RU2594336C1

RU2594336C1 - Method of generating microwave signals with low frequency spectrum pitch

Info

Publication number: RU2594336C1
Application number: RU2016114327/93A
Authority: RU
Inventors: Игорь Борисович Широков; Дмитрий Сергеевич Белоконь
Original assignee: Игорь Борисович Широков
Priority date: 2016-04-13
Filing date: 2016-04-13
Publication date: 2016-08-10

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: invention relates to radio engineering and can be used in organizing communication systems with increased number of channels, as well as in measurement equipment requiring low frequency tuning pitch. Invention is based on the task of obtaining microwave oscillations with low frequency spectrum pitch, low phase noise and low frequency tuning time. For this purpose the reference generator frequency setting the comparison frequency in the phase detector of the indirect type synthesizer is selected within the band of ultrashort waves. Herewith the high-stable reference generator frequency is preliminarily shifted by a certain small value specifying a small frequency spectrum pitch. For this purpose the reference generator signal is supplied to the radio frequency input of a quadrature modulator modulated with low-frequency quadrature signals of the same frequency and amplitude but with the phases shift of 90°. Thus the comparison frequency differs from the reference generator frequency by the value of those low-frequency signals frequency. Transformed by frequency signal from the quadrature modulator output is supplied to the first input of the frequency-phase detector. Frequency of the microwave generator controlled by voltage is divided by a divider with variable coefficient and supplied to the second input of the frequency-phase detector. With the help of a low-pass filter products of the alternating current comparison are suppressed, and the direct current signal is supplied to the input of the voltage-controlled microwave generator.

EFFECT: such method enables to generate microwave oscillations with a pitch of units of kHz, at the same time without increasing the synthesizer tuning time, without increasing the level of phase noise and maintaining stability of the synthesizer frequency defined by stability of the reference generator frequency, which, for example, reaches 10^-7-10^-8.

1 cl

Description

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при организации систем связи с увеличенным количеством каналов, а также в измерительной технике, где требуется перестройка частоты с малым шагом.The invention relates to the field of radio engineering and can be used in organizing communication systems with an increased number of channels, as well as in measuring equipment where frequency tuning with a small step is required.

Известны способы формирования высокочастотных сигналов, описанные, например, в кн. Манассевич В. Синтезаторы частот. Теория и проектирование, Перевод с англ. - М.: Связь, 1979. - 384 с. Особо известен метод некогерентного синтеза частот, согласно которому для синтеза частот требуется большого количества кварцевых резонаторов. Для изменения частоты генератора необходимо подключить к нему другой резонатор. Это означает, что шаг перестройки генератора при этом определяется номинальными значениями частот кварцевых резонаторов и их количеством. При таком подходе к синтезу частот сам синтезатор оказывается слишком громоздким и дорогим. Определенные проблемы при этом возникают при переключении резонаторов. Наличие дополнительных умножителей частоты усложняет схему и не лучшим образом сказывается на качественных показателях синтезируемого микроволнового сигнала.Known methods for generating high-frequency signals, described, for example, in the book. Manassevich V. Frequency synthesizers. Theory and Design, Translation from English. - M.: Communication, 1979. - 384 p. The method of incoherent frequency synthesis is especially known, according to which a large number of quartz resonators are required for frequency synthesis. To change the frequency of the generator, it is necessary to connect another resonator to it. This means that the generator tuning step in this case is determined by the nominal frequencies of the quartz resonators and their number. With this approach to frequency synthesis, the synthesizer itself is too cumbersome and expensive. Certain problems arise when switching resonators. The presence of additional frequency multipliers complicates the circuit and does not affect the quality of the synthesized microwave signal in the best way.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является способ формирования микроволновых гармонических сигналов на основе метода косвенного синтеза частот с петлей цифровой фазовой автоподстройкой частоты, описанного там же. По этому способу петля состоит и генератора управляемого напряжением, делителя частоты с переменным коэффициентом, фазового детектора и фильтра нижних частот. Частота генератора управляемого напряжением f_mw делится и сравнивается в фазовом детекторе со стабильной опорной частотой f_ro. Напряжение ошибки, вырабатываемое фазовым детектором и отфильтрованное фильтром нижних частот, используется для стабилизации частоты генератора управляемого напряжением. Изменение выходной частоты производится изменением коэффициента деления N. Тогда выходная частота микроволнового генератора определяется следующей известной формулой: f_mw=Nf_ro.Closest to the alleged invention is a method of generating microwave harmonic signals based on the method of indirect frequency synthesis with a loop of digital phase-locked loop, described there. According to this method, the loop consists of a voltage-controlled generator, a variable frequency divider, a phase detector and a low-pass filter. The frequency of the voltage-controlled oscillator f _mw is divided and compared in a phase detector with a stable reference frequency f _ro . The error voltage generated by the phase detector and filtered by a low-pass filter is used to stabilize the frequency of the voltage-controlled generator. The output frequency is changed by changing the division coefficient N. Then the output frequency of the microwave generator is determined by the following well-known formula: f _mw = Nf _ro .

Однако такой способ формирования микроволновых сигналов обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что шаг сетки выходных частот микроволнового генератора определяется частотой сравнения (частотой опорного генератора) в фазовом детекторе. В свою очередь уменьшение частоты опорного генератора приводит к увеличению фазовых шумов микроволнового сигнала в N раз, а также приводит к увеличению времени перестройки синтезатора в целом, поскольку для подавления продуктов сравнения требуется фильтр нижних частот с большей постоянной времени. Оба это фактора ограничивают применение синтезатора косвенного типа при формировании частоты микроволнового сигнала с малым шагом. Вместе с тем создание подобных синтезаторов является достаточно актуальной задачей и может найти применение во многих областях.However, this method of generating microwave signals has a significant drawback, namely, that the grid spacing of the output frequencies of the microwave generator is determined by the comparison frequency (frequency of the reference generator) in the phase detector. In turn, a decrease in the frequency of the reference oscillator leads to an increase in the phase noise of the microwave signal by a factor of N, and also leads to an increase in the tuning time of the synthesizer as a whole, since a low-pass filter with a larger time constant is required to suppress the comparison products. Both of these factors limit the use of an indirect type synthesizer in the formation of the frequency of a microwave signal with a small step. At the same time, the creation of such synthesizers is a rather urgent task and can find application in many fields.

В основу изобретения поставлена задача получения микроволновых колебаний с малым шагом сетки частот, низким уровнем фазовых шумов и малым временем перестройки частоты. Поставленная цель достигается тем, что по способу, предполагающему использование метода косвенного синтеза частот с петлей цифровой фазовой автоподстройкой частоты и включающему генерирование опорных колебаний высокой частоты с малым уровнем фазовых шумов и высокой стабильностью частоты, генерирование микроволновых колебаний, деление частоты микроволновых колебаний, сравнение поделенной частоты и фазы микроволновых колебаний с частотой и фазой опорных колебаний, подавление продуктов сравнения частот с выделением постоянной составляющей сигнала и управление этим сигналом частотой микроволнового генератора, отличающегося тем, что частоту высокочастотного опорного генератора f_ro с малым уровнем фазовых шумов и высокой стабильностью не сравнивают непосредственно с поделенной на N частотой микроволнового генератора f_mw, а предварительно ее трансформируют, производят сдвиг частоты опорного генератора на некоторую небольшую величину F_IQ в одну ли другую сторону или, что тоже самое, формируют сигнал с одной боковой полосой, верхней или нижней, для чего дополнительно формируют два низкочастотных квадратурных сигнала с одинаковой амплитудой и частотой F_IQ и разностью фаз между ними равной 90°, при этом сигнал опорного генератора подают на радиочастотный вход квадратурного модулятора и одновременно на схему формирования квадратурных гармонических сигналов заданной низкой частотой F_IQ, причем сформированные низкочастотные квадратурные сигналы с частой F_IQ подают на одноименные низкочастотные входы квадратурного модулятора, и только после этого частоту сигнала на выходе квадратурного модулятора

сравнивают с поделенной на N частотой микроволнового генератора f_mw, в результате чего на выходе микроволнового генератора получают частоту, равнуюThe basis of the invention is the task of obtaining microwave oscillations with a small pitch of the frequency grid, low phase noise and low frequency tuning time. This goal is achieved in that by a method involving the use of an indirect frequency synthesis method with a digital phase-locked loop and generating high-frequency reference oscillations with a low level of phase noise and high frequency stability, generating microwave oscillations, dividing the frequency of microwave oscillations, comparing the divided frequency and phases of microwave vibrations with the frequency and phase of the reference vibrations, suppression of frequency comparison products with separation of the constant of the signal and controlling the frequency of the microwave generator by this signal, characterized in that the frequency of the high-frequency reference oscillator f _ro with a low level of phase noise and high stability is not directly compared to the frequency of the microwave generator f _mw divided by N, but it is transformed beforehand, the reference frequency is shifted generator for some small value F _IQ whether one or the other side of that same form a signal with single sideband, either the top or the bottom, which further p rmiruyut two low-frequency quadrature signals with the same amplitude and frequency F _IQ and the phase difference between them of 90 °, wherein the reference oscillator signal fed to the RF input of the quadrature modulator and simultaneously generating circuit quadrature harmonic signals of the predetermined low frequency F _IQ, wherein the generated low-frequency quadrature signals with a frequency F _IQ are fed to the same low-frequency inputs of the quadrature modulator, and only after that the frequency of the signal at the output of the quadrature modulator

compared with the frequency of the microwave generator f _mw divided by N, as a result of which the frequency equal to

при этом задают сколь угодно малый шаг сетки частот низкочастотных квадратурных сигналов ΔF_IQ и получают при этом увеличенный в N раз, но малый шаг сетки частот микроволнового генератора NΔF_IQ, при этом не получают увеличение времени перестройки частоты микроволнового генератора малого шага, поскольку по-прежнему подавляют продукты сравнения высокочастотных сигналов, при этом, учитывая относительную малость значения N, не получают существенного увеличения уровня фазовых шумов микроволнового генератора, при этом, дополнительно, изменяют величину N и получают тем самым крупный шаг изменения сетки частот микроволнового генератора.in this case, an arbitrarily small step of the frequency grid of the low-frequency quadrature signals ΔF _{IQ is set} and, in this case, an N NFF _IQ enlarged but small step of the frequency grid of the microwave generator NΔF _IQ is obtained, while the frequency tuning time of the small step microwave generator is not obtained, since suppress the products of comparison of high-frequency signals, while taking into account the relative smallness of the value of N, they do not receive a significant increase in the phase noise level of the microwave generator, while, in addition, they change the value of N and thereby obtain a large step of changing the frequency grid of the microwave generator.

Сравнение предлагаемого изобретения с уже известными способами и прототипом показывает, что заявляемый способ проявляет новые технические свойства, заключающиеся в получении микроволновых сигналов с малым шагом сетки частот без существенного повышения уровня фазовых шумов и увеличения времени перестройки микроволнового генератора, поскольку постоянная времени фильтра нижних частот, подавляющего продукты сравнения, остается малой. Перестройка частоты микроволнового генератора малым шагом не требует изменения коэффициента деления частоты N. Для осуществления перестройки микроволнового генератора с малым шагом необходимо изменить частоту квадратурных низкочастотных сигналов, что в данный момент легко реализуется с помощью высокопроизводительных микроконтроллеров.A comparison of the present invention with already known methods and a prototype shows that the claimed method exhibits new technical properties, which include obtaining microwave signals with a small step of the frequency grid without significantly increasing the phase noise level and increasing the tuning time of the microwave generator, since the time constant of the low-pass filter, which suppresses comparison products, remains small. Tuning the frequency of the microwave generator in small steps does not require changing the frequency division coefficient N. To perform tuning of the microwave generator in small steps, it is necessary to change the frequency of the quadrature low-frequency signals, which is currently easily implemented using high-performance microcontrollers.

Указанный способ формирования микроволновых сигналов с малым шагом сетки частот можно реализовать с помощью устройства, схема которого показана на рисунке.The indicated method of forming microwave signals with a small step of the frequency grid can be implemented using the device, a diagram of which is shown in the figure.

Устройство для формирования микроволновых сигналов с малым шагом сетки частот содержит высокостабильный опорный генератор 1, схему формирования низкочастотных квадратурных сигналов 2, квадратурный модулятор 3, частотно-фазовый детектор 4, фильтр нижних частот 5, делитель частоты с переменным коэффициентом деления 6, микроволнового генератора управляемый напряжением 7. При этом выход высокостабильного опорного генератора 1 соединен с тактовым входом схемы формирования низкочастотных квадратурных сигналов 2 и одновременно с радиочастотным входом квадратурного модулятора 3, при этом выходы квадратурных низкочастотных сигналов схемы формирования низкочастотных квадратурных сигналов 2 соединены с одноименными входами квадратурного модулятора 3, выход которого соединен с первым входом частотно-фазового детектора 4, при этом второй вход частотно-фазового детектора 4 соединен с выходом делителя частоты с переменным коэффициентом деления 6, вход которого соединен с выходом микроволнового генератора управляемого напряжением 7, при этом выход частотно-фазового детектора 4 соединен с входом фильтр нижних частот 5, выход которого соединен с входом управления микроволнового генератора управляемого напряжением 7.A device for generating microwave signals with a small step of the frequency grid contains a highly stable reference generator 1, a circuit for generating low-frequency quadrature signals 2, a quadrature modulator 3, a frequency-phase detector 4, a low-pass filter 5, a frequency divider with a variable division factor 6, and a voltage-controlled microwave generator 7. The output of the highly stable reference oscillator 1 is connected to the clock input of the circuit for generating low-frequency quadrature signals 2 and simultaneously with the radio-frequency the input of the quadrature modulator 3, while the outputs of the quadrature low-frequency signals of the low-frequency quadrature signal generation circuit 2 are connected to the inputs of the same quadrature modulator 3, the output of which is connected to the first input of the frequency-phase detector 4, while the second input of the frequency-phase detector 4 is connected to the output a frequency divider with a variable division coefficient 6, the input of which is connected to the output of a microwave generator controlled by voltage 7, while the output of the frequency-phase detector 4 soy a low-pass filter 5 is connected with the input, the output of which is connected to the control input of the voltage-controlled microwave generator 7.

Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.

Опорный высокостабильный генератор 1 формирует высокочастотный высокостабильный сигнал с малым уровнем фазовых шумов.The reference highly stable generator 1 generates a high-frequency highly stable signal with a low level of phase noise.

Сигнал с выхода опорного высокостабильного генератора 1, подают на радиочастотный вход квадратурного модулятора 3 и на тактовый вход схемы формирования низкочастотных квадратурных сигналов 2.The signal from the output of the reference highly stable generator 1, is fed to the radio frequency input of the quadrature modulator 3 and to the clock input of the circuit for generating low-frequency quadrature signals 2.

Схема формирования низкочастотных квадратурных сигналов 2 формирует на своих выходах квадратурные (синус и косинус) низкочастотные гармонические сигналы I и Q, которые подают на одноименные входы квадратурного модулятора. С помощью внешней цепи управления свободно изменяют значение частоты низкочастотных квадратурных сигналов F_IQ с произвольным шагом ΔF_IQ.The circuit for generating low-frequency quadrature signals 2 generates at its outputs quadrature (sine and cosine) low-frequency harmonic signals I and Q, which are fed to the inputs of the same quadrature modulator. Using an external control circuit, the frequency value of the low-frequency quadrature signals F _{IQ is} freely changed with an arbitrary step ΔF _IQ .

При этом квадратурный модулятор 3 формирует гармонический сигнал с частотойIn this case, the quadrature modulator 3 generates a harmonic signal with a frequency

сдвинутой от частоты опорного высокостабильного генератора 1 на некоторую величину F_IQ с произвольным шагом ΔF_IQ.

shifted from the frequency of the reference highly stable generator 1 by a certain value F _IQ with an arbitrary step ΔF _IQ .

Сигнал с выхода квадратурного модулятора 3, подают на первый вход частотно-фазового детектора 4, на второй вход которого подают сигнал с выхода делителя с переменный коэффициентом деления 6.The signal from the output of the quadrature modulator 3, is fed to the first input of the frequency-phase detector 4, to the second input of which a signal is output from the output of the divider with a variable division coefficient 6.

Делитель с переменным коэффициентом деления 6 осуществляет деление на N частоты сигнала микроволнового генератора управляемого напряжением 7. Изменяя N можно задавать крупный шаг сетки частот.A divider with a variable division coefficient of 6 carries out the division by N of the frequency of the signal of the microwave generator controlled by voltage 7. By changing N, a large step of the frequency grid can be set.

В результате частотно-фазовый детектор 4 формирует на своем выходе сигнал, содержащий продукты сравнения, из которых необходимо выделить только постоянную составляющую.As a result, the frequency-phase detector 4 generates at its output a signal containing comparison products, from which it is necessary to isolate only the constant component.

Фильтр нижних частот 5 производит подавление всех продуктов сравнения кроме напряжения постоянного тока, и подает управляющий сигнал на вход управления микроволнового генератора управляемого напряжением 7.The low-pass filter 5 suppresses all comparison products except DC voltage, and supplies a control signal to the control input of a voltage-controlled microwave generator 7.

Таким образом, осуществляют фазовую автоподстройку частоты микроволнового генератора управляемого напряжением 7 до частотыThus, phase-locked loop frequency of the microwave generator controlled by voltage 7 to the frequency

с малым шагом сетки частот NΔF_IQ.with a small grid spacing NΔF _IQ .

Уровень фазовых шумов на выходе микроволнового генератора в N раз больше, чем уровень фазовых шумов сигнала, подаваемого на вход схемы сравнения - частотно-фазового детектора. С учетом того, что частота сравнения высока, а, следовательно, N невелик, уровень шумов микроволнового генератора низок. Если, например, в качестве опорного генератора использовать высокочастотный прецизионный малошумящий кварцевый генератор ГК136 с уровнем фазовых шумов - 155 дБ/Гц при отстройке на 1 кГц производства компании "Морион", то при N=100 уровень фазовых шумов выходного сигнала будет составлять порядка - 135 дБ/Гц. Уровень побочных составляющих будет, в основном, определяться качественными показателями квадратурного модулятора и схемы формирования квадратурных сигналов.The level of phase noise at the output of the microwave generator is N times greater than the level of phase noise of the signal supplied to the input of the comparison circuit — a frequency-phase detector. Given that the comparison frequency is high, and therefore N is small, the noise level of the microwave generator is low. If, for example, we use the GK136 high-frequency precision low-noise quartz oscillator with a phase noise level of 155 dB / Hz when tuning to 1 kHz by Morion, as a reference generator, then at N = 100 the output noise phase noise level will be about - 135 dB / Hz The level of secondary components will be mainly determined by the quality indicators of the quadrature modulator and the scheme of formation of quadrature signals.

Поскольку частота сравнения высока, то постоянная времени фильтра нижних частот может быть малой. Соответственно малым будет время перестройки синтезатора на малом шаге сетки частот.Since the comparison frequency is high, the low-pass filter time constant may be small. Accordingly, the synthesizer tuning time at a small step of the frequency grid will be small.

Стабильность частоты всего синтезатора зависит только от стабильности частоты опорного высокостабильного генератора, поскольку и радиочастотный входной сигнал квадратурного модулятора, и низкочастотные квадратурные сигналы схемы формирования происходят от одного сигнала - сигнала опорного генератора, стабильность частоты которого составляет, например, для указанного выше случая 10^-7...10^-8.The frequency stability of the entire synthesizer depends only on the frequency stability of the highly stable reference oscillator, since both the radio frequency input signal of the quadrature modulator and the low-frequency quadrature signals of the formation circuit are derived from one signal — the signal of the reference generator, whose frequency stability is, for example, for the above case 10 ^-7 ... 10 ^-8 .

Claims

Способ формирования микроволновых сигналов с малым шагом сетки частот, предполагающий использование метода косвенного синтеза частот с петлей цифровой фазовой автоподстройкой частоты и включающему генерирование опорных колебаний высокой частоты с малым уровнем фазовых шумов и высокой стабильностью частоты, генерирование микроволновых колебаний, деление частоты микроволновых колебаний, сравнение поделенной частоты и фазы микроволновых колебаний с частотой и фазой опорных колебаний, подавление продуктов сравнения частот с выделением постоянной составляющей сигнала и управление этим сигналом частотой микроволнового генератора, отличающийся тем, что, с целью получения микроволновых колебаний с малым шагом сетки частот, низким уровнем фазовых шумов и малым временем перестройки частоты, частоту высокочастотного опорного генератора f_ro с малым уровнем фазовых шумов и высокой стабильностью не сравнивают непосредственно с поделенной на N частотой микроволнового генератора f_mw, а предварительно ее трансформируют, производят сдвиг частоты опорного генератора на некоторую небольшую величину F_IQ в одну ли другую сторону или, что тоже самое, формируют сигнал с одной боковой полосой, верхней или нижней, для чего дополнительно формируют два низкочастотных квадратурных сигнала с одинаковой амплитудой и частотой F_IQ и разностью фаз между ними равной 90°, при этом сигнал опорного генератора подают на радиочастотный вход квадратурного модулятора и одновременно на схему формирования квадратурных гармонических сигналов заданной низкой частотой F_IQ, причем сформированные низкочастотные квадратурные сигналы с частой F_IQ подают на одноименные низкочастотные входы квадратурного модулятора, и только после этого частоту сигнала на выходе квадратурного модулятора

сравнивают с поделенной на N частотой микроволнового генератора f_mw, в результате чего на выходе микроволнового генератора получают частоту, равную

при этом задают сколь угодно малый шаг сетки частот низкочастотных квадратурных сигналов ΔF_IQ и получают при этом увеличенный в N раз, но малый шаг сетки частот микроволнового генератора NΔF_IQ, при этом не получают увеличение времени перестройки частоты микроволнового генератора малого шага, поскольку по-прежнему подавляют продукты сравнения высокочастотных сигналов, при этом, учитывая относительную малость значения Ν, не получают существенного увеличения уровня фазовых шумов микроволнового генератора, при этом, дополнительно, изменяют величину N и получают тем самым крупный шаг изменения сетки частот микроволнового генератора. A method of generating microwave signals with a small frequency grid step, which involves the use of an indirect frequency synthesis method with a digital phase-locked loop and including the generation of high-frequency reference oscillations with a low level of phase noise and high frequency stability, the generation of microwave oscillations, the division of the frequency of microwave oscillations, comparison of the divided frequency and phase of microwave oscillations with the frequency and phase of the reference oscillations, suppression of products comparing frequencies with highlighted eat a constant signal component and manage the signal frequency of the microwave generator, characterized in that, in order to obtain microwave oscillations with small channel spacing, low phase noise and a small time frequency hopping, the frequency of high-frequency reference oscillator f _ro with low phase noise and high stability not compared directly with the N divided by the frequency of the microwave generator f _mw, and its pre-transformed produce the frequency shift of the reference oscillator onto some Rui small amount F _IQ one if the other party or, equivalently, produce a signal on one sideband, top or bottom, which is additionally formed two low-frequency quadrature signals with the same amplitude and frequency F _IQ and the phase difference between them of 90 ° wherein the signal of the reference generator is fed to the radio frequency input of the quadrature modulator and at the same time to the circuit for generating quadrature harmonic signals with a given low frequency F _IQ , and the generated low-frequency quadrature signals with stand F _IQ served on the same low-frequency inputs of the quadrature modulator, and only after that the frequency of the signal at the output of the quadrature modulator

in this case, an arbitrarily small step of the frequency grid of the low-frequency quadrature signals ΔF _{IQ is set} and, in this case, an N NFF _IQ enlarged but small step of the frequency grid of the microwave generator NΔF _IQ is obtained, while the frequency tuning time of the small step microwave generator is not obtained, since suppress the products of comparison of high-frequency signals, while taking into account the relative smallness of the value of Ν, they do not receive a significant increase in the phase noise level of the microwave generator, while, in addition, they change the value of N and thereby obtain a large step of changing the frequency grid of the microwave generator.