Frequenzsynthese

Frequenzsynthese bezeichnet die Erzeugung präziser, steuerbarer Frequenzen aus einer stabilen Referenzfrequenz. Sie kommt in Funkanlagen, Mess- und Prüftechnik, Mikrowellen- und Signalgeneratoren sowie in Musikinstrumentensynthesen zum Einsatz, mit dem Ziel, eine große Bandbreite an Frequenzen mit feiner Auflösung und stabilen Eigenschaften bereitzustellen.

Die verbreitetsten Ansätze nutzen Phasenregelkreise (PLL) oder Direct Digital Synthesis (DDS). Bei der PLL-Frequenzsynthese wird eine Referenzfrequenz durch einen Phasenvergleich, einen Loop-Filter und einen Oszillator (meist VCO) geführt, sodass die erzeugte Frequenz in Rückkopplung zu der Referenz eine gewünschte Ausgangsfrequenz ergibt. Häufig werden Frequenzteiler eingesetzt, um das Verhältnis zur Referenz herzustellen; durch Fraktionaldivision (Fractional-N) lassen sich auch Zwischenstufen zwischen ganzen Vielfachen der Referenz erreichen, oft mithilfe eines Delta-Sigma-Modulators.

DDS verwendet eine numerisch kontrollierte Schwingungsquelle, bei der ein Phasen-Accumulator eine kontinuierlich fortschreitende Phase erzeugt, die über eine Wellenformtabelle in eine Ausgangs waveform umgesetzt wird. DDS bietet sehr feine Frequenzschritte und hervorragendes Phasenrauschen bei niedrigen bis mittleren Frequenzen, ist jedoch typischerweise auf geringere Frequenzbereiche pro Baustein beschränkt und erfordert hohe Abtastraten sowie leistungsstarke digitalen Schaltungen.

Wichtige Komponenten einer Frequenzsynthese sind Referenzoszillator, Frequenzteiler oder Divisor, Phasenvergleich, Regelungseinheit (Loop-Filter) sowie der Oszillator (VCO oder DCO) und gegebenenfalls ein Mischer, um weitere Frequenzen zu erzeugen. Je nach Methode unterscheiden sich Aufbau, Reichweite, Phasenrauschen und Kosten.

Vorteile der Frequenzsynthese sind hohe Frequenzauflösung, gute Stabilität und reproduzierbare Sprünge. Nachteile können Phasenrauschen von Referenz oder VCO übertragen, DDS-spezifische Einschränkungen bei Frequenzbereich und erhöhte Komplexität sein. Anwendungen umfassen Funkkommunikation, Satelliten- und Messtechnik sowie die Generierung von Referenzsignalen und Signalen in Synthesizern.