CN116470909A - 一种低相位噪声细步进频率合成电路及其合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低相位噪声细步进频率合成电路及其合成方法，主要解决现有细步进频率合成源电路复杂、功耗高、体积大的技术问题。该电路包括产生高频基准信号的高频基准信号产生电路，将高频基准信号一分为二的第一功分器，分别接收一路第一功分器输出信号的细步进参考电路和谐波混频电路，以及输入端与细步进参考电路输出端相连且输出端经耦合器与谐波混频电路相连的锁相环电路。通过上述设计，本发明将DDS输出上变频后产生的高频细步进参考滤波后直接接入到鉴相器的射频输入端，可以省去外置分频电路，简化电路，降低电路功耗，减小电路面积。
Description
技术领域
本发明涉及射频微波技术领域，具体地说，是涉及一种低相位噪声细步进频率合成电路及其合成方法。
背景技术
高性能的频率源一直是现代电子信息、时间频率技术发展的基础，几乎所有的电子信息设备都是在晶体振荡器输出信号的基础上进行各种频率变换、合成，以适应整机、***的需求。
频率变换合成技术按照实现原理大致有直接频率合成、间接频率合成和混合频率合成技术等。其中直接频率合成又可分为直接模拟合成和直接数字合成技术。直接模拟合成主要通过倍频、分频以及混频等模拟技术实现频率信号的加减乘除等频率变换，在低相位噪声、捷变频等方面具有明显的优势，但不能避免电路结构复杂、功耗高、体积大的缺点。直接数字合成主要采用数字芯片技术，通过DDS芯片直接产生特定的频率信号，具有低相位噪声、捷变频和细步进的优点，但受限于芯片技术，该方案输出的频率不高、杂散较多。间接频率变换合成主要采用锁相环实现，其优点是频率范围宽、杂散低，但单一的锁相环频率源在相位噪声、细步进等性能指标方面很难满足较高指标要求。混合频率合成是在电路***中同时采用直接、间接频率合成技术，以期达到更好的性能指标。
工程实践中对频率合成源的指标要求主要有：频率纯度（杂散抑制）、相位噪声、输出频率范围、频率分辨率（频率步进）、频率切换时间等。其中输出信号的杂散抑制、相位噪声和频率步进等指标是评价合成源性能的主要因素。专利CN113726334A公布的一种S波段低相噪低杂散细步进频率源组件方案中，DDS信号上变频为L波段参考信号，通过外置预分频器分频后作为鉴相器的参考信号，压控振荡器信号直接反馈给鉴相器，该方案可以获得细步进信号源，在S波段能获得＜-115dBc/Hz@10kHz~300kHz的相位噪声指标以及＜-75dB的杂散抑制。由于几乎所有的鉴相器芯片射频输入端频段远高于参考输入端频率，该方案和多数锁相环鉴相方案相似，高频参考信号须要外置分频器分频到鉴相器可接受的频率范围在进入到鉴相器参考输入端，不利于简化电路、降低功耗。此外由于压控振荡器反馈信号直接进入鉴相器，分频系数大，不利于相位噪声指标的进一步降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低相位噪声细步进频率合成电路及其合成方法，主要解决现有细步进频率合成源电路复杂、功耗高、体积大的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种低相位噪声细步进频率合成电路，包括产生高频基准信号的高频基准信号产生电路，将高频基准信号一分为二的第一功分器，分别接收一路第一功分器输出信号的细步进参考电路和谐波混频电路，以及输入端与细步进参考电路输出端相连且输出端经耦合器与谐波混频电路相连的锁相环电路。
进一步地，在本发明中，所述高频基准信号产生电路由晶体振荡器和倍频器构成；所述倍频器的输出端与第一功分器的输入端相连。
进一步地，在本发明中，所述细步进参考电路包括第二功分器、DDS电路、混频器和第一滤波器；所述第二功分器将第一功分器输出的高频参考信号分为两路，一路作为DDS电路的参考信号，另一路作为本振信号送到混频器与DDS电路输出的窄带细步进信号混频，经第一滤波器滤波后输出高频细步进参考信号，输入到锁相环电路的输入端。
进一步地，在本发明中，所述谐波混频电路由第二滤波器、第三滤波器、第四滤波器、第五滤波器、第六滤波器、混频二极管、第一放大器和第二放大器构成；经耦合器将锁相环电路输出的信号耦合一路依次经第二滤波器、第一放大器、第三滤波器连接到混频二极管，所述混频二极管引出一路通过第四滤波器连接到第一功分器输出端，另一路依次经第五滤波器、第二放大器和第六滤波器连接到锁相环电路的输入端；其中，所述混频二极管的另一自由端连接到地。
进一步地，在本发明中，所述锁相环电路由依次连接的鉴相器、环路滤波器和压控振荡器构成；所述鉴相器的参考输入端与第一滤波器的输出端和第六滤波器的输出端相连；所述压控振荡器的输出端连接到耦合器的输入端。
进一步地，在本发明中，所述混频二极管由反向并联的高频肖特基二极管对构成。
进一步地，在本发明中，所述第五滤波器、第六滤波器为低通滤波器。
基于上述合成电路，本发明还提供了一种低相位噪声细步进频率合成方法，包括以下步骤：
S1，高频基准信号产生电路中的晶体振荡器输出信号经倍频器产生高频基准信号；
S2，高频基准信号经第一功分器生成两路信号，一路经第四滤波器连接到混频二极管，其高次谐波与射频反馈信号混频，得到频率较低的中频信号；另一路经第二功分器再生成两路信号，一路送入到DDS电路产生低频细步进信号送入到混频器，另一路作为本振信号直接送到混频器与DDS电路产生的低频细步进信号进行混频，上变频生成高频细步进信号，经第一滤波器滤去混频杂散和DDS产生的杂散后送入鉴相器的射频输入端；
S3，压控振荡器输出信号经耦合器反馈信号，依次经第二滤波器、第一放大器进行隔离放大，作为本振信号进入混频二极管；
S4，混频二极管的输出信号经第五滤波器、第二放大器、第六滤波器后产生的中频信号送入到鉴相器的参考输入端，与DDS参考信号进行鉴相，鉴相器中的电荷泵输出经环路滤波器后控制压控振荡器，实现锁相功能。
进一步地，在本发明中，所述鉴相器的电荷泵极性为负。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明将DDS输出上变频后产生的高频细步进参考滤波后直接接入到鉴相器的射频输入端，可以省去外置分频电路，简化电路，降低电路功耗，减小电路面积。
（2）本发明中的锁相环电路采用混频环，尽可能降低射频信号分频比，可以得到更低的输出信号的相位噪声和杂散指标。
（3）本发明利用混频二极管非线性特性产生高次谐波与压控振荡器反馈信号混频，可以减少倍频电路元件和滤波器件，有益于产品减小产品体积、成本、功耗等。
附图说明
图1为本发明发明低相位噪声细步进频率合成源原理图。
图2为图1中高频基准信号产生电路的原理图。
图3为图1中细步进参考电路的原理图。
图4为图1中谐波混频电路的原理图。
图5为图1中锁相环电路的原理图。
图6为本发明频率合成输出相位噪声仿真曲线。
图7为本发明细步进频率合成源输出信号相位噪声实测指标曲线图。
图8为图7中A部的局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
如图1~图5所示，本发明公开的一种低相位噪声细步进频率合成电路，包括产生高频基准信号的高频基准信号产生电路，将高频基准信号一分为二的第一功分器，分别接收一路第一功分器输出信号的细步进参考电路和谐波混频电路，以及输入端与细步进参考电路输出端相连且输出端经耦合器与谐波混频电路相连的锁相环电路。该电路利用晶振倍频后产生的高频基准信号，功分后分别作为混频环下变频参考信号、DDS参考信号和DDS上变频本振信号。该电路将高频细步进参考信号直接送入鉴相器电路射频输入端，N分频后鉴相，DDS杂散可以得到20logN的优化。同时，采用谐波混频电路产生的低频射频信号，进入鉴相器电路R分频后鉴相，降低分频比，锁定后可以有效降低输出信号的相位噪声，并提高杂散抑制水平，电路简洁，性能优良。
在本实施例中，所述高频基准信号产生电路由晶体振荡器和倍频器构成；所述倍频器的输出端与第一功分器的输入端相连。其中，晶体振荡器作为整个电路***的频率基准，其稳定度和相噪指标决定了合成源的极限指标。
在本实施例中，所述细步进参考电路包括第二功分器、DDS电路、混频器和第一滤波器；所述第二功分器将第一功分器输出的高频参考信号分为两路，一路作为DDS电路的参考信号，另一路作为本振信号送到混频器与DDS电路输出的窄带细步进信号混频，经第一滤波器滤波后输出高频细步进参考信号，输入到锁相环电路的输入端。
在本实施例中，所述谐波混频电路由第二滤波器、第三滤波器、第四滤波器、第五滤波器、第六滤波器、混频二极管、第一放大器和第二放大器构成；经耦合器将锁相环电路输出的信号耦合一路依次经第二滤波器、第一放大器、第三滤波器连接到混频二极管，所述混频二极管引出一路通过第四滤波器连接到第一功分器输出端，另一路依次经第五滤波器、第二放大器和第六滤波器连接到锁相环电路的输入端。
在本实施例中，所述锁相环电路由依次连接的鉴相器、环路滤波器和压控振荡器构成；所述鉴相器的参考输入端与第一滤波器的输出端和第六滤波器的输出端相连；所述压控振荡器的输出端连接到耦合器的输入端。其中，鉴相器的射频输入端接受高频细步进参考信号，N分频后鉴相；鉴相器参考输入端接受谐波混频后的中频信号，R分频后鉴相。鉴相器CP输出经环路滤波器连接到压控振荡器电调谐端。当N分频和R分频后的频率相同时，环路锁定完成锁相；调整DDS输出频率和分频比，可以实现一定带宽范围内的低相位噪声细步进跳频源。
压控振荡器输出经耦合器取出反馈射频信号，经第二滤波器、第一放大器等电路后连接至混频二极管，作为谐波混频电路本振信号，与第一功分器送入的高频基准信号的高次谐波混频，经低通滤波后产生较低的中频信号，然后通过第二放大器、低通滤波器进入鉴相器，R分频后鉴相。
在本实施例中，所述混频二极管为反向并联的高频肖特基二极管对，其一端连接到地，另一端连接本振、射频和中频电路；射频反馈电路应注意空间隔离，并通过耦合器、第二滤波器、第一放大器实现反向隔离，防止谐波混频电路产生的杂散信号的串扰，改善输出信号的杂散抑制指标。
基于上述合成电路，本发明还提供了一种低相位噪声细步进频率合成方法，包括以下步骤：
S1，高频基准信号产生电路中的晶体振荡器输出信号经倍频器产生高频基准信号；
S2，高频基准信号经第一功分器生成两路信号，一路经第四滤波器连接到混频二极管，其高次谐波与射频反馈信号混频，得到频率较低的中频信号；另一路经第二功分器再生成两路信号，一路送入到DDS电路产生低频细步进信号送入到混频器，另一路作为本振信号直接送到混频器与DDS电路产生的低频细步进信号进行混频，上变频生成高频细步进信号，经第一滤波器滤去混频杂散和DDS产生的杂散后送入鉴相器的射频输入端；
S3，压控振荡器输出信号经耦合器反馈信号，依次经第二滤波器、第一放大器进行隔离放大，作为本振信号进入混频二极管；
S4，混频二极管的输出信号经第五滤波器、第二放大器、第六滤波器后产生的中频信号送入到鉴相器的参考输入端，与DDS参考信号进行鉴相，鉴相器中的电荷泵输出经环路滤波器后控制压控振荡器，实现锁相功能。其中，所述鉴相器的电荷泵极性为负。
在本实施例中，高频细步进参考信号在鉴相器内部N分频，可以省去外置预分频器，同时DDS的杂散可以得到20logN规律的优化；此外，利用谐波混频技术可以便捷地将压控振荡器反馈信号下变频到鉴相器参考输入端可接受的频率范围，同时降低环路分频比，可以明显改善输出信号在环路带宽内的杂散和相位噪声指标，图6为本发明频率合成输出相位噪声仿真曲线。图7、图8为本发明输出频率在3.25GHz附近时，相位噪声指标实测数据，由实测数据可以看出，本方案可以获得比常规电路方案更优良的电性能指标。此外，采用本发明电路方案，成本低廉、电路简洁可靠，且具有成本低、功耗低、体积小的优点。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种低相位噪声细步进频率合成电路，其特征在于，包括产生高频基准信号的高频基准信号产生电路，将高频基准信号一分为二的第一功分器，分别接收一路第一功分器输出信号的细步进参考电路和谐波混频电路，以及输入端与细步进参考电路输出端相连且输出端经耦合器与谐波混频电路相连的锁相环电路。
2.根据权利要求1所述的一种低相位噪声细步进频率合成电路，其特征在于，所述高频基准信号产生电路由晶体振荡器和倍频器构成；所述倍频器的输出端与第一功分器的输入端相连。
3.根据权利要求2所述的一种低相位噪声细步进频率合成电路，其特征在于，所述细步进参考电路包括第二功分器、DDS电路、混频器和第一滤波器；所述第二功分器将第一功分器输出的高频参考信号分为两路，一路作为DDS电路的参考信号，另一路作为本振信号送到混频器与DDS电路输出的窄带细步进信号混频，经第一滤波器滤波后输出高频细步进参考信号，输入到锁相环电路的输入端。
4.根据权利要求3所述的一种低相位噪声细步进频率合成电路，其特征在于，所述谐波混频电路由第二滤波器、第三滤波器、第四滤波器、第五滤波器、第六滤波器、混频二极管、第一放大器和第二放大器构成；经耦合器将锁相环电路输出的信号耦合一路依次经第二滤波器、第一放大器、第三滤波器连接到混频二极管，所述混频二极管引出一路通过第四滤波器连接到第一功分器输出端，另一路依次经第五滤波器、第二放大器和第六滤波器连接到锁相环电路的输入端；其中，所述混频二极管的另一自由端连接到地。
5.根据权利要求4所述的一种低相位噪声细步进频率合成电路，其特征在于，所述锁相环电路由依次连接的鉴相器、环路滤波器和压控振荡器构成；所述鉴相器的参考输入端与第一滤波器的输出端和第六滤波器的输出端相连；所述压控振荡器的输出端连接到耦合器的输入端。
6.根据权利要求4所述的一种低相位噪声细步进频率合成电路，其特征在于，所述混频二极管由反向并联的高频肖特基二极管对构成。
7.根据权利要求4所述的一种低相位噪声细步进频率合成电路，其特征在于，所述第五滤波器、第六滤波器为低通滤波器。
8.如权利要求1~7任一项所述的一种低相位噪声细步进频率合成电路的频率合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，高频基准信号产生电路中的晶体振荡器输出信号经倍频器产生高频基准信号；
S2，高频基准信号经第一功分器生成两路信号，一路经第四滤波器连接到混频二极管，其高次谐波与射频反馈信号混频，得到频率较低的中频信号；另一路经第二功分器再生成两路信号，一路送入到DDS电路产生低频细步进信号送入到混频器，另一路作为本振信号直接送到混频器与DDS电路产生的低频细步进信号进行混频，上变频生成高频细步进信号，经第一滤波器滤去混频杂散和DDS产生的杂散后送入鉴相器的射频输入端；
S3，压控振荡器输出信号经耦合器反馈信号，依次经第二滤波器、第一放大器进行隔离放大，作为本振信号进入混频二极管；
S4，混频二极管的输出信号经第五滤波器、第二放大器、第六滤波器后产生的中频信号送入到鉴相器的参考输入端，与DDS参考信号进行鉴相，鉴相器中的电荷泵输出经环路滤波器后控制压控振荡器，实现锁相功能。
9.根据权利要求8所述的一种低相位噪声细步进频率合成电路的频率合成方法，其特征在于，所述鉴相器的电荷泵极性为负。
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|---|---|---|---|---|
| CN117459061A (zh) * | 2023-12-25 | 2024-01-26 | 成都威频通讯技术有限公司 | 一种信号合成器 |
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