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[摘 要]频率合成器是雷达、通信设备、电子侦察设备当中的重要部件，因此在现代的科技领域当中具有极大的研究价值。随着科学技术的不断发展，频率合成器的功能也更加的完善。小数分频锁相频率合成器是近年来新研发的一种高分辨率、高稳定性、低噪声的一种新型频率合成器。本文从锁相环设计方法、工作原理、工作性能等方面对小数分频锁相频率合成器进行了研究。
[关键词]小数分频 锁相 频率合成器
中图分类号：TN74 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）02-0394-01
频率合成器的主要功能是产生电频或调频，从而达到传输信号的作用。因此，频率合成器被广泛应用于信号源的构建上。在现代电子设备中，频率合成器也是十分常见的一种部件，例如在雷达设备、电子信息设备中通常都能找到频率合成器。小数分频锁相频率合成器是频率合成器的一种类型，主要由晶体振荡器、分频器、相位电路等几个部分组成。与其他频率合成器相比，具有调频速度快、分辨率高等特点，因而在近几年获得了广泛的应用。
1.频率合成技术发展现状
近年来，电子产业的发展速度十分惊人，由此产生的电子设备类型也极为丰富，尤其是在通信、航天、电子等领域，技术和设备更新换代的速度极高。这为频率合成技术的发展提供了一个良好的平台。频率合成器的各项功能有了明显的完善，造价成本则有了一定的下降，从而促进了这一设备的广泛应用。频率合成器的类型也变得更加丰富。传统的电压型频率合成器已经不是最常使用的设备类型，小数分频锁相合成器得到了快速的发展。这种新型设备的优势在于，能够在实现同步步进的基础上显著提高分辨率，进而进一步降低设备的生产应用成本。随着电子技术的进一步发展，小数分频锁相频率合成器的各项性能也将得到更好的完善和发展。
2.锁相环的基本理论
2.1 锁相环基本理论
从根本上来说，锁相环是一个控制电路，主要由鉴相器、振荡器、滤波器等几个部分组成。在锁相环电路中，标准相位与振荡器中的实际信号相位之间会产生一个差值。这个相位差在经过滤波器会形成一个电压。这个电压会改变振荡器的输出频率。因此，振荡器的相位与频率之间是存在一个正相关的函数关系的，实际上就是相位控制了振荡器中的频率变化。要得出振荡器中的频率大小，只需要检测其中的相位即可。
2.2 压控振荡器
当电路中输入一个电压时，就会输出一个相应的频率，这就是压控振荡器的作用原理。在压控振荡器中，电路中的输入电压控制着输出频率的大小。但这种控制难以在较长的时间内保持线性关系，只能在一个范围内保持相对的稳定。当频率的变化幅度超出一定的范围时，压控制振荡器的控制精度就会受到影响，进一步影响输出频率的大小。
2.3 环路滤波器
锁相环的电路中存在环路滤波器，这会导致电路的输出信号受到干扰，通常会比正常值偏小。当输出频率较低时，这种影响作用较小，主要原因是频率较小的信号可以较为顺利的通过滤波器。当信号的频率较大时，就会受到低通滤波器的过滤，从而限制了信号的传输。低通滤波器的组成部分包括电容和电阻两个部分。有一些环路滤波器中还会设置频率放大器。
3.锁相环路的性能
3.1 锁相环路的捕获性能
锁相环路并不是一开机就自动锁定的。事实上，在开机、调频或开环到闭环的一段时间内，锁相环路是出于打开的状态的。锁相环路是通过捕获的过程进入锁定的状态的。在捕获过程的第一个阶段中，只存在相位捕获。在这一阶段，电路中不存在周期性的频率。二阶环是锁相环路中最常见的一种环路类型。环路中包含一个压控振荡器和一个一阶环路滤波器。这些部件共同起到了控制电压大小的作用，最终完成环路锁定的过程。
频率捕获完成所需要的时间被称为捕获时间，其中包括了频率捕获时间和相位捕获时间两个部分。通常，频率捕获时间都要远高于相位捕获时间，因此在大多数情况下，相位捕获时间可以直接省略，而将频率捕获时间近似的看做捕获时间。
3.2 锁相环路的跟踪性能
当环路处于锁定状态时，输出频率与输入频率是一致的，但两者之间存在一定的相位差。当输入信号的频率发生波动时，环路会通过自动控制的作用来改变输出信号频率的大小。这一过程通常由压控振荡器来完成。压控振荡器通过变化相位跟踪输入信号的变化状态，从而体现了锁相环路的跟踪性能。
当锁相环路处于锁定状态时，相位的变动是较小的。这时可以根据线性函数对变化的相位进行计算，环路也被近似看做是一个线性的体系。这种信号跟踪方式被称为线性跟踪。当相位的变动幅度较大时，环路会出现解锁的现象。这时线性跟踪的方式不再适用。，而需要采用非线性微分进行求解。
3.3 锁相环路的主要指标分析
锁相环路常用的指标主要有六项，分别是相位噪声、杂散抑制、输出频率范围、调频步进、调频时间、频率漂移。其中，相位噪声主要体现了频率合成器在一段时间内的稳定性。通常，载波的频率会受到相位噪声的影响，随着噪声的增加而变大。变化的范围从1赫兹到几千赫兹不等。这几项指标共同决定着频率合成器使用的成本、体积、功能等。其中，杂散水平、相位噪声和频率转换时间是影响最大的几项指标。
4.锁相环频率合成器的相位噪声分析
频率合成器的相位噪声会对其功能的发挥、灵敏度、信号强度等产生极大的影响，严重时甚至会出现混频的问题，导致接收器失灵。因此，对于锁相环频率合成器的相噪指标进行研究是十分有必要的。
4.1 相位噪声的基本概念
相位噪声是体现频率合成器短期内稳定性的一项指标。相位噪声的存在对于载波的频谱宽度也会产生影响。通常，在频率合成器中都会出现一定的无用信号，这些信号的频率、相位等会对有用的信号产生较强的干扰，这些信号就被称为相位噪声。相位噪声在频域和时域上体现出不同的特性。在时域中，相位噪声是以正弦波的方式出现的。而在频域中则是余弦波的形式。
4.2 锁相环系统的相位噪声处理
锁相环路对于压控振荡器的噪声有高通的效果，为了有效的抑制锁相环路中的各种噪声，必须适当的增加环路的带宽，从而达到优化相位噪声的作用。在实际操作的过程中，可以将环路带宽设置为交叉频率的大小，通过晶振来控制锁相环系统的相位噪声。
5.结语
频率合成器在我国已经经历了几十年的发展历程。在发展的过程中，频率合成器的技术不断完善，尤其是小数分频锁相频率合成器的发明和使用，给电子、通信、航空航天等领域带来了极大的革新。
参考文献
[1] 鲁纯，韩周安.C频段宽带低杂散频率合成器的设计与实现[J]. 现代电子技术，2015（03）：33-35.
[2] 夏怡，张晓林，韩冰杰.一种用于导航接收机的小数分频锁相式频率合成器[J].2015（02）：24-25.
[3] 刘永刚，郭桂良，杜占坤，阎跃鹏.S/U双波段小数分频锁相环型频率合成器设计[J]. 半导体技术，2010（11）：55-57.
[关键词]小数分频 锁相 频率合成器
中图分类号：TN74 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）02-0394-01
频率合成器的主要功能是产生电频或调频，从而达到传输信号的作用。因此，频率合成器被广泛应用于信号源的构建上。在现代电子设备中，频率合成器也是十分常见的一种部件，例如在雷达设备、电子信息设备中通常都能找到频率合成器。小数分频锁相频率合成器是频率合成器的一种类型，主要由晶体振荡器、分频器、相位电路等几个部分组成。与其他频率合成器相比，具有调频速度快、分辨率高等特点，因而在近几年获得了广泛的应用。
1.频率合成技术发展现状
近年来，电子产业的发展速度十分惊人，由此产生的电子设备类型也极为丰富，尤其是在通信、航天、电子等领域，技术和设备更新换代的速度极高。这为频率合成技术的发展提供了一个良好的平台。频率合成器的各项功能有了明显的完善，造价成本则有了一定的下降，从而促进了这一设备的广泛应用。频率合成器的类型也变得更加丰富。传统的电压型频率合成器已经不是最常使用的设备类型，小数分频锁相合成器得到了快速的发展。这种新型设备的优势在于，能够在实现同步步进的基础上显著提高分辨率，进而进一步降低设备的生产应用成本。随着电子技术的进一步发展，小数分频锁相频率合成器的各项性能也将得到更好的完善和发展。
2.锁相环的基本理论
2.1 锁相环基本理论
从根本上来说，锁相环是一个控制电路，主要由鉴相器、振荡器、滤波器等几个部分组成。在锁相环电路中，标准相位与振荡器中的实际信号相位之间会产生一个差值。这个相位差在经过滤波器会形成一个电压。这个电压会改变振荡器的输出频率。因此，振荡器的相位与频率之间是存在一个正相关的函数关系的，实际上就是相位控制了振荡器中的频率变化。要得出振荡器中的频率大小，只需要检测其中的相位即可。
2.2 压控振荡器
当电路中输入一个电压时，就会输出一个相应的频率，这就是压控振荡器的作用原理。在压控振荡器中，电路中的输入电压控制着输出频率的大小。但这种控制难以在较长的时间内保持线性关系，只能在一个范围内保持相对的稳定。当频率的变化幅度超出一定的范围时，压控制振荡器的控制精度就会受到影响，进一步影响输出频率的大小。
2.3 环路滤波器
锁相环的电路中存在环路滤波器，这会导致电路的输出信号受到干扰，通常会比正常值偏小。当输出频率较低时，这种影响作用较小，主要原因是频率较小的信号可以较为顺利的通过滤波器。当信号的频率较大时，就会受到低通滤波器的过滤，从而限制了信号的传输。低通滤波器的组成部分包括电容和电阻两个部分。有一些环路滤波器中还会设置频率放大器。
3.锁相环路的性能
3.1 锁相环路的捕获性能
锁相环路并不是一开机就自动锁定的。事实上，在开机、调频或开环到闭环的一段时间内，锁相环路是出于打开的状态的。锁相环路是通过捕获的过程进入锁定的状态的。在捕获过程的第一个阶段中，只存在相位捕获。在这一阶段，电路中不存在周期性的频率。二阶环是锁相环路中最常见的一种环路类型。环路中包含一个压控振荡器和一个一阶环路滤波器。这些部件共同起到了控制电压大小的作用，最终完成环路锁定的过程。
频率捕获完成所需要的时间被称为捕获时间，其中包括了频率捕获时间和相位捕获时间两个部分。通常，频率捕获时间都要远高于相位捕获时间，因此在大多数情况下，相位捕获时间可以直接省略，而将频率捕获时间近似的看做捕获时间。
3.2 锁相环路的跟踪性能
当环路处于锁定状态时，输出频率与输入频率是一致的，但两者之间存在一定的相位差。当输入信号的频率发生波动时，环路会通过自动控制的作用来改变输出信号频率的大小。这一过程通常由压控振荡器来完成。压控振荡器通过变化相位跟踪输入信号的变化状态，从而体现了锁相环路的跟踪性能。
当锁相环路处于锁定状态时，相位的变动是较小的。这时可以根据线性函数对变化的相位进行计算，环路也被近似看做是一个线性的体系。这种信号跟踪方式被称为线性跟踪。当相位的变动幅度较大时，环路会出现解锁的现象。这时线性跟踪的方式不再适用。，而需要采用非线性微分进行求解。
3.3 锁相环路的主要指标分析
锁相环路常用的指标主要有六项，分别是相位噪声、杂散抑制、输出频率范围、调频步进、调频时间、频率漂移。其中，相位噪声主要体现了频率合成器在一段时间内的稳定性。通常，载波的频率会受到相位噪声的影响，随着噪声的增加而变大。变化的范围从1赫兹到几千赫兹不等。这几项指标共同决定着频率合成器使用的成本、体积、功能等。其中，杂散水平、相位噪声和频率转换时间是影响最大的几项指标。
4.锁相环频率合成器的相位噪声分析
频率合成器的相位噪声会对其功能的发挥、灵敏度、信号强度等产生极大的影响，严重时甚至会出现混频的问题，导致接收器失灵。因此，对于锁相环频率合成器的相噪指标进行研究是十分有必要的。
4.1 相位噪声的基本概念
相位噪声是体现频率合成器短期内稳定性的一项指标。相位噪声的存在对于载波的频谱宽度也会产生影响。通常，在频率合成器中都会出现一定的无用信号，这些信号的频率、相位等会对有用的信号产生较强的干扰，这些信号就被称为相位噪声。相位噪声在频域和时域上体现出不同的特性。在时域中，相位噪声是以正弦波的方式出现的。而在频域中则是余弦波的形式。
4.2 锁相环系统的相位噪声处理
锁相环路对于压控振荡器的噪声有高通的效果，为了有效的抑制锁相环路中的各种噪声，必须适当的增加环路的带宽，从而达到优化相位噪声的作用。在实际操作的过程中，可以将环路带宽设置为交叉频率的大小，通过晶振来控制锁相环系统的相位噪声。
5.结语
频率合成器在我国已经经历了几十年的发展历程。在发展的过程中，频率合成器的技术不断完善，尤其是小数分频锁相频率合成器的发明和使用，给电子、通信、航空航天等领域带来了极大的革新。
参考文献
[1] 鲁纯，韩周安.C频段宽带低杂散频率合成器的设计与实现[J]. 现代电子技术，2015（03）：33-35.
[2] 夏怡，张晓林，韩冰杰.一种用于导航接收机的小数分频锁相式频率合成器[J].2015（02）：24-25.
[3] 刘永刚，郭桂良，杜占坤，阎跃鹏.S/U双波段小数分频锁相环型频率合成器设计[J]. 半导体技术，2010（11）：55-57.