CN112422123A - 一种低相位噪声频率综合器及本振的实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于模拟信号处理技术领域，具体涉及一种低相位噪声频率综合器及本振的实现方法。本发明采用高温超导蓝宝石振荡器作为基准源，将其产生的时钟作为基准时钟，采用直接频率合成技术和DDS相结合的方式合成一本振、二本振以及其他时钟。其中，DDS用于补偿蓝宝石振荡器的频率误差，并扩展一本振至多个频点，且能够捷变频。本发明预留一个晶振基准源，通过直接频率合成的方式，产生接近于蓝宝石振荡器产生的基准时钟，在蓝宝石振荡器启动之前备用。本发明可提升相位噪声。

Description

一种低相位噪声频率综合器及本振的实现方法
技术领域
本发明属于模拟信号处理技术领域，具体涉及一种低相位噪声频率综合器及本振的实现方法。
背景技术
频率综合器用于为雷达***提供相参的一本振、二本振和其它所需的各种时钟。要求合成的本振和各时钟均具有低相位噪声，且一本振具有多个频点，并能够快速跳频。
频率综合器的基本工作原理是：由基准源产生参考时钟，功分为多路，分别采用直接频率合成、锁相环等合成方式，合成一本振、二本振和其它时钟。基准源和频率合成方式的选择，决定了合成的本振的相位噪声和跳频时间。
对相位噪声和跳频时间要求较高的频率综合器，目前主要采用低相位噪声恒温晶振作为基准源，通过直接频率合成的方式合成本振和其它时钟。频率合成的过程中，相位噪声会产生至少20log(N)的恶化，同时，放大器、倍频器和谐波发生器都会在这个过程中产生附加相位噪声，共同影响合成的本振的相位噪声。由于热噪声的存在，恒温晶振的相位噪声性能很难进一步提升，导致合成一本振的相位噪声也难以进一步提升。
高温超导蓝宝石振荡器直接产生频率接近于一本振频率的参考时钟，合成一本振的过程中无需倍频，避免相位噪声产生20log(N)的恶化，相比于采用低相位噪声恒温晶振，可显著提升一本振的相位噪声。
高温超导蓝宝石振荡器的缺点主要在于启动时间。蓝宝石振荡器安装于低温杜瓦中，在温度降低至超导温区之后，方能起振产生基准时钟输出，制冷机将低温杜瓦的温度从常温降级至超导温区的时间为起振时间，一般需要40min～60min。另外，蓝宝石和谐振器尺寸的加工误差都会导致输出频率的误差，即频偏，在目前的加工精度下，误差在±1％的范围，需要进行频率补偿。
发明内容
针对背景技术的不足，本发明提供了一种低相位噪声频率综合器及实现方法，相比于采用低相位噪声恒温晶振作为基准源的直接频率合成方法，一本振的相位噪声可提升10dB以上。
本发明采用高温超导蓝宝石振荡器作为基准源，将其产生的时钟作为基准时钟，采用直接频率合成技术和DDS相结合的方式合成一本振、二本振以及其他时钟。其中，DDS用于补偿蓝宝石振荡器的频率误差，并扩展一本振至多个频点，且能够捷变频。本发明预留一个晶振基准源，通过直接频率合成的方式，产生接近于蓝宝石振荡器产生的基准时钟，在蓝宝石振荡器启动之前备用。
本发明的有益效果是：采用高温超导蓝宝石振荡器作为基准源，充分发挥其相位噪声低的优势，相比于采用低相位噪声恒温晶振作为基准源并采用直接频率合成技术的方案，合成的一本振的相位噪声提升约10dB；采用与DDS技术相结合的直接频率合成技术，补偿蓝宝石振荡器的频偏，并将一本振扩展至宽频带、多频点，且能够捷变频；采用低相位噪声恒温晶振经过倍频及谐波发生器合成基准源同频的时钟，根据蓝宝石振荡器的工作状态通过微波开关切换，在蓝宝石振荡器温度降低至超导温区前备用。本发明的每一路频率合成电路均设置了DDS模块，每一个DDS模块设置两组频率控制字，从而完成低温振荡电路的频率补偿。
附图说明
图1为本发明频率综合器的原理框图(不涉及主控单元部分)。
图2为本发明频率综合器只涉及主控单元部分的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
如图1和图2所示，一种多频点、捷变频的低相位噪声频率综合器，包括低温振荡电路、常温振荡电路、主控单元、微波开关、功分器一、一本振频率合成电路、DDS电路和二本振频率合成电路。主控单元采集低温振荡电路中低温杜瓦的温度和检波器输出的电压，从而控制微波开关和恒温晶振的运行状态。低温振荡电路、常温振荡电路的输出与微波开关连接，微波开关与功分器一连接，功分器一的输出分别与一本振频率合成电路、DDS电路和二本振频率合成电路连接。
本发明的装置启动时，主控单元控制微波开关接通常温振荡电路输入功分器一。当主控单元采样的温度低于设置值，且检波器输出的电压大于设置值时，主控单元控制微波开关切换至低温振荡电路输入功分器一，同时控制晶振开关关闭恒温晶振。
低温振荡电路包括蓝宝石振荡器、耦合器和检波器。蓝宝石振荡器输出与耦合器输入连接，耦合器输出分别与微波开关和检波器连接，检波器输出与主控单元连接。蓝宝石振荡器和温度传感器放置在低温杜瓦内，其中温度传感器贴紧安装在蓝宝石振荡器腔壁上。
常温振荡电路包括恒温晶振、倍频器、低噪声放大器、谐波发生器和带通滤波器一。恒温晶振输出与倍频器输入连接，倍频器输出与低噪声放大器输入连接，低噪声放大器输出与谐波发生器输入连接，谐波发生器输出与带通滤波器一输入连接，带通滤波器一输出与微波开关连接。本发明根据低温振荡电路的输出频率设计带通滤波器一，滤出与低温振荡电路输出频率最近的谐波，常温振荡电路与低温振荡电路输出频率误差小于±100MHz。
DDS电路包括放大器三、分频器一、带通滤波器二、功分器二和DDS模块Ⅰ、DDS模块Ⅱ、DDS模块Ⅲ。放大器三的输入和功分器一的输出连接，放大器三的输出和分频器一的输入连接，分频器一的输出和带通滤波器二的输入连接，带通滤波器二的输出和功分器二的输入连接，功分器二的输出分别和DDS模块Ⅰ、DDS模块Ⅱ、DDS模块Ⅲ的输入连接。分频器一将常温振荡电路或低温振荡电路输出的基准时钟分频至约3.6GHz，用作DDS模块Ⅰ、DDS模块Ⅱ、DDS模块Ⅲ的参考时钟。DDS模块Ⅰ、DDS模块Ⅱ、DDS模块Ⅲ均根据主控单元发送的频率调谐字输出频率，参考时钟为3.6GHz时，输出频率精度约0.84Hz。这样使本发明的DDS模块Ⅰ、DDS模块Ⅱ、DDS模块Ⅲ均能够根据外部输入的命令改变其输出频率，从而使本发明一本振、***时钟、二本振频率便于改变，并保证精度，适合于不同型号产品的通用设计。如某产品所需***时钟为100Mhz，而另外一种产品的***时钟为150Mhz，则在不同产品设计时，只改变主控单元向DDS模块Ⅱ发送的频率调谐字即可，极大的提高了本发明的通用性。
一本振频率合成电路包括放大器一、滤波器组一、混频器一、滤波器组二和放大器二。放大器一的输入与功分器一的输出连接，滤波器组一的输入与DDS电路连接，放大器一的输出和滤波器组一的输出与混频器一的输入连接，混频器一的输出与滤波器组二的输入连接，滤波器组二的输出与放大器二的输入连接。DDS模块Ⅰ的输出频率由主控单元根据频率码编译的频率调谐字而改变，滤波器组一和滤波器组二均由主控单元控制，随DDS模块Ⅰ输出频率的改变而同步切换。这样，本发明的一本振频率合成电路可以根据外部输入的频率码灵活改变一本振频率，实现多频点捷变频，且电路结构简单。
一本振的跳频时间由主控单元编译频率码的时间、DDS模块Ⅰ根据频率调谐字产生波形的时间、滤波器组一和二的微波开关切换时间、滤波器组一和二中滤波器的延迟时间共同决定。主控单元编译频率码的时间约400ns。DDS模块Ⅰ收到频率调谐字后产生相应频率的波形输出，所需时间小于500ns。微波开关切换时间小于100ns。滤波器的延迟时间小于100ns。其中，DDS模块Ⅰ产生输出波形和滤波器组一、二的微波开关切换同时进行,综合所有因素，本发明一本振的总跳频时间小于1.1μs，而常规的锁相环捷变频时间在几百μs以上。
主控单元根据常温振荡电路、低温振荡电路的输出频率，为DDS模块Ⅰ预置两组频率调谐字，在微波开关切换时同步切换，补偿常温振荡电路与低温振荡电路的频率差，使合成的同频点的一本振的频率保持一致，这样通过一个较为简单的电路实现两种工作模式的频率补偿，简化了电路。由于DDS模块Ⅰ的输出频率精度可以达到约0.84Hz，故一本振的频率精度在常温振荡电路时和低温振荡电路时均可达到小于1Hz。一本振的频率范围在5GHz～8GHz，根据不同型号产品的要求，设置对应的频率调谐字，合成所需频率的一本振。
二本振频率合成电路包括放大器四、分频器二、带通滤波器四、混频器二、带通滤波器三、带通滤波器五和放大器五。放大器四的输入和功分器一的输出连接，放大器四的输出和分频器二的输入连接，分频器二的输出和带通滤波器四的输入连接，带通滤波器三和DDS模块Ⅲ的输出连接，带通滤波器四的输出和带通滤波器三的输出与混频器二的输入连接，混频器二的输出和带通滤波器五的输入连接，带通滤波器五的输出和放大器五的输入连接。主控单元根据常温振荡电路和低温振荡电路的输出频率，设置两组频率调谐字，在微波开关切换时同步切换，补偿常温振荡电路与低温振荡电路的频率差，使合成的二本振的频率保持一致，误差小于1Hz。二本振的频率范围一般在1GHz～3GHz，
本发明的主控单元以FPGA为核心，其主要功能为：采集温度传感器和检波器输入的数据来判断蓝宝石振荡器的工作状态，当采样的温度低于设置值，且检波器输出的电压大于设置值时，判定蓝宝石振荡器正常启动，控制微波开关切换至蓝宝石振荡器输出，并关闭恒温晶振的开关；将频率码编译为DDS模块Ⅰ的频率调谐字，以及滤波器组一、滤波器组二的控制命令，控制DDS模块Ⅰ输出对应频率码的频率，并控制滤波器组一、滤波器组二切换内部的滤波器，从而控制一本振频率合成电路输出对应频率码的频率；根据低温振荡电路的输出频率和常温振荡电路的输出频率，预存储DDS模块Ⅱ、DDS模块Ⅲ的频率调谐字，与微波开关同步切换。主控单元的输入与温度传感器的输出、检波器的输出，以及外部输入的频率码连接，主控单元的输出与滤波器组一、滤波器组二的输入，以及DDS模块Ⅰ、DDS模块Ⅱ、DDS模块Ⅲ的输入连接。
一种低相位噪声本振的实现方法，其特征包括如下步骤：
步骤一：频率综合器开机后，由常温振荡电路产生基准时钟，经过微波开关后输出至功分器一。同时开启低温杜瓦的制冷***，由主控单元根实时采集低温杜瓦内的温度传感器传输的温度数据和检波器输出的电压，综合判断低温振荡电路的工作状态。低温振荡电路正常工作之后，主控单元发送控制命令控制微波开关切换至低温振荡电路输出，同时关闭常温振荡电路中恒温晶振的开关。
步骤二：从微波开关输出的基准时钟在功分器一中功分为三路，分别输出至一本振频率合成电路、DDS电路、二本振频率合成电路。
步骤三：从功分器一输出至DDS电路的基准时钟，经放大器三放大后，使用分频器一分频至3.0GHz～4.0GHz的区间范围，再经过带通滤波器二滤除谐波后，功分为三路，分别输出至DDS模块Ⅰ、DDS模块Ⅱ、DDS模块Ⅲ；
步骤四：DDS模块Ⅰ根据主控单元发送的频率谐调字，产生宽频带、多个频点的点频时钟，经过带通滤波器组一滤波后，与功分器一输出的第一路基准时钟在混频器一进行混频，再经过带通滤波器组二滤波、放大器二放大后，产生一本振输出；
步骤五：DDS模块Ⅱ产生点频，用作雷达的***时钟，其一般频率范围为40MHz～200MHz。调试过程中，根据基准时钟的频率，调整频率调谐字，控制***时钟的频率在要求的误差范围内；
步骤六：放大器四输出的第三路基准时钟，使用分频器二分频至1.0GHz～2.0GHz的区间范围，再经带通滤波器四滤除谐波和杂波后，与DDS模块Ⅲ根据主控单元发送的频率谐调字产生的单频连续波，在混频器二进行混频。再经过带通滤波器五滤波，放大器五放大后，产生二本振输出。调试过程中，根据基准时钟的频率，调整频率调谐字，控制DDS模块Ⅲ的输出频率，使二本振的频率在要求的误差范围内。
本发明在常温振荡电路工作时，1kHz的相位噪声约﹣122dBc/Hz；在低温振荡电路工作时，1kHz的相位噪声约﹣132dBc/Hz。这样使本发明的装置只在启动时较短的时间内相位噪声与一般基于恒温晶振的频率综合器的相位噪声相当，正常工作时则相位噪声很低。本发明的装置和方法适用于对相位噪声、改善因子要求较高的雷达***。

Claims (10)

1.一种低相位噪声频率综合器，包括低温振荡电路、常温振荡电路、主控单元、微波开关、功分器一、一本振频率合成电路、DDS电路和二本振频率合成电路，低温振荡电路、常温振荡电路的输出与微波开关连接，微波开关与功分器一连接，功分器一的输出分别与一本振频率合成电路、DDS电路和二本振频率合成电路连接，其特征在于：DDS电路包括放大器三、分频器一、带通滤波器二、功分器二和DDS模块Ⅰ、DDS模块Ⅱ、DDS模块Ⅲ，放大器三的输入和功分器一的输出连接，放大器三的输出和分频器一的输入连接，分频器一的输出和带通滤波器二的输入连接，带通滤波器二的输出和功分器二的输入连接，功分器二的输出分别和DDS模块Ⅰ、DDS模块Ⅱ、DDS模块Ⅲ的输入连接；DDS模块Ⅰ、DDS模块Ⅱ、DDS模块Ⅲ根据主控单元发送的频率调谐字输出频率；主控单元采集温度传感器和检波器输入的数据来判断蓝宝石振荡器的工作状态，当采样的温度低于设置值，且检波器输出的电压大于设置值时，判定蓝宝石振荡器正常启动，控制微波开关切换至蓝宝石振荡器输出，并关闭恒温晶振的开关；将频率码编译为DDS模块Ⅰ的频率调谐字，以及滤波器组一、滤波器组二的控制命令，控制DDS模块Ⅰ输出对应频率码的频率，并控制滤波器组一、滤波器组二切换内部的滤波器，从而控制一本振频率合成电路输出对应频率码的频率；根据低温振荡电路的输出频率和常温振荡电路的输出频率，预存储DDS模块Ⅱ、DDS模块Ⅲ的频率调谐字，与微波开关同步切换。
2.权利要求1所述的一种低相位噪声频率综合器，其特征在于：主控单元的输入与温度传感器的输出、检波器的输出、外部输入的频率码连接，主控单元的输出与滤波器组一、滤波器组二的输入、DDS模块Ⅰ、DDS模块Ⅱ、DDS模块Ⅲ的输入连接。
3.权利要求1所述的一种低相位噪声频率综合器，其特征在于：低温振荡电路包括蓝宝石振荡器、耦合器和检波器，蓝宝石振荡器输出与耦合器输入连接，耦合器输出分别与微波开关和检波器连接，检波器输出与主控单元连接，蓝宝石振荡器和温度传感器放置在低温杜瓦内。
4.权利要求1所述的一种低相位噪声频率综合器，其特征在于：温度传感器贴紧安装在蓝宝石振荡器腔壁上。
5.权利要求1所述的一种低相位噪声频率综合器，其特征在于：常温振荡电路包括恒温晶振、倍频器、低噪声放大器、谐波发生器和带通滤波器一，恒温晶振输出与倍频器输入连接，倍频器输出与低噪声放大器输入连接，低噪声放大器输出与谐波发生器输入连接，谐波发生器输出与带通滤波器一输入连接，带通滤波器一输出与微波开关连接。
6.权利要求1所述的一种低相位噪声频率综合器，其特征在于：一本振频率合成电路包括放大器一、滤波器组一、混频器一、滤波器组二和放大器二，放大器一的输入与功分器一的输出连接，滤波器组一的输入与DDS电路连接，放大器一的输出和滤波器组一的输出与混频器一的输入连接，混频器一的输出与滤波器组二的输入连接，滤波器组二的输出与放大器二的输入连接，DDS模块Ⅰ的输出频率由主控单元根据频率码编译的频率调谐字而改变，滤波器组一和滤波器组二均由主控单元控制，随DDS模块Ⅰ输出频率的改变而同步切换。
7.权利要求1所述的一种低相位噪声频率综合器，其特征在于：二本振频率合成电路包括放大器四、分频器二、带通滤波器四、混频器二、带通滤波器三、带通滤波器五和放大器五，放大器四的输入和功分器一的输出连接，放大器四的输出和分频器二的输入连接，分频器二的输出和带通滤波器四的输入连接，带通滤波器三和DDS模块Ⅲ的输出连接，带通滤波器四的输出和带通滤波器三的输出与混频器二的输入连接，混频器二的输出和带通滤波器五的输入连接，带通滤波器五的输出和放大器五的输入连接。
8.一种低相位噪声本振的实现方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：频率综合器开机后，由常温振荡电路产生基准时钟，经过微波开关后输出至功分器一，开机后开启低温杜瓦的制冷***，由主控单元根实时采集低温杜瓦内的温度传感器传输的温度数据和检波器输出的电压，综合判断低温振荡电路的工作状态，低温振荡电路正常工作之后，主控单元发送控制命令控制微波开关切换至低温振荡电路输出，同时关闭常温振荡电路中恒温晶振的开关；
步骤二：从微波开关输出的基准时钟在功分器一中功分为三路，分别输出至一本振频率合成电路、DDS电路、二本振频率合成电路；
步骤三：从功分器一输出至DDS电路的基准时钟，经放大器三放大后，使用分频器一分频后，再经过带通滤波器二滤除谐波后，功分为三路，分别输出至DDS模块Ⅰ、DDS模块Ⅱ、DDS模块Ⅲ；
步骤四：DDS模块Ⅰ根据主控单元发送的频率谐调字，产生宽频带、多个频点的点频时钟，经过带通滤波器组一滤波后，与功分器一输出的第一路基准时钟在混频器一进行混频，再经过带通滤波器组二滤波、放大器二放大后，产生一本振输出；
步骤五：DDS模块Ⅱ产生点频，用作雷达的***时钟；
步骤六：放大器四输出的第三路基准时钟，分频器二分频，再经带通滤波器四滤除谐波和杂波后，与DDS模块Ⅲ根据主控单元发送的频率谐调字产生的单频连续波，在混频器二进行混频，再经过带通滤波器五滤波，放大器五放大后，产生二本振输出。
9.权利要求8所述的一种低相位噪声本振的实现方法，其特征在于：步骤三中分频器一分频后频率范围在3.0GHz～4.0GHz。
10.权利要求8所述的一种低相位噪声本振的实现方法，其特征在于：步骤五中DDS模块Ⅱ产生点频范围为40MHz～200MHz。
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