更新时间：2023-03-10 10:50
频率合成的方法主要有三种:直接频率合成(DFS)，锁相环频率合成(PLL)以及直接数字频率合成(DDS)。这三种频率合成方法各有特点，传统的PLL在低相位噪声和低杂散方面有其他两种方法所无法比拟的优点，但是它的缺点就是锁定时间较长，所以设计具有快速锁定功能的锁相环频率合成器是当今通信领域的一大挑战。锁相环频率合成器的应用使得无线终端可在基站很小的频率间隔内快速地切换频率和相位， 满足频率分辨率高、 频率转换时间短、 转换时信号相位连续、 调频电路频率稳定性高及相对带宽较宽的要求，实现了无线终端在不同基站之间的快速漫游切换。
锁相环频率合成器的应用使得无线终端可在基站很小的频率间隔内快速地切换频率和相位， 满足频率分辨率高、 频率转换时间短、 转换时信号相位连续、 调频电路频率稳定性高及相对带宽较宽的要求，实现了无线终端在不同基站之间的快速漫游切换。
采用锁相环 频 率 合 成 器 的 中 频 无 线 通 信 系 统 增 加了IP 通信技术， 基站可以就近接入网络， 实现了工作面、 机车运输巷等地点无线信号的全覆盖， 完成了语音通信、 打点呼叫等功能， 非常适用于比较弯曲起伏的巷道。
频率合成器是无线通信收发机中的一个重要模块，它通过产生一系列与参考信号具有同样精度和稳定度的离散信号，为频率转换提供基准的本地振荡信号。锁相环频率合成器采用锁相环实现频率合成，是目前频率合成器的主流。在煤矿井下，携带手机的工作人员常常需要从一个基站小区进入另一个基站小区。在空闲状态，手机无线电频率需停留在小区空闲信道上；在通话状态，手机需切换到新小区的无线电信道进行连续通信。在矿井中频无线通信系统中应用锁相环频率合成器，可以随时跟踪所在小区的空闲无线电信道，给出所需的工作频率，实现无线终端在不同基站间的快速漫游切换。
毫米波全息成像是近几年发展起来的主动式毫米波成像技术，它基于毫米波反射原理，利用反射毫米波对人体进行扫描检测，能够在不直接接触人体的情况下有效检测出藏匿于人体衣物下的违禁品和危险品，能满足机场、车站等场所的人体安检需求。
与被动式无源毫米波成像系统相比，毫米波全息成像系统具有实时操作、三维成像、高分辨率、成像口径大等优点。毫米波全息成像的关键技术之一是设计具有快速跳频功能的频率合成器，合成器要求跳频时间小于30μs。目前，频率合成的方法主要有三种:直接频率合成(DFS)，锁相环频率合成(PLL)以及直接数字频率合成(DDS)。这三种频率合成方法各有特点，传统的PLL在低相位噪声和低杂散方面有其他两种方法所无法比拟的优点，但是它的缺点就是锁定时间较长，所以设计具有快速锁定功能的锁相环频率合成器是当今通信领域的一大挑战。传统的锁定时间表达式虽然很详尽，但是如果没有计算机的辅助计算是很难应用的。
锁相环频率合成器广泛地应用于大规模数字集成电路,如视频图像处理系统、通讯系统和微处理器中的各种低抖动的时钟都是由PLL频率合成器产生。集成锁相环频率合成器的设计采用Top-Down设计方法,具体设计步骤如下:
第一步是系统的规格定义,即确定项目指标参数,本设计根据视频处理芯片系统设计的要求来确定。
第二步是通过Matlab进行数学模型的建模和仿真,研究锁相环频率合成器的稳定性和锁定性能。通过Matlab的仿真,检验和调整系统参数:电荷泵电流IP、VCO的压控增益KVCO、环路带宽ωBW、阻尼因子ζ、滤波器的电容和电阻等。
第三步是使用Verilog-A进行行为级模型的建模与仿真,编写PLL频率合成器各个子模块的Verilog-A代码,研究环路的动态性能,同时提前研究各个子模块的性能,简化晶体管级的设计,为系统仿真做准备。
第四步是在理想的行为级模型仿真后,应用Hspice或者Spectre进行晶体管级电路设计与仿真。晶体管的模型是由集成电路生产厂商提供的,因此,能很好地反映一些实际的非理想特性。将晶体管设计的各个模块电路逐个代替第三步所设计的Verilog-A代码的模块,这样,既能调试单独的模块,又能完成系统仿真。
第五步是对晶体管级电路进行版图设计和验证。
第六步是抽取版图带寄生参数的网表,并完成整个PLL频率合成器系统的后仿真。值得提出的是,由于锁相环频率合成器面临着稳定性的考验,在电路设计之前,需要通过高级的数学模型仿真得到某些重要的系统参数。
矿井中频无线通信系统由地面调度指挥台、通信服务器、矿用/通信接口、井下无线基站、手机等组成。 假设煤矿井下无线基站及手机采用5对全双工通信信道，其收发频道频率分别为2500kHz和1600kHz。根据频道间隔25kHz的要求，可得出无三阶互调的手机无线电收发频率。因此，为满足多信道无线电信号的可靠接收，实现无线终端在不同基站小区之间的快速漫游切换，在手机中使用低成本、高可靠性、易于调整的锁相环频率合成器十分必要。
系统设计思路：每个基站均具有2个无线收发信道、1个紧呼信道，采用频率复用方式布网，每个基站无线覆盖范围为1km。在有用户占用通话信道时，紧呼信道能满足紧急情况下的向上呼叫，保证了危情信息的上行下达。每个手机具有5个通信信道，通过锁相环频率合成器能够在基站范围内快速、自动锁定在该基站的通信信道上，实现漫游切换。通过通信服务器，不同基站下的手机可相互通信，也可以与地面调度指挥通信。
1构成模型
锁相环频率合成器主要由高稳定度晶体振荡器、鉴相器PD、环路滤波器LPF、压控振荡器VCO、程序分频器、CPU频道选择控制电路、锁定输出控制电路组成，其中fr为参考频率，fo输出频率。
2工作原理
当无输入信号加到锁相环系统时，鉴相器输出为0，环路滤波器输出电压Vd（t）也为0，压控振荡器工作于设定的中心频率。当有输入信号加到锁相环时，鉴相器将输入信号的相位和频率与压控振荡器输出（经分频器）进行比较，产生对应于两信号相位差的误差电压Vd（t），误差电压被滤波并加到压控振荡器的控制输入，其作用是减少压控振荡器输出和输入信号的频率误差。当压控振荡器的频率足够接近于输入信号的频率时，锁相环的闭环特性强迫压控振荡器锁定在输入信号的频率上，除了有限相位误差外，压控振荡器的频率等同于输入信号的频率，并能自动跟踪输入频率的变化。由此得到锁相环频率合成器的输出频率为fo=Nfr，参考频率fr是由高稳定度晶体振荡器经固定参考分频后获得的。设晶体振荡频率为3．2MHz，固定频率系数为128，则参考频率fr=3．2MHz/128=25kHz。由单片机给出频道数控程序分频器参数，改变分频系数N，即可得到所需的不同频率。
调频波的特点是输出频率随调制信号幅度的变化而变化，通过在压控振荡器的输入中加入调制信号，可使压控振荡器的输出信号成为随调制信号幅度变化而变化的调频波信号，从而使锁相环具有优异性能，因此，被广泛应用于无线通信中.
3应用电路
锁相环频率合成应用电路主要由4046锁相调制电路、压控振荡电路、环路滤波电路、145158程序分频电路、鉴相电路、4081与门电路及2051CPU等语音、导频通过电路加到4046的引脚9构成调制信号，压控振荡电路频率由R16，R17，C33及引脚9控制电压共同确定；通过改变CPU对145158的DAT，CLK输入即可获得不同的分频系数，从而获得不同的载波频率；最后经语音、导频调制的载波信号通过4081与门电路加到V7三极管放大器输出到天线，经调谐后向空间发射。