基于SystemView仿真的數(shù)字頻率合成器

    從20世紀(jì)30年代開始頻率合成技術(shù)被人們認(rèn)識(shí)，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(gè)或幾個(gè)頻率為基礎(chǔ)，進(jìn)行加、減、乘、除四則算術(shù)運(yùn)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(dá)、宇航和遙控遙測(cè)技術(shù)的不斷前進(jìn)，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(shí)對(duì)頻率合成的輸出頻率的個(gè)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(duì)基準(zhǔn)頻率進(jìn)行加、減、乘、除等運(yùn)算，以得到各種所需頻率。其優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)，要求基準(zhǔn)信號(hào)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(diǎn)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(shí)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(shí)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(gè)分頻比可變的分頻器，通過CPU控制可獲得不同的頻點(diǎn)。如圖1所示是一個(gè)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(gè)可變分頻器。如圖1所示，高穩(wěn)定度的參考振蕩源信號(hào)經(jīng)R次分頻后，得到頻率為fR的參考脈沖信號(hào)。同時(shí)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(hào)，2個(gè)脈沖信號(hào)在鑒相器進(jìn)行相位比較。當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，則有輸出信號(hào)：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(jì)、仿真、分析和評(píng)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(qiáng)大的調(diào)試環(huán)境，是真正信號(hào)級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，在設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)后就可進(jìn)行仿真分析。

3 數(shù)字頻率合成器的設(shè)計(jì)與仿真

    基于以上對(duì)數(shù)字頻率合成器的分析，在SystemView設(shè)計(jì)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(gè)8極點(diǎn)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(jìn)行100分頻后作為基準(zhǔn)頻率進(jìn)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(shí)間參數(shù)設(shè)定為1 000 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為16 384點(diǎn)情況下，對(duì)構(gòu)建的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，當(dāng)N=20時(shí)，由圖3輸出信號(hào)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(hào)的頻率被鎖定在200 Hz。當(dāng)把N改為18時(shí)，輸出信號(hào)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(shí)輸出信號(hào)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(hào)的頻率將變?yōu)榛鶞?zhǔn)頻率10 Hz的整數(shù)倍。但事實(shí)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(gè)整數(shù)倍的頻率。當(dāng)N=23時(shí)，輸出信號(hào)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(hào)頻率比較平均地分布在180～240 Hz頻帶內(nèi)，此時(shí)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(jìn)行分頻比設(shè)置時(shí)，N值不能設(shè)置太高。在實(shí)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(jìn)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(yùn)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(gè)頻率穩(wěn)定的輸出信號(hào)，目前在各種無線電臺(tái)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。