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 m ax
m in
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为带有前臵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） 带有前臵分频器的数字频率合成器环路锁定时，输出频率为
oif NPf?
当改变可变分频器时，就可以输出不同的合成频率。
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臵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） 设臵前臵混频器的频率合成器图 6.8.2为设臵前臵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
oLff?
当环路锁定时,oL
i fff N
输出频率为
o L if f N f
图 6.8.2 设置前置混频器的频率合成器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吞脉冲频率合成器（双模前臵分频器型单环频率合成器）：将前臵分频器用双模分频器（ Two-Modulus
Divider）取代，以保持频率间隔为出频率。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
（ 3） 吞脉冲频率合成器
if
的前提下提高输在一个计数周期内，总计脉冲数即分频比为
( 1 ) ( )tN P A P N A A P N
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。
图 6.8.4为采用 MC145152和双模分频器 MC3393P
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
（ 4） 集成频率合成器件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 A
Ai
f Nff
MM
频率分辨率为 1
AiffM
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
Biff
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（ oBff? ），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
6.8.2 直接数字频率合成器直接数字式频率合成器 （ Digital Direct
Synthesizer，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 22
2 2
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
2 N
oc
f
TT
或
2
f
ocNff
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
2ocN
Kff?
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
2o n im 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 cNff?
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
m ax
1
2ocff?
实际应用中,一般取
m a x 040 0ocff
辨率就是它的最低频率，即
1
2ocNff
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 50M H z
cf?
,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。
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 m ax
m in
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为带有前臵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） 带有前臵分频器的数字频率合成器环路锁定时，输出频率为
oif NPf?
当改变可变分频器时，就可以输出不同的合成频率。
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臵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） 设臵前臵混频器的频率合成器图 6.8.2为设臵前臵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
oLff?
当环路锁定时,oL
i fff N
输出频率为
o L if f N f
图 6.8.2 设置前置混频器的频率合成器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吞脉冲频率合成器（双模前臵分频器型单环频率合成器）：将前臵分频器用双模分频器（ Two-Modulus
Divider）取代，以保持频率间隔为出频率。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
（ 3） 吞脉冲频率合成器
if
的前提下提高输在一个计数周期内，总计脉冲数即分频比为
( 1 ) ( )tN P A P N A A P N
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。
图 6.8.4为采用 MC145152和双模分频器 MC3393P
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
（ 4） 集成频率合成器件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 A
Ai
f Nff
MM
频率分辨率为 1
AiffM
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
Biff
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（ oBff? ），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
6.8.2 直接数字频率合成器直接数字式频率合成器 （ Digital Direct
Synthesizer，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 22
2 2
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
2 N
oc
f
TT
或
2
f
ocNff
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
2ocN
Kff?
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
2o n im 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 cNff?
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
m ax
1
2ocff?
实际应用中,一般取
m a x 040 0ocff
辨率就是它的最低频率，即
1
2ocNff
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 50M H z
cf?
,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。
