些部件共同起到了控制電壓大小的作用，最終完成環路鎖定的過程。

頻率捕獲完成所需要的時間被稱為捕獲時間，其中包括了頻率捕獲時間和相位捕獲時間兩個部分。通常，頻率捕獲時間都要遠高于相位捕獲時間，因此在大多數情況下，相位捕獲時間可以直接省略，而將頻率捕獲時間近似的看做捕獲時間。

3.2 鎖相環路的跟蹤性能

當環路處于鎖定狀態時，輸出頻率與輸入頻率是一致的，但兩者之間存在一定的相位差。當輸入信號的頻率發生波動時，環路會通過自動控制的作用來改變輸出信號頻率的大小。這一過程通常由壓控振蕩器來完成。壓控振蕩器通過變化相位跟蹤輸入信號的變化狀態，從而體現了鎖相環路的跟蹤性能。

當鎖相環路處于鎖定狀態時，相位的變動是較小的。這時可以根據線性函數對變化的相位進行計算，環路也被近似看做是一個線性的體系。這種信號跟蹤方式被稱為線性跟蹤。當相位的變動幅度較大時，環路會出現解鎖的現象。這時線性跟蹤的方式不再適用。，而需要采用非線性微分進行求解。

3.3 鎖相環路的主要指標分析

鎖相環路常用的指標主要有六項，分別是相位噪聲、雜散抑制、輸出頻率范圍、調頻步進、調頻時間、頻率漂移。其中，相位噪聲主要體現了頻率合成器在一段時間內的穩定性。通常，載波的頻率會受到相位噪聲的影響，隨著噪聲的增加而變大。變化的范圍從1赫茲到幾千赫茲不等。這幾項指標共同決定著頻率合成器使用的成本、體積、功能等。其中，雜散水平、相位噪聲和頻率轉換時間是影響最大的幾項指標。

4.鎖相環頻率合成器的相位噪聲分析

頻率合成器的相位噪聲會對其功能的發揮、靈敏度、信號強度等產生極大的影響，嚴重時甚至會出現混頻的問題，導致接收器失靈。因此，對于鎖相環頻率合成器的相噪指標進行研究是十分有必要的。

4.1 相位噪聲的基本概念

相位噪聲是體現頻率合成器短期內穩定性的一項指標。相位噪聲的存在對于載波的頻譜寬度也會產生影響。通常，在頻率合成器中都會出現一定的無用信號，這些信號的頻率、相位等會對有用的信號產生較強的干擾，這些信號就被稱為相位噪聲。相位噪聲在頻域和時域上體現出不同的特性。在時域中，相位噪聲是以正弦波的方式出現的。而在頻域中則是余弦波的形式。

4.2 鎖相環系統的相位噪聲處理

鎖相環路對于壓控振蕩器的噪聲有高通的效果，為了有效的抑制鎖相環路中的各種噪聲，必須適當的增加環路的帶寬，從而達到優化相位噪聲的作用。在實際操作的過程中，可以將環路帶寬設置為交叉頻率的大小，通過晶振來控制鎖相環系統的相位噪聲。

5.結語

頻率合成器在我國已經經歷了幾十年的發展歷程。在發展的過程中，頻率合成器的技術不斷完善，尤其是小數分頻鎖相頻率合成器的發明和使用，給電子、通信、航空航天等領域帶來了極大的革新。

參考文獻

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