提高间接频率合成的频率分辨率方法

从倍频式锁相环公式可知，输出信号的频率分辨率取决于基准频率fr。为了提高频率分辨率势必减小fr，但是在锁相环中如果降低fr，将减慢频率转换速度，这是不希望的。为此，需要寻求提高频率分辨率的其他途径。通常有三种提高频率分辨率的方法。

1）微差混频法

该方法将两个频率相差甚微的信号源进行差频混频，如图2-15所示。混频器的输出频率f0为当N1和N2同步同值调节时，即N1=N2，则：

由式（2-17）可见，输出频率的分辨率就是Δf。在微差混频法中，由于参与混频的两个信号频率十分接近，所以分辨率得到提高。但是当这两个频率很近时，在混频器工作中频率牵引现象也很严重，且很难解决。

2）微波多环合成扫频信号源

在混频式锁相环中，如果混频器的输入信号频率fr2可变，且变化的增量小于fr1（即Δfr2＜fr1），则可以提高频率分辨率。可变的fr2是由另一个锁相环产生的，如图2-15所示。该图由锁相环Ⅰ和Ⅱ组成，属于双环频率合成器。由该图可得锁相环Ⅰ的输出信号频率f0为：

图2-15　双环频率合成器

式中D为固定分频系数；N1和N2为可调量。因此，输出频率f0的变化增量为f′r2/D，这就是双环混频时能达到的频率分辨率。选择N2、D之值，使fr2=N2f′r2/D的覆盖范围等于fr1。为了进一步提高频率分辨率，还可以用三环等多环合成方法。

当相位噪声要求并不苛刻或者明确只要求远端噪声，并且频率切换时间和频率步进之间没有矛盾，使用单环合成器就能很好地满足要求。当单环合成器不能满足要求时，可采用双环或多环方案实现。

如图2-16所示的合成器工作在VHF频段，频率步进为1 kHz，频率切换时间为5 ms，并且有极好的近端相位噪声性能。采用双环时，只要环路满足稳定度条件，对其中的220～300 MHz锁相环，可以通过选择合适的环路带宽衰减VCO噪声到要求的任意值，这样做并不会降低合成器的近端噪声。同时，设计具有较好远端噪声特性的VCO，可以使该合成器也能够满足远端严格的相位噪声要求。(www.xing528.com)

在进一步修改合成器要求之前，有必要对如图2-16所示的合成器给出一些新的建议。由于混频器的两个输入信号会落入输出频带内，所以需要在混频器后加入多极点电调带通滤波器。如果将辅助锁相环产生的注入信号频率从10.0～19.99 MHz增加到40.0～49.999 MHz，就可以在混频器的输出端使用固定频率带通滤波器（这种器件更便宜且稳定），整个花费可能低一些。上述方法只有当低阶交调信号落在混频器的输出带宽外才适用。有兴趣的读者可以给出对图进行修改后的框图，并给出去掉电调滤波器后有什么结果。

图2-16　1 kHz频率步进的双环合成器

如果把1 kHz的频率步进改变为100 Hz，那么100.0～199.99 MHz锁相环的比较频率从10 kHz降到1 kHz（如图2-17所示）。如果频率切换时间为5 ms，则这种方法就不可取。一种可能满足上述所有要求的方案如图2-18所示，它采用两个锁相环；和分频器提供100 Hz频率步进，替代图2-17中相位比较频率为1 kHz的锁相环，这样做可以满足相位噪声和频率切换时间要求。尽管可以用两个电调带通滤波器来抑制两个混频器的杂散输出，但笔者认为，通过选择合适的混频器输入频率，可以采用固定频率滤波器来取代两个电调带通滤波器。

图2-17　100 Hz频率步进的双环合成器

图2-18　100 Hz频率步进的多环合成器

可以用两个电调带通滤波器来抑制两个混频器的杂散输出，通过选择合适的混频器输入频率，可以采用固定频率滤波器来取代两个电调带通滤波器。随着通信等技术的发展，对频率合成器输出频率范围已经从高频移到更高的微波频段，但是合成器的其他技术指标要求，如输出杂散、相位噪声，仍然保持不变，甚至更加严格。这些变化及要求给频率合成器设计带来了新的挑战。

只要输出频率范围、杂散信号和相位噪声能满足要求，实现微波频率合成器就可以利用VHF频率合成器输出再倍频到微波频段。数字频率合成器由于能产生任何需要的频率步进，非常容易完成这个目标。例如，假如频率合成器输出频率步进为10 kHz，频率范围是4～5 GHz，那么用一个工作于250～312.5 MHz以625 Hz为频率步进的VHF合成器经16倍频，就能以相当低的成本满足上述要求。如果只关心合成器输出频率远端相位噪声，可以采用如下方法：通常设计低噪声压控振荡器和窄带锁相环，从而使所关心的偏离信号较远处的区域相位噪声主要取决于压控振荡器的相位噪声。本书中其他地方已经介绍了这种技术，此处不再赘述。

3）小数合成法

小数合成法是用N具有小数部分的倍频锁相环实现的，例如N=3.2，N=25.4等。通常用符号F-NPLL表示（即Fractional-N Phase Locked Loop），或者表示为N.FPLL。

虽然早在二十多年前人们就在吞脉冲技术基础上研究F-NPLL，但是只有在大规模集成电路（尤其是混合信号专用集成电路）以及计算机技术发展到今天，才进一步促进F-NPLL技术的发展和应用。现在，这种F-NPLL技术受到国内外普遍关注。F-NPLL的最大特点是在不降低基准频率fr的情况下提高频率分辨率，从而解决了转换速率和频率分辨率之间的矛盾（这在单环（NPLL）频率合成时是难以解决的），而且可以获得比NPLL更好的频谱纯度。采用100 kHz以上的fr，小数合成器可达到微赫兹量级的分辨率，转换速度也达到毫秒量级或更高。