基于SystemView仿真的數(shù)字頻率合成器

從20世紀30年代開始頻率合成技術(shù)被人們認 識，70多年來，頻率合成技術(shù)有了較大的發(fā)展。頻率合成是以一個或幾個頻率為基礎(chǔ)，進行加、減、乘、除四則算術(shù)運算，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、宇航和遙控遙測技術(shù)的不斷前進，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，同時對頻率合成的輸出頻率的個數(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、混頻器對基 準頻率進行加、減、乘、除等運算，以得到各種所需頻率。其優(yōu)點是頻率轉(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，要求基準信號 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)路中插入一個分頻比 可變的分頻器，通過CPU控制可獲得不同的頻點。如圖1所示是一個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可變分頻器。如圖1所示，高穩(wěn)定度的參考振蕩源信號經(jīng)R次分頻后，得到頻率為fR的參考脈沖信號。同時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，2個脈沖信號在鑒相器進行相位比較。當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時，則有輸出信號：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、仿真、分析和評估的開發(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、功能強大的調(diào)試環(huán)境，是真正信號級系統(tǒng)設(shè)計仿真的有力工具。
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，并對其進行參數(shù)設(shè)置，在設(shè)定系統(tǒng)運行時間等參數(shù)后就可進行仿真分析。
3 數(shù)字頻率合成器的設(shè)計與仿真
基于以上對數(shù)字頻率合成器的分析，在 SystemView設(shè)計環(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195Hz，增益為20Hz／V，環(huán)路低通濾波器使用了一個8極點的貝塞爾低通濾波器，帶通為5Hz，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1kHz，進行100分頻后作為 基準頻率進入到數(shù)字頻率合成器中，也即基準頻率為fR=10Hz，在系統(tǒng)時間參數(shù)設(shè)定為1000Hz，采樣點數(shù)為16384點情況下，對構(gòu)建的系統(tǒng)進行仿 真，當(dāng)N=20時，由圖3輸出信號的頻譜圖可以看出，在頻率為200Hz處出現(xiàn)了較高的頻譜能量峰值，這說明輸出信號的頻率被鎖定在200Hz。當(dāng)把N改 為18時，輸出信號的頻譜在頻率為180Hz附近處出現(xiàn)了能量高峰值，如圖4所示，同理說明此時輸出信號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，輸出信號的頻率將變?yōu)榛鶞暑l率10Hz 的整數(shù)倍。但事實上由于鎖相環(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整數(shù)倍的頻率。當(dāng)N= 23時，輸出信號頻譜如圖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)，由此說明輸出信號頻率比較平均地分布在 180～240Hz頻帶內(nèi)，此時的鎖相環(huán)處于失鎖狀態(tài)，頻率合成器也失去了作用。因此，在進行分頻比設(shè)置時，N值不能設(shè)置太高。在實際應(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)生多個頻率穩(wěn)定的輸出信號，目前在各種無線電臺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。