TW201731263A

TW201731263A - 連續變頻訊號產生器

Info

Publication number: TW201731263A
Application number: TW106100985A
Authority: TW
Inventors: 鄧肯亞歷山大羅伯遜
Original assignee: 聖安德魯斯大學
Priority date: 2016-01-14
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2017-09-01
Also published as: GB201600735D0; GB2546302A; WO2017121983A1

Abstract

一種連續變頻訊號產生器包括：一直接數位合成器，可操作用以產生一頻率連續變頻訊號，其中，該頻率連續變頻訊號受限橫跨小於一個倍頻(octave)；一頻率高於該頻率連續變頻訊號的載波訊號；一混合器，用以混合該頻率連續變頻訊號和該載波訊號，以便產生具有一下旁帶和一上旁帶的訊號，該下旁帶有上升頻率響應而該上旁帶有下降頻率響應；一濾波器，用於選擇該些旁帶中其中一者並且拒斥其它旁帶；以及具有補償該選定旁帶之頻率響應的頻率響應的至少一器件，從而提供一實質上平坦的頻率連續變頻訊號。

Description

連續變頻訊號產生器

本發明關於一種連續變頻訊號產生器。特別的是，本發明關於一種使用在雷達應用中的連續變頻訊號產生器。

許多雷達和部分頻譜儀使用輸出頻率在微波或(次)毫米波範圍中的掃頻或連續變頻訊號。逐漸地，此些雷達需要有10%或更多百分比的頻寬的寬頻連續變頻訊號，以達到精細範圍解析。還希望，該連續變頻訊號產生器電路產生非常線性、有良好振幅平坦性、低相位雜訊並且時間持續長度非常短的連續變頻訊號。於某些應用中還要求接連的連續變頻訊號為相位同調(舉例來說，以允許進行多普勒處理)。當所需求的頻寬提高時，此些不同需求可能彼此衝突。

逐漸地，直接數位合成被用來產生高線性、低相位雜訊、可重複的短時間持續長度連續變頻訊號。使用直接數位合成時，有兩種特殊方式常被用來產生寬頻連續變頻訊號：(i)向上轉換該直接數位合成連續變頻訊號輸出到微波載波上，或(ii)使用該直接數位合成作為掃移基準，以便在一鎖相迴路中控制一微波電壓受控振盪器。前者提供較低相位雜訊，但是，因為可從直接數位合成連續變頻訊號中取得的有限範圍輸出頻率，以及在該直接數位合成輸出頻譜中有亂真訊號(spur)存在的關係，可用頻寬會受限。後者提供較寬頻寬，但是，因為鎖相迴路的有效迴路頻寬的關係，則有較高的相位雜訊和較少動態靈活性的代價。連續變頻訊號產生器的輸出經常在微波頻率並且可直接使用或倍乘至較高頻率。頻率乘法處理雖然會減損連續變頻訊號保真性，但是，仍為首選的良好品質連續變頻訊號源。在許多應用中，包含用於人員篩選的次毫米波3D成像雷達在內，以向上轉換的直接數位合成方式為宜。

直接數位合成連續變頻訊號雖然提供許多優點，但是，它們仍呈現兩項特殊缺點，該些缺點不利於它們用於寬頻連續變頻訊號產生。首先，直接數位合成的振幅響應遵循sinc(sin x/x)響應，因此，該連續變頻訊號會有下降頻率響應。缺少振幅平坦性會導致連續變頻訊號雷達的範圍點響應減損。其次，直接數位合成輸出頻譜在數值連結至輸出頻率的多個頻率處含有離散亂真訊號。當該直接數位合成頻率被連續變頻處理時，此些亂真訊號會在輸出頻譜中上下移動，實際上會污染所希望的訊號。

某些直接數位合成裝置包含1/sinc補償濾波器，其消除補償平坦性的需求，但是，大部分直接數位合成裝置卻沒有，尤其是較高時脈速度的裝置。直接數位合成受控電壓受控振盪器和鎖相迴路能夠避免平坦性和亂真訊號的問題，但是卻遭受先前提及的其它缺點。如上，等化濾波器能夠用來平坦化DDS滾降(roll-off)，但是並非所希，因為此些濾波器是本質上有損失的(lossy)。使用直接數位合成的某些寬頻雷達系統看似接受該些減損為必然減損，但是，它們的效能卻變差。

根據本發明，提供一種連續變頻訊號產生器，其包括：一直接數位合成器，可操作用以產生一頻率連續變頻訊號，其中，該頻率連續變頻訊號受限橫跨小於一個倍頻；一頻率高於該頻率連續變頻訊號的載波訊號；一混合器，用以混合該頻率連續變頻訊號和該載波訊號，以便產生具有一下旁帶和一上旁帶的訊號，該下旁帶有上升頻率響應而該上旁帶有下降頻率響應；一濾波器，用於選擇該些旁帶中其中一者並且拒斥其它旁帶；以及具有補償該選定旁帶之頻率響應的頻率響應的至少一器件，從而提供一實質上平坦的頻率連續變頻訊號。

該濾波器可被調適成用以選擇該下旁帶並且拒斥該上旁帶，而該至少一器件具有補償該下旁帶之上升頻率響應的頻率響應。

該濾波器可被調適成用以選擇該上旁帶並且拒斥該下旁帶，而該至少一器件具有補償該上旁帶之下降頻率響應的頻率響應。

具有下降頻率響應的該至少一器件可以包括一放大器。普遍的係，此些器件會有一下降頻率響應。

在該混合器與該下旁帶濾波器之間可設置一隔離器，用以抑制該上旁帶能量的反射。

一頻率倍增器可被設置用以倍增該實質上平坦頻率連續變頻訊號的頻寬。於此情況中，可以在該頻率倍增器後面設置一隔離器和一帶通濾波器，用以移除來自該頻率倍增器的不必要頻率組成。

10‧‧‧固定頻率參考時脈

12‧‧‧直接數位合成器

14‧‧‧低通濾波器

16‧‧‧混合器

18‧‧‧局部振盪器

20‧‧‧下旁帶

22‧‧‧上旁帶

24‧‧‧隔離器

26‧‧‧下旁帶帶通濾波器

28‧‧‧放大器

30‧‧‧頻率倍增器

32‧‧‧隔離器

34‧‧‧帶通濾波器

36‧‧‧上旁帶帶通濾波器的響應

LO‧‧‧局部振盪器洩漏

僅以範例的方式，參考下面圖式現在說明本發明的各項觀點，其中：圖1係一連續變頻訊號產生器的方塊圖；圖2所示的係圖1的連續變頻訊號產生器中不同位置的各種訊號；以及圖3所示的係使用在圖1的連續變頻訊號產生器中的上旁帶帶通濾波器的響應。

圖1顯示一向上轉換直接數位合成連續變頻訊號產生器10。此連續變頻訊號產生器具有一直接數位合成器12，用以從一固定頻率參考時脈10創造一波形。來自直接數位合成器的最大頻率通常限制為該時脈頻率的40%。由該直接數位合成器12所產生的連續變頻訊號的頻率範圍透過控制軟體限制為恰好小於一個倍頻。這會防止所希訊號的二次諧振波進入該經過連續變頻的頻帶。

該直接數位合成器被連接至一低通濾波器14。這被調適成用以傳導該直接數位合成器所希的最高頻訊號，而拒斥位在(f_CLK-f_OUT)處的主亂真訊號、該時脈頻率和其諧振波，以及出現在該時脈頻率和其諧振波上方的該直接數位合成器的疊頻(aliased)輸出。該低通濾波器被直接連接至一混合器16的中頻輸入。輸入至該混合器16的訊號顯示在圖2A中。這具有遵循sinc波封的下降頻率響應。此訊號在該混合器16處混合一較高頻率局部振盪器18的輸出。

混合器16的輸出係一具有總和項和差異項兩者的訊號。這顯示在圖2B中。在此階段，該訊號有兩個頻帶，一下旁帶20和一上旁帶22。下旁帶20有一上升頻率響應。上旁帶22有一下降頻率響應。

於此輸出，該混合器16被直接連接至一隔離器24，該隔離器24被直接連接至一下旁帶帶通濾波器26。該下旁帶帶通濾波器26被調適成用以傳導該下旁帶20，並且阻隔圖2B的局部振盪器洩漏LO和上旁帶22。該隔離器24被設置用以藉由抑制該被拒斥的上旁帶的反射而最小化訊號振幅漣波。

一放大器28被直接連接至該下旁帶帶通濾波器26。該放大器28本質上有一下降頻率響應。意義為，當該上升頻率下旁帶訊號20通過放大器28時，其會自動被頻率補償，用以平坦化該響應。這顯示在圖2C中。

放大器28被直接連接至一頻率倍增器30，其會頻率倍增來自放大器28的平坦響應，用以倍增訊號頻寬。這顯示在圖2D中。在頻率倍增器20後面會使用一第二隔離器32和帶通濾波器34來清除該輸出訊號，並且拒斥來自該倍增器20的任何不必要洩漏項(舉例來說，在頻率f和3f處的洩漏)。這提供一具有所希望、延長頻寬的乾淨、平坦輸出。

圖1的放大器雖然被顯示為實質上平坦化該響應(參見圖2C)，實際上，該響應能夠藉由該下帶通濾波器後面的所有器件的組合效應來平坦化。

圖1的系統被調適成以從混合器16輸出的下旁帶20為基礎輸出一實質上平坦、頻率倍增的訊號。然而，本發明同樣適用於以從混合器16輸出的上旁帶22為基礎提供一實質上平坦、頻率倍增的訊號。於此情況中，圖1的下旁帶帶通濾波器26會由一上旁帶帶通濾波器取代。圖3顯示該上旁帶帶通濾波器的響應36。從此圖中會看見，該上旁帶帶通濾波器允許上旁帶22通過，並且阻隔下旁帶20和局部振盪器洩漏。因為上旁帶 22有下降響應的關係，在該上旁帶帶通濾波器後面的器件被選擇用於補償此響應。特別的是，該放大器、該頻率倍增器、該隔離器，以及該帶通濾波器34被選擇用於補償該上旁帶的下降響應。

實際上，在本發明的兩種實施例中，被用來平坦化該響應的器件必須相依於它們自己的頻率響應被選擇。這能夠藉由測量或計算該頻率響應來達成。用於測量此些器件之頻率響應的常見方法係使用一純量或向量網路分析儀或是一可調整的訊號源加上頻譜分析儀。

熟習本技術的人士便會明白可以採用已揭配置的變化例，其並不脫離本發明。據此，特定實施例的上面說明僅透過範例來進行，而並非為達限制的目的。熟習本技術的人士便會清楚，可以進行小幅修正，而不會明顯改變所述操作。