最新频率合成技术-通信电路-课件-08.课件PPT.ppt 69页

'频率合成技术-通信电路-课件-08. 8.1频率合成器概述为了实现高质量的无线电通信，减少各种外界因素对传输信号的干扰，近代通信系统往往要求通信机具有大量的、可供用户选择和迅速更换的载频振荡信号。频率合成器能够实现上述要求。例如移动通信：要求在150、400、900、1800MHz频率附近提供上百个频率点要求这些频率点的载波振荡频率稳定度与精度，都应满足系统的性能要求，并能迅速变换。晶体振荡器无法满足上述要求频率合成器是一种能够产生大量与基准参考频率源具有同样高精度和稳定度的离散频率信号的部件。2 频率合成的方法频率合成（频率综合）是指以一个或数个参考频率源为基准，在某一频段内，通过一定的变换与处理后综合产生并输出多个工作频率点的过程。制作高质量频率源成为军用（电子对抗）、民用（通信、广播电视、仪器等）研制工作的一项关键课题这些离散频率的频率稳定度和精度均与基准频率相同。这些离散频率能在很短时间内，由某一频率变换到另一频率频率合成的基本方法主要有三类：直接式频率合成锁相频率合成（亦称间接式频率合成）直接数字式频率合成3 频谱纯度对通信系统的影响频率合成器输出信号频谱不纯，对接收机和发射机都会产生不良影响频谱不纯的发射信号将对邻道信号产生干扰接收机的混频器可将本振噪声转移到中频段，将降低中频信号的信噪比本振噪声会干扰数字通信载波信号中的相位噪声和本振中的相位噪声直接影响数字相位调制系统的误码率相位噪声和杂散是频率合成器（振荡器）最重要的性能指标之一7 相位噪声相位噪声－－频率稳定度在频域中的表征。一般用偏离载频f处单边相位噪声功率谱密度与信号总功率之比来表示，单位dBc/Hz，例如测得某频率合成器的输出信号功率为－5dBm，在偏离该信号1MHz处在1KHz带宽内的噪声功率为－80dBm，那么单位频带内的相对单边相位噪声功率为这里30dB由得出。产生原因：由于相邻信号的干扰，和振荡器存在有源器件、电阻等噪声，这些噪声通过振荡器这个非线性系统时，对它的输出信号幅度和相位都可能进行调制，使得实际振荡器的输出信号是调幅调相波。8 相位噪声在振荡器输出信号中的表示第一项为载波电压Vomcosct,第二项为载波信号Vomsinct受到相位噪声n(t)调制的双边带信号。振荡器输出信号的频谱是一根载波频谱和被搬移到载波两边的相位噪声频谱的叠加。由于振荡器具有正反馈的自限幅作用，抑制了振幅噪声，只需考虑相位噪声的影响。而且对于一个能使用的振荡器来说，通常相位噪声也是较小的。9 用频谱仪测相位噪声该信号中心频率为836.49MHzSPAN为5KHz分辨率带宽RBW为100Hz输出功率参考为0dBm每格衰减为10dB在偏离中心频率1KHz（即2格）处可读得相位噪声功率相对于信号功率为－55dBc/100Hz相位噪声10 相位噪声的特点距离中心频率越远，其值越小。噪声频谱与振荡回路有载Q值有关，Q值越大，曲线越尖锐，相位噪声衰减得越快。－－提高振荡回路的Q值是减小相噪的关键。相位噪声的特点：11 8.2直接频率合成法采用对频率具有加减乘除四则运算功能的混频器、倍频器、分频器和具有选频功能的滤波器的不同组合来实现频率合成的方法，一般称为直接频率合成法。主要缺点：有较多的非线性电路，可能产生寄生干扰，使输出信号频谱纯度降低。接入了大量的、滤波性能要求较高的频带滤波器，从而使设备体积庞大，造价也十分昂贵。倍频器分频器混频器频率间隔(M可变）为：离散频率数由倍频器的可变倍频次数M决定。滤波器滤波器滤波器12 直接频率合成（续）举例1：已知基准频率=1MHz。要求输出频率：21.6MHz分频分频分频混频混频倍频带通滤波带通滤波谐波发生器晶振缺点：频率范围有限；离散频率数不能太多；输出信号中的寄生频率成分和相位噪声显著加大；设备变得庞大。13 8.3锁相频率合成法锁相频率合成器，由基准频率产生器和锁相环路两部分组成。基准频率产生器为合成电路提供一个或几个高稳准的参考频率锁相环路利用其良好的窄带跟踪特性，使频率准确地锁定在参考频率上，并使被锁定的频率具有与参考频率一致的频率稳定度和较高的频谱纯度锁相频率合成器的性能，取决于这两部分的性能，尤其是环路的跟踪特性、滤波特性和噪声特性。主要优点：系统结构简单；输出频率成分的频谱纯度高；易于得到大量的离散频率；易于集成化。主要缺点：频率转换时间长；单环频率合成器的频率间隔不能做得很小。14 数字锁相频率合成器－－原理VCOLFPD程序分频器频道选择数字锁相频率合成器基本原理是参考频率，由晶体振荡器振荡频率分频得到。当环路锁定时，鉴相器两输入信号的频率相等。改变N即可获得不同的输出频率。1215 数字锁相频率合成器－原理（续1）当=100kHz，分频比N在31～316范围内变化时，输出频率范围将为3.1～31.6MHz，频率间隔为100KHz。当=100Hz，分频比N=30000～39999时，输出频率将为3～3.9999MHz，频率间隔为100Hz。例如，上图中频率合成器输出频率为：结论：（1）分辨力等于（2）分频比N范围一定时，频率间隔越大（分辨力越低），频率合成器工作范围越宽。－－分辨力与工作范围矛盾。16 参考频率对环路性能的影响--讨论1参考频率对环路性能的影响输出频率的分辨力，等于输入鉴相器的参考频率。越小，输出信号的频率分辨力将越高。小环路频率转换时间大，因此减小与减小及抑制VCO噪声往往成了对频率合成器提出的相互矛盾的要求。对于输出频率较高，当很小时，分频比N的变化将很大，此时环路线性化传递函数也变化很大，如N＝1～1000，开环增益有60dB变化，影响环路的动态工作性能。小，环路带宽窄，对抑制VCO噪声不利。（为了抑制及其谐波，环路带宽应小于）17 可编程分频器最高工作频率低的影响－讨论2分频比固定的分频器，工作频率较高，有工作在500MHz、800MHz甚至千兆赫的集成器件可供选用。可编程分频器的工作频率则要低很多，TTL部件构成的可编程分频器，上限频率约为几十MHz，CMOS部件构成的可编程分频器，上限频率则更低。而大多数通信系统的工作频率则要上百、上千MHz。其分频比的数目，决定了合成器输出信道的数目。程序分频器的输入频率，也是合成器的输出频率。基本锁相频率合成器存在合成器要求的输出频率与可编程分频器的最高工作频率之间的矛盾。可编程分频器是数字锁相频率合成器的重要部件。如何解决？18 在程序分频器前加前置分频器－方案1含前置分频器的锁相频率合成器－提高频率合成器输出频率在主分频器前，接入分频比恒定的前置分频器，以降低主分频器（可编程分频）的工作频率。鉴相VCO低通主分频器前置分频器参考分频器晶振当改变N时，输出频率将为以为间隔的离散频率系列。可见本方案是以加大频率间隔为代价，换取合成器工作在较高的频段。19 采用吞脉冲可变分频器—方案2（2）采用吞脉冲可变分频器的锁相频率合成器1、吞脉冲可变分频器组成框图N大于A频道选择主计数器模式控制辅助计数器双模前置分频器“1”---计数“0”---停止“1”---“0”---去鉴相器来自VCO分频器输出频率分频器的输入频率20 吞脉冲可变分频器工作过程模式控制电路为高电平时，双模分频器的分频比为模式控制电路为低电平时，双模分频器的分频比为。N（主计数器）>A（辅助计数器－－吞脉冲计数器）。工作过程：双模分频器受模式控制电路控制，当模式控制电路输出为高电平时，则分频比为（P+1),此时每输入（P＋1）个脉冲，双模分频器就输出一个脉冲。主计数器预置为N，吞脉冲计数器预置为A。在双模分频器输出脉冲同时加到两计数器上作为CP时两计数器同时计数（减法）。21 吞脉冲可变分频器的分频比在一个计数周期内，总计脉冲量为：继续输入脉冲，辅助计算器停止工作，主分频器继续从（N－A）作减法计数，直到再输入（N－A）P个VCO脉冲后，主计数器计到零，此时主计数器输出一个脉冲去鉴相器，而模式控制电路重新恢复高电平，双模分频器恢复÷（P+1）分频比，各部件进入第二个计数周期。双模分频器输出A个脉冲，即输入（P＋1）A个脉冲时，辅助计数器减到零，使模式控制电路输出电平降为低电平，双模分频器分频比变为÷P。22 吞脉冲频率合成器的输出频率由于每个工作周期才输出一个脉冲给鉴相器，n即为吞脉冲分频器的分频比，于是采用吞脉冲分频器构成频率合成器时，其最小频率间隔可以做到等于，而输出频率则为：频率分辨力仍为，环路频率转换时间没有变化。这是因为上式中有和项（A为分频比的个位）。吞脉冲频率合成器达到了两个目的：一是只有双模分频器工作在高速，可编程计数器工作速度比之低P倍。二是VCO输出频率提高了，但频率分辨力不变。23 吞脉冲锁相频率合成器组成框图鉴相VCO低通晶振双模前置分频器主计数器辅助计数器模式控制参考分频器频道选择频道选择返回24 多环频率合成器－方案3解决单环频率间隔受限PD1LF1VCO1可变÷N1÷100（-）PD3LF3VCO3PD2LF2VCO2可变÷N2频率间隔为fi/10025 多环频率合成器分析方法输出频率：1、先根据环路锁定时输入至鉴相器的两个信号的频率相等的特点，列出每个VCO的输出频率的表示式2、根据框图的连接关系，将各未知量代入。频率分辨力：分辨力即为两个频率之间的最小间隔，因此只需找出输出频率表示式中可变分频器分频比逐1变化引起的最小频率增量，便是该频率合成器的频率分辨力。26 8.4实用频率合成器芯片-并行码输入编程27 鉴频鉴相器波形145152鉴频鉴相器波形哪个频率高或相位超前，相应的鉴相器输出端就输出负脉冲，为低电平，另一端则为高电平。锁定时鉴相器两个输出端均为高电平。锁定指示也为高电平。28 采用MC145152的频率合成器电路29 三线控制的频率合成器芯片（SPI接口）西门子手机芯片PMB2307R双模分频器出30 PMB2307频率合成器电路VCO双模分频器单片机控制31 举例1：举例1：若含吞脉冲分频器的锁相频率合成器，其双模分频器的分频数为÷41/40，主计数器的N=3～1023，辅助计数器的A=3～127，已知参考频率，要使输出频率，两计数器N和A应预置于何值？该频率合成器的工作范围是多少？32 举例１可得出合成器环路分频器的分频数应为：27310=40N+A频率点数：4万多。解：由先忽略A，求得：N=27310/40=682.75，取N=682则余数A值为：A=27310-40×682=30或即当=5kHz时，将÷N、÷A两计数器分别置于N=682和A=30，即可使输出频率=136.550MHz。范围：N=3～1023,A=3～12733 举例２利用实验室现有器材，设计一个满足以下性能要求的用于某移动通信设备的锁相频率合成器，试画出框图。1、性能要求：工作频率范围880.4～924.4（MHz）信道间隔100KHz频率稳定度1×10-52、实验室现有器材清单：VCO，频率调谐范围200～240（MHz）鉴频/鉴相器，最高工作频率１MHz吞脉冲频率合成器芯片MC14515234 举例２（续1）10MHz、12.8MHz、52MHz晶振，频率稳定度均为１×10-6÷40/41双模分频器可编程分频器，最高工作频率35MHz电感、电容、电阻、及运放可组成各种带通、低通滤波器1GHz内的混频器各种分频器、倍频器难点：1、VCO可变频率范围不够2、可编程分频器，最高工作频率低（VCO输出必须降频后才能与之相联）。35 解：设计方案1－吞脉冲锁相和倍频器相结合采用吞脉冲锁相频率合成器和倍频器相结合的方案。即用12.8MHz晶体、MC145152芯片和÷40/41双模前置分频器组成输出频率为220.1～231.1MHz的锁相频率合成器,然后在VCO输出端加接4倍频器,如图(a)所示,则图(a)R分频器的分频比12.8×106/25×103=512取整数N=220～231A：0～3936 方案2下变频器和倍频器相结合（见指导书p429）图（b)37 方案3固定前置分频和上变频器相结合（见指导书p429）固定前置分频器和上变频器相结合图（Ｃ）N=2564~300438 8.5直接数字频率合成（DDS）基于全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形。基本思路是按一定的时钟节拍从存有波形函数表的ROM中读出与相位对应的代表波形幅值的二进制数，经过D/A变换和低通滤波，得到所需的模拟波形。主要优点：相位连续；分辨力高（可达0.001Hz）；工作频率范围宽，容易做到极低的频率；转换频率的时间短（几乎是即时的频率转换），以及成本低、控制灵活等。主要缺点：输出频率上限不太高，受限于器件可用的最高时钟频率；总输出噪声电平较高。（DirectDigtialFrequencySynthesis简称DDFS或DDS）是近年来发展起来的一种将先进的数字处理理论与方法引入信号合成领域的一项新技术（第三代频率合成）。39 DDS的基本结构频率控制字时钟相位累加器只读存储器数模转换器滤波器K信号输出参考时钟由－个高稳定的晶体振荡器产生。相位累加器由N位加法器与N位累加寄存器级联构成。相位累加器的N位输入称为频率控制字K，K为每次累加器累加的相位增量。40 DDS工作过程相位累加器在频率控制字和时钟脉冲的作用下输出合成波形的相位序列。只读存储器内存储着与相位序列对应的正弦幅度数据码，而存储单元地址码即为该相位序列，因此当相位序列对ROM寻址时，ROM输出幅度码。幅度码经DAC输出阶梯波形再经低通滤波器后，输出所需的正弦波形。41 具体过程：相位累加器受时钟频率及频率控制字K的控制，每一时钟脉冲到来时，累加器都要进行一次加法运算，将累加器内的当前值与频率控制字K相加作为新的当前值,即正弦表的相位地址码。读出相对应的幅度码。频率控制字K是每次累加器所跳跃的的倍数。设K=1,则每次时钟脉冲到来时，累加器输出的当前值要加1，相位增加一个最小间隔若累加器字长为N，则。则每次相位增加。当累加器溢出时，输出形成一个完整的周期波形，其频率，该波形经DAC,再经低通滤波器平滑后，输出即为合成的正弦信号。42 DDS特点改变时钟频率fc和频率控制字K，可以改变输出信号频率DDS最低输出频率为K=1时，fomin=fc/2N最高频率，根据奈奎斯特取样定理，可达fomax=fc/2，一般要求不大于fc/4，即一个正弦波周期，至少取4个点。DDS输出频率的分辨力就是它的最小输出频率：只要N足够大，DDS的分辩力就足够的高。DDS依靠ROM的地址线位数A（或DAC的位数D）来保证正弦波的幅度精度，靠相位累加器的位数N来保证其分辩力。43 Si4133在1.6GHz上相噪特性返回44 Si4133在1.6GHz上的杂散45 下堂课：复习46 综合性医院结核病人的发现 结核病的诊断方法注意接触史,易感人群症状和体征辅助检查:影像学,实验室,PPD试验诊断性治疗 接触史家人:共同生活者朋友:常接触者同事:一起工作既往史:有结核病史 易感人群婴幼儿产妇免疫缺陷者:HIV,糖尿病,尿毒症,免疫抑制边远地区刚进入人口密集区的人群过度疲劳:打工者,高考,出差特殊职业:出租车司机,精神压力大,工作负担重 症状咳嗽超过两周,多干咳咯血:痰血,整口,长期间歇痰血胸痛:累及胸膜,可以胸片正常发热;低热,午后消瘦,乏力,多汗变态反应:皮肤,气道,眼,关节反复感染:呼吸道,消化道,泌尿道 体征体形消瘦,可有肥胖者扁平胸浅表淋巴结肿大:颈部为多肩胛间区湿罗音皮肤结节性红斑各部位感染的体征 影象检查胸片,CT多见双上肺,中叶,下叶背段病灶多样化,混合性易播散,易影响胸膜病灶变化相对缓慢 实验室检查痰(其他标本):涂片,培养,PCR结核抗体ESR,血RT PPD试验标准5个结素单位皮试72H(48—72)观察硬结硬结<5MM(-)5—9MM一般(+)10—19MM中度(+)>=20MM或局部水疱,坏死,淋巴结肿大为强(+)强(+)提示体内有活动性结核感染 诊断性治疗疑似病例临床诊断病例 疑似病例胸片异常接触史+临床症状临床症状+PPD强(+) 临床诊断病例胸片异常+临床症状胸片异常+PPD试验(+)胸片异常+结核抗体(+)胸片异常+病理示结核诊断性抗痨有效,并排除其他疾病者 确诊病例痰菌(+)2次痰菌(+)1次+X线异常痰菌(+)1次+痰结核培养(+)X线异常+痰结核培养(+)X线异常+病理示结核总之,咯血,咳嗽,咳痰大于2周是临床诊断的重要线索.胸片,PPD.痰菌检查是最重要的检查手段.痰涂片是发现结核传染性病人的主要方法. 个案分析一任某某,女,76岁反复寒战,高热7月伴消瘦,乏力,无其他定位症状和体征发热时血象升高青霉素等抗菌素治疗有效PPD(-)胸部CT:腔气间隙淋巴结肿大其他各项检查均正常同事有活动性肺结核 治疗及结果有接触史,有临床症状,为疑似病例诊断性治疗:HRE治疗10月体温正常体重恢复腔气间隙淋巴结消失 个案分析二臧某某,女,65岁反复尿频,尿急,尿痛多年,无咳嗽尿培养示大肠杆菌,病初对大多数抗菌素敏感,后期近乎全耐药病初抗菌素治疗有效,后期渐无效,尿感症状频繁出现胸片正常,PPD强(+) 治疗及结果虽无呼吸道症状,但有反复感染表现,PPD强(+),属于疑似病例诊断性抗痨:HE+草分支杆菌治疗9月尿路感染症状消失 个案分析三吴某某,女,40岁,农民,近年在合肥中菜市做水产生意,起早贪黑发热伴干咳一月,双下肢成批出现红硬痒斑,能自行消退胸部CT:双侧肺门及纵隔淋巴结肿大,呈分叶状,无钙化,肺野正常PPD(-)淋巴结病理示结节病 治疗及结果患者为新进入城市,劳动强度大,有免疫损伤背景PPD(-)表示无结核免疫,是结核易感人群病理示结节病,临床也应排除结核后方可成立先诊断性抗痨治疗,症状若无改善再行激素治疗3HRZ/6HRE热退,纵隔淋巴结消失,双下肢红斑同时消失,体重明显增加PPD(++) 个案分析四刘某某,女,19岁,大一新生发热伴腹胀两周,轻腹泻,消瘦检查有腹水,渗出性,细菌培养(-),抗酸杆菌(-)PPD(+)胸片正常正规抗菌素治疗一周仍高热,腹胀加重临床检查无肝硬化,风湿病及肿瘤证据无明确结核接触史 治疗及结果患者高考后,有过度疲劳,可能有免疫损伤发热伴渗出性腹水,按普通细菌感染治疗无效而又无其他疾病证据结核是常见的腹水原因诊断性抗痨:HRE9月三天热退,一月后腹水消失,九月后完全恢复正常,体重增加10公斤 个案分析五李某某,男,36岁,个体园林施工商因极度疲劳后反复发热半年,病初轻咳无痰,胸片有中叶肺炎,抗菌素治疗症状好转,后进行性消瘦,反复发热,多次住院抗菌素治疗,效果渐差,并有逐渐加重的头痛,以至出现意识障碍,且用碳青酶烯类均无效脑脊液压力高,蛋白升高,其他接近正常,但TB-PCR(+)PPD(-)AST,ALT均升高 治疗和结果有极度疲劳免疫损伤背景,PPD(-)有反复发热,感染的表现,后期抗菌素治疗无效有中叶肺炎持续达半年,中叶是结核好发部位脑脊液TB-PCR(+)抗痨药鞘内注射,支持治疗,肝功能正常后全身抗痨,后病情渐好转'