一種基於雙環混頻的低相噪帶寬頻率合成方法及系統與流程
2023-10-09 18:31:14 1
本發明涉及射頻頻率合成技術，具體是一種基於雙環混頻的低相噪帶寬頻率合成方法及系統。該方法及系統提升寬帶頻率合成的綜合性能水平。
背景技術：
頻率合成是將具有低相噪，高精度和高穩定度的參考基準源經過混頻、倍頻、分頻等信號處理進行數學意義上的加、減、乘、除等四則運算產生大量具有同樣精確度與穩定度的頻率合成信號。頻率合成器是決定電子系統性能的關鍵設備，在通信、雷達、制導、電子測量儀器和電子對抗中發揮著日益重要作用。低相位噪聲、小頻率步進和寬頻段輸出已經成為頻率合成發展的主要趨勢。
鎖相環技術（PLL）是最重要、應用最廣泛的頻率合成方式，且發展非常迅速。典型的鎖相基帶信號產生單元由數字鑑相器﹑分頻器加模擬環路濾波、壓控振蕩器組成混合鎖相環構成，通過對PLL中的VCO輸出進行可編程的數字分頻後再進行鑑相，完成閉環控制輸出。其優點是具有較寬的頻率範圍，良好的寄生抑制性能，而且輸出頻率易於程控，使用方便靈活。但單一鎖相環在小頻率步進和低相位噪聲、低雜散抑制方面還很難完全兼顧，數字鑑相器還存在鑑相信號洩露等缺陷，影響輸出信號頻譜純度，在很多較高要求的應用場合還不能滿足要求。
隨著現代電子設備綜合性能的提升，對頻率源的關鍵指標要求越來越高，比如要求實現更寬的頻率帶寬、更低的相位噪聲、更低的雜散水平，且同時具備較小的頻率步進。 但單一鎖相環在很多較高要求的應用場合還不能滿足要求。
技術實現要素：
針對現有技術中的單一鎖相環在很多較高要求的應用場合還不能滿足要求的技術問題，本發明公開了一種基於雙環混頻的低相噪帶寬頻率合成方法及系統。
本發明的技術方案如下：
本發明公開了一種基於雙環混頻的低相噪帶寬頻率合成方法，其具體包括以下的步驟：步驟一、針對參考信號產生兩路同源基準參考信號，兩路同源基準參考信號分別輸入倍頻梳線信號產生單元和鎖相基帶信號產生單元；所述倍頻梳線信號產生單元接收外部輸入的基準參考信號，並應用基準參考信號產生寬帶、低相噪的梳狀譜信號；鎖相基帶信號產生單元接收外部輸入的基準參考信號，基準參考信號通過鎖相基帶信號產生單元產生低頻、小步進的鎖相基帶信號；步驟二、將步驟一產生的梳狀譜信號和鎖相基帶信號進行混頻，然後經過分段濾波放大處理後，最終形成寬帶、小步進、低相噪的頻率合成信號輸出。最終完成寬帶、小步進、低相噪頻率合成信號輸出。較傳統單環鎖相頻率源相位噪聲優化15dB以上。
更進一步地，上述梳狀譜信號的產生具體包括以下的步驟：通過倍頻器、梳線發生器產生高次諧波分量，經過分段濾波取出合適的頻率分量。
更進一步地，上述鎖相基帶信號產生單元包括鑑相器、濾波器和振蕩器（比如壓控振蕩器），所述鑑相器、濾波器和壓控振蕩器依序連接形成反饋迴路，壓控振蕩器的輸出反饋給鑑相器。
更進一步地，上述產生兩路同源基準參考信號具體包括以下的步驟：將參考信號進行濾波、放大、功分處理後，產生兩路同源高純度的基準參考信號。
本發明還公開了一種基於雙環混頻的低相噪帶寬頻率合成系統，其具體包括參考信號功分放大單元、倍頻梳線信號產生單元、鎖相基帶信號產生單元和混頻開關濾波單元；所述參考信號功分放大單元用於針對參考信號產生兩路同源基準參考信號，兩路同源基準參考信號分別輸入倍頻梳線信號產生單元和鎖相基帶信號產生單元；所述倍頻梳線信號產生單元用於接收外部輸入的基準參考信號，並應用基準參考信號產生寬帶、低相噪的梳狀譜信號；所述鎖相基帶信號產生單元用於接收外部輸入的基準參考信號，基準參考信號通過鎖相基帶信號產生單元產生低頻、小步進的鎖相基帶信號；所述混頻開關濾波單元用於將梳狀譜信號和鎖相基帶信號進行混頻，然後經過分段濾波放大處理後，最終形成寬帶、小步進、低相噪的頻率合成信號輸出。
通過採用以上的技術方案，本發明的有益效果為：本發明利用了混頻器在頻率合成過程中低頻信號的信號純度和相位噪聲不受明顯影響情況下搬移到中高頻的特點，通過產生頻綜基帶信號和梳譜頻率組合，構建鎖相環+環外混頻電路，經過混頻與濾波處理，實現寬帶小步進頻率信號產生輸出。有效解決鎖相單環電路在寬帶頻率信號合成時在小頻率步進、低相位噪聲和低雜散水平等各項指標不易兼顧的問題，全面提升寬帶頻率源的綜合指標特性。
本發明在傳統單鎖相環電路結構基礎上大幅提升頻率合成信號的相位噪聲性能，同時兼顧較小的頻率解析度，同時保持良好的雜散抑制能力，顯著提升寬帶頻率合成信號的綜合性能水平，可為變頻通道提供純度好、高質量的本振信號。尤其針對Ku及以上工作頻段的頻率合成器，效果更加顯著：與工作相同頻段的單環鎖相頻率源相比，在相同10MHz頻率步進情況下，相位噪聲優化15dB以上，且雜散抑制能力提高10dB以上，整體改善效果非常明顯。
附圖說明
圖1是倍頻梳線信號產生單元電路結構。
圖2是鎖相基帶信號產生單元電路結構。
圖3是混頻開關濾波單元電路結構。
圖4是基於雙環混頻的低相噪寬帶頻率合成電路結構。
具體實施方式
下面結合說明書附圖，詳細說明本發明的具體實施方式。
本發明的實現步驟如下：
步驟一、基準參考信號通過直接多次倍頻後產生高頻寬帶、等間隔、超低相噪的梳狀譜信號。該部分電路原理如圖1所示。通過發揮梳狀譜信號在高頻段的優良頻譜特性，保證最終合成信號具備較低的相位噪聲能力。該步驟可以採用梳狀譜信號發生電路完成，梳狀譜信號發生電路用於接收外部輸入的基準參考信號，並應用基準參考信號產生包含有高次諧波分量信號的梳狀譜信號。
步驟二、基於鎖相基帶信號產生單元結構產生低頻小步進的基帶信號，該部分電路原理如圖2所示。鎖相基帶電路通過數字鑑相器、有源濾波器、VCO構建單環鎖相典型結構，通過頻段合理設計與分配，產生L波段小步進鎖相基帶，保證最終合成信號的小步進頻率分辨力能力。基準參考信號通過鎖相基帶信號產生單元產生低頻、小步進的鎖相基帶信號。
步驟三、將上述兩部分信號進行混頻，經過分段濾波放大處理後最終形成寬帶頻率合成信號輸出。電路原理如圖3所示。
在頻率合成技術領域，寬頻段、低相位噪聲、小頻率步進等各項特性相互牽制和制約，採用鎖相單環或梳狀譜信號倍頻等單一技術體制不可能兼顧各項指標均達到最優；而通過合理設計綜合採用上述兩種頻率合成方法，則使得研製各項指標優異的頻率合成器成為可能。本發明利用了混頻器在信號變頻過程中具有較獨特的特性；比如，兩個信號經過混頻器進行混頻後，混頻輸出信號的頻率分布是兩個輸入信號各種算術運算組合；輸出信號的頻率步進取決於輸入兩個信號頻率步進的較小者；相位噪聲取決於輸入兩個信號相位噪聲較差者；雜散抑制則取決於混頻器的交調特性和輸出端濾波的處理。
該步驟中充分利用了混頻技術在信號變頻過程的這一獨特作用，步驟一產生的高頻段、大步進、較低相噪的梳狀譜信號和步驟二產生的低頻段、小步進、低相噪的鎖相基帶信號通過混頻巧妙地進行了頻譜搬移，使得最終合成的信號兼具混頻前兩者的優點，即寬帶、高頻段、小步進、低相噪、低雜散等各項指標的優良特性，解決了採用單一鎖相技術或梳狀譜信號產生技術合成頻率信號時在實現寬帶高頻段、小頻率步進和低相位噪聲等指標不可兼顧的矛盾。
在混頻過程中，針對混頻後信號的濾波處理較為重要，因為混頻過程實現了對輸入信號進行頻譜搬移的同時，也產生了較多交調雜散信號，濾波效果的好壞決定了輸出信號的雜散抑制水平和能力。在本發明中，專門設置了開關濾波器組和帶通濾波器兩級濾波的方式：第一級是開關濾波器組，採用了高Q值腔體濾波器進行設計，具有工作頻率高、帶寬窄、帶外抑制能力高等特點，根據分段混頻方案進行濾波器的分段設計，並通過開關分路和合路，主要濾除輸出頻點相鄰梳狀譜本振洩露和近端混頻交調信號；第二級針對最終輸出的Ku頻段設計帶通濾波器，主要濾除輸出頻點遠端混頻交調，彌補開關濾波器組在遠端抑制能力的不足，從而提升最終合成信號在全頻段優良的低雜散特性。
本發明在傳統單鎖相環電路結構基礎上大幅提升頻率合成信號的相位噪聲性能，同時兼顧較小的頻率解析度，同時保持良好的雜散抑制能力，顯著提升寬帶頻率合成信號的綜合性能水平，可為變頻通道提供純度好、高質量的本振信號。尤其針對Ku及以上工作頻段的頻率合成器，效果更加顯著：與工作相同頻段的單環鎖相頻率源相比，在相同10MHz頻率步進情況下，相位噪聲優化15dB以上，且雜散抑制能力提高10dB以上，整體改善效果非常明顯。
完整的基於雙環混頻的低相噪寬帶頻率合成方法電路結構如圖4所示。主要有參考信號功分放大單元、倍頻梳線信號產生單元、鎖相基帶信號產生單元和混頻開關濾波單元等幾個電路單元構成，共同組成了基於環外混頻的雙環鎖相頻率合成的基本電路結構。
1）參考信號功分放大單元電路將參考信號進行濾波、放大、功分處理，產生兩路同源高純度基準參考信號。
2）倍頻梳線信號產生單元以直接倍頻方式，通過倍頻器、梳線發生器等多級組合，產生高次諧波分量，經過分段濾波取出合適的頻率分量，供後級混頻使用。參考信號經高次倍頻後可產生高質量梳譜信號，保證了輸出信號良好的相位噪聲特性。
3）鎖相基帶信號產生單元通過使用數字鑑相器、有源環路濾波器、VCO共同構建了鎖相基帶電路，實現了以參考信號為基準，L波段10MHz頻率步進的頻綜鎖相基帶信號產生，頻綜鎖相基帶信號即鎖相基帶信號，其特點是頻段低、步進小、相噪特性好。
4）混頻開關濾波單元將上述鎖相基帶、倍頻梳線頻率組合信號進行混頻，設置分段開關濾波器，經分段濾波、放大後，最終完成寬帶、小步進、低相噪頻率合成信號輸出。
例如，採用本發明方法研製了以產生Ku頻段10MHz步進寬帶本振源，輸出相位噪聲優於-90dBc@1KHz；較傳統單環鎖相頻率源相位噪聲優化15dB以上，同時雜散抑制能力保持在60dBc以上，較傳統單環鎖相頻率源優化10dB以上，本振源整體性能水平顯著提升，較好地滿足了工程應用需要。
上述的實施例中所給出的係數和參數，是提供給本領域的技術人員來實現或使用發明的，發明並不限定僅取前述公開的數值，在不脫離發明的思想的情況下，本領域的技術人員可以對上述實施例作出種種修改或調整，因而發明的保護範圍並不被上述實施例所限，而應該是符合權利要求書提到的創新性特徵的最大範圍。