成本有效的低噪聲單環路合成器的製作方法

2023-04-23 20:17:16

專利名稱：成本有效的低噪聲單環路合成器的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及用於電子裝置的自動測試設備(ATE)，並且 更具體地，涉及用於測試微波和RF電路的低噪聲、高頻率周期信號的 合成。
背景技術：
對用於諸如蜂窩電話、尋呼機和無線個人數字助理(PDA)的消
費類產品的高頻電子設備的改進使得需要改進電子測試。同時，向產 品製造商施加了降低測試成本的壓力。
高頻電子設備測試中的一個重要組件是微波合成器。如所公知的， "合成器"是生成具有可變頻率的測試信號的電子儀器。測試信號通 常是具有低噪聲的單頻"音調"。現代的合成器包括可編程電子裝置，
所述可編程電子裝置在寬的頻率範圍上向合成器提供高的頻率解析度。"微波合成器"是在微波頻帶，即1吉赫茲(109)或更高的鄰近 範圍中產生輸出信號的合成器。
用於高頻設備的常見類型的測試包括測量該設備產生的電子噪 聲。為了執行該類型的測試，將被測試的設備，或者"DUT"連接到 測試系統，或者"測試儀"。該測試儀通常包括電源、微波合成器和
採樣儀器。在測試程序的控制下，測試儀激活電源以向DUT供電，使 合成器能夠將輸入信號施加到DUT，並且使採樣儀器能夠測量來自 DUT的輸出信號。然後測量輸出信號上的噪聲，並且將測量的噪聲與 測試限度相比較以確定DUT的噪聲性能是否在測試限度內。
對於許多高頻設備，來自DUT的輸出信號通常是施加到DUT的 輸入信號的函數。例如，如果輸入信號具有頻率FIN，則輸出通常也具 有頻率FIN，或者具有頻率FIN的倍數。準確的輸入-輸出關係取決於 正在測試的設備的類型，但是輸入和輸出之間的某種數值關係幾乎總 是存在。事實上，由合成器產生的任何噪聲可以出現在輸出信號中。 由於不清楚正在測量的噪聲是由DUT產生的還是由合成器注入的，因 此該噪聲引起了 DUT的任何噪聲測量中的不確定性。
因此，合成器的噪聲是最重要的指標。通過減少該噪聲，相應地 減少測量的不確定性，並且提高測試質量。
由於許多電子設備採用某種相位調製方案，因此特別關鍵的是， 合成器產生低相位噪聲。如所公知的，"相位噪聲"指的是由設備產 生的信號相位的變化。相位噪聲可以替代地被視為定時抖動。
測試系統開發人員己尋求開發具有低相位噪聲的微波合成器。他 們常常致力於開發由協調操作的多個可調節的鎖相環電路組成的合成器。圖1示出了常規多環路合成器100的示例。合成器100示出了具有三個環路的合成器；然而，應當理解，按照目標應用的需要，多環路設計可以包括更多或更少數目的環路。
在圖1的多環路合成器100中，主鎖相環102接收基帶輸入信號(^"^^^// )並且產生微波輸出信號(i FOLT)。主鎖相環102在
它的前向路徑中包括相位比較器110、環路濾波器/放大器112和VCO(壓控振蕩器)114，並且在它的反饋路徑中包括一連串混頻器116/120
和濾波器/放大器118/122。
提供附加的鎖相環104和106以生成附加的高頻信號。鎖相環104和106均包括相位比較器134/154、環路濾波器/放大器136/156、 VCO138/158和反饋分頻器140/160。提供輸入分頻器132/152以分別對來自時鐘源130的輸入信號進行分頻。
鎖相環104和106的輸出耦合到主環路102中的混頻器116和120。混頻器116和120連續地對RFOUT進行下變頻，以產生更低頻率的反饋信號。相位檢測器110將相對低頻率的反饋信號與5fl^6^"/"相比較，並且環路102的操作往往迫使反饋信號達到等於^we6a"d/"的頻率。
為了對需要的輸出頻率i FOt/r編程，進行粗調和細調。調節環路
104和106的分頻器132、 152、 140和160以建立粗略輸出頻率。例如，通過對直接數字合成設備(DDS)編程來調節5^""^//"以在分頻器進行的粗頻率設定之間調諧。
多環路合成器100的許多設計特徵促成了低相位噪聲。例如，時鐘源130通常是低噪聲的固定頻率參考，諸如晶體振蕩器。濾波器/放大器136和156通常具有長的時間常數，用於減少注入到主環路102的混頻器116和120中的噪聲。主環路102通常不進行分頻，這往往減少了噪聲放大。
然而，多環路設計100的明顯的益處是以成本為代價的。電路的元件計數是高的，並且需要許多濾波器。這些濾波器是昂貴的並且佔用大量的空間。另外，由於多環路合成器100包括交互的多個反饋電
路，因此有時難於預測合成器100的建立時間。
所需要的是一種具有低相位噪聲，具有可預測的建立特性，並且構建成本可以低於多環路設計的微波合成器。

發明內容
根據本發明的一個實施例， 一種微波合成器，包括參考振蕩器，用於生成參考頻率；DDS調製電路，用於生成調製的DDS信號；以及
耦合到參考振蕩器和DDS調製電路的鎖相環電路，用於生成可變頻率
輸出信號。該鎖相環電路包括相位比較電路，該相位比較電路具有耦合到參考振蕩器的第一輸入、用於接收反饋信號的第二輸入、和輸出。該鎖相環電路進一步包括可控振蕩器，該可控振蕩器具有耦合到相位比較電路的輸出的控制輸入和用於生成可變頻率輸出信號的輸出。另
外，該鎖相環電路包括混頻器電路，該混頻器電路具有耦合到DDS調製電路的第一輸入、耦合到可控振蕩器的輸出的第二輸入和耦合到相位比較電路的第二輸入的輸出。
根據本發明的另一實施例， 一種微波合成器包括相位比較電路，該相位比較電路具有用於接收參考頻率的第一輸入、用於接收反饋信號的第二輸入、和輸出。而且該微波合成器包括可控振蕩器，該可控振蕩器具有耦合到相位比較電路的輸出的控制輸入和用於生成可變頻率輸出信號的輸出。該微波合成器進一步包括可編程分頻器，該可編程分頻器具有耦合到可控振蕩器的輸出的輸入和用於提供分頻信號的輸出。該微波合成器又包括混頻器電路，該混頻器電路具有適於接收調製信號的第一輸入、耦合到可編程分頻器的輸出的第二輸入和耦合到相位比較電路的第二輸入用於提供反饋信號的輸出。
根據本發明的進一步的一實施例， 一種微波合成器包括用於生成參考頻率的參考振蕩器。該微波合成器包括多個倍頻單元，該倍頻單元耦合到參考振蕩器用於生成分別具有參考頻率的不同倍數的各自的
輸出信號。該微波合成器進一步包括第一 DDS單元，該第一 DDS單
元具有耦合到多個倍頻單元的時鐘輸入和用於生成具有可編程頻率和
第一相位的第一DDS信號的輸出。另外，該微波合成器包括第二 DDS單元，該第二 DDS單元具有耦合到多個倍頻單元的時鐘輸入和用於生成具有可編程頻率和與第一相位不同的第二相位的第二 DDS信號的輸出。正交混頻器電路具有分別耦合到第一和第二DDS電路的輸出的第一和第二輸入、耦合到多個倍頻單元的第三輸入、和輸出。該微波合成器進一步包括鎖相環電路，該鎖相環電路具有耦合到參考振蕩器的
第一輸入、耦合到正交混頻器電路的輸出的第二輸入和用於提供可變頻率輸出信號的輸出。


通過考慮隨後的描述和附圖，本發明的新穎特徵將變得顯而易見，在附圖中
圖1是根據現有技術的多環路微波合成器的簡化的示意圖；圖2是根據本發明的實施例的微波合成器的簡化的示意圖；圖3是可以在圖2的合成器中使用的頻率參考源的實施例的示意
圖4是可以在圖2的合成器中使用的用於生成高頻本地振蕩器(LO)的電路的實施例的示意圖5是可以在圖2的合成器中使用的用於生成正交DDS信號的DDS電路的實施例的示意圖6是用於接收圖5所示的正交DDS信號的單邊帶上變頻器的實施例的示意圖7是圖2所示的主PLL電路的實施例的示意圖；圖8是示出用於對圖2的合成器編程的過程的流程圖9是示出用於使兩個DDS值抖動以輸出與圖2電路中的兩個DDS值之間的值相對應的頻率的過程的流程圖；以及
圖10是示出用於在圖2的合成器配置有圖5所示的正交DDS時校準該合成器的過程的流程圖。
具體實施例方式
如本文通篇使用的，諸如"包括""含有"和"具有"的詞意在以開放的方式闡述事物的特定事項、元素或方面。除非進行相反的特定說明，否則這些詞並不指示不能添加附加事項的封閉列表。
圖2示出了根據本發明的說明性實施例的微波合成器200。微波合成器200包括參考振蕩器210、 DDS調製電路212、鎖相環電路214、輸出調理電路216和控制器260。控制器260向DDS調製電路212、鎖相環電路214和輸出調理電路216提供輸入並且自其接收輸出，用於控制這些電路並且可選地自這些電路讀取信息。
DDS調製電路212優選地包括多個本地振蕩器220a-220n。每個本地振蕩器優選地具有耦合到參考振蕩器210的輸入和用於提供信號的輸出，該信號的頻率是參考頻率的倍數。不同的本地振蕩器220a-220n的輸出頻率優選地互不相同。本地振蕩器220a-220n耦合到一對選擇器222和224的輸入。每個選擇器222/224優選地具有"n"個輸入，每個輸入用於n本地振蕩器中的一個。每個選擇器被配置成在控制器260的控制下將它的"n"個輸入處的信號中的一個信號傳送到它的輸出。選擇器222具有耦合到分頻器226的輸出，該分頻器226進而具有連接到DDS電路228的時鐘輸入的輸出CXI DDS電路228具有耦合到混頻器230的第一輸入的輸出"2XS 0t/r。選擇器224具有耦合到混頻器230的第二輸入的輸出(丄O)。選擇器222和224優選地用RF開關來實現。可選擇的濾波器232可選地耦合到混頻器230的輸出。濾波器232優選地可配置為低通濾波器或高通濾波器。濾波器232的輸出向鎖相環電路214傳送調製的DDS信號"AS1 ATOZ)。
鎖相環電路214包括相位比較器240、環路濾波器242和可控振蕩器244。優選地在相位比較器240的輸入處提供交叉開關238。該交叉開關具有耦合到參考振蕩器的第一輸入和用於接收反饋信號的第二輸入。它還具有耦合到相位比較器240的第一和第二輸入的兩個輸出。交叉開關238具有兩個模式通過模式，其中輸入被直接傳遞到輸出(輸入1至輸出1並且輸入2至輸出2);以及交叉模式，其中輸入被交叉(輸入1至輸出2並且輸入2至輸出1)。交叉開關238可被提供為分立元件，或者它可以與相位比較器240集成。
交叉開關238允許相位比較器240的極性反轉。該能力為合成器200提供了用於鎖定的較大的靈活性。
鎖相環電路214還包括可編程分頻器246、混頻器248和低通濾波器250。可編程分頻器246具有耦合到可控振蕩器244的輸出的輸入和耦合到混頻器248的第一輸入的輸出。混頻器248具有耦合到DDS調製電路的第二輸入，用於接收Z)Z^3/OD。混頻器248具有耦合到低通濾波器250的輸出，低通濾波器250進而具有耦合到交叉開關238的第二輸入的輸出。
鎖相環電路214的輸出i>H Of/r耦合到輸出調理電路216。該輸出調理電路包括一個或多個可編程分頻器252和濾波器組254。
微波合成器200優選地與參考振蕩器210同步操作。在DDS調製電路212中，本地振蕩器220a-220n均從參考振蕩器210接收參考頻率F及EF並且產生輸出信號，該輸出信號的頻率是參考頻率的倍數。操作選擇器222以從本地振蕩器220a-220n中的一個選擇輸出信號用於輸入到分頻器226。相似地，操作選擇器224以選擇本地振蕩器中的一個的輸出作為輸出信號，用於輸入到混頻器230。通過將選擇器222/224和分頻器226設置成需要的值，對DDS電 路228進行編程以產生具有需要頻率的"ZW" Of/T。混頻器230將Z)Z)51
orr與來自選擇器224的z:o混頻。因此混頻器的輸出的頻率內容通 常包括載波分量丄o以及相對於載波偏移Dzxs0f/r的頻率的上和下邊
帶。可選擇的濾波器232優選地對混頻器230的輸出濾波以選擇下邊
帶或上邊帶來得到z)zxsMaD，然後將該"zxy Afo/>傳遞到鎖相環電路
214。
在鎖相環電路214內部，可控振蕩器244的輸出屍ZZ Orr提供微 波範圍內的頻率。可編程分頻器246降低這些頻率，並且混頻器248 對分頻器246的輸出進行下變頻。因此混頻器248的輸出通常包括已 分頻的6^/r頻率以及偏移Z)Z^M6W的頻率的邊帶。低通濾波器 250對由混頻器230和248產生的較高混頻產物進行濾波。由於低通濾 波器250提供反饋信號，因此環路的負反饋往往將混頻器248的下邊
帶驅動到參考頻率/^￡F，並且因此往往將戶/:丄ot/r驅動到預定的微 波頻率。然後屍丄丄ot/r的頻率可以按照需要分頻和濾波以產生任意低頻率。
代數上，依賴於濾波器232的設置，可以表示為
(丄o+D/xs 0t/r)或者ao-z)zxy of/r)。如果可編程分頻器246具
有分頻因子"並且交叉開關238被配置成它的通過模式，則相位比較 器240所鎖定的邊帶具有頻率
在合成器預先調諧並且配置成在低於il/0"的頻率下產生
orr)/z)時，交叉開關238允許環路保持負反饋並且鎖定。通過
將交叉開關238配置成它的交叉模式，相位比較器240所鎖定的邊帶 具有如下附加頻率由於反饋迫使每個上述表達式等於參考頻率，因此我們可以解出
PLL OUT以得到如下四種可能
屍丄ot/r-"Y丄o+z)z^ ot/r+7^ET9
屍丄丄of/r="*(XO-"zxy wr-F及，
顯而易見，適當選擇D、 F及五F、丄0禾BD/xy orr的值可以得到 關於p丄/: ot/r的寬的頻率範圍，該頻率範圍轉變為關於微波合成器 200的寬的頻率範圍。
圖3示出了參考振蕩器210的說明性實施例。該振蕩器包括由系 統時鐘驅動的鎖相環。該鎖相環包括相位-頻率檢測器310、環路濾波 器312和可控振蕩器314。如所公知的，相位-頻率檢測器是可以檢測 它的輸入信號之間的頻率以及相位的失配的一種類型的相位檢測器。 相位-頻率檢測器310具有接收系統時鐘的第一輸入和提供來自可控振 蕩器314的反饋信號的第二輸入。因此鎖相環提供系統時鐘的濾波的 和淨化的版本。
系統時鐘優選地是分發到ATE系統中的不同設備的用於同步操作 的信號。系統時鐘可以是數字時鐘或模擬時鐘。準確的頻率不是關鍵 的。環路濾波器312優選地具有非常低的帶寬，用於對環路中的相位 噪聲進行強濾波。可控振蕩器314優選地是壓控晶體振蕩器，諸如低 成本的陶瓷諧振器。
圖4示出了本地振蕩器(220a-220n中的任何本地振蕩器)的說明 性實施例。僅示出了單個振蕩器，但是電路拓撲代表每個振蕩器
17220a-220n。該本地振蕩器接收已濾波的時鐘信號F及五屍並且產生輸出 信號，該輸出信號的頻率是的倍數。該本地振蕩器被構造為鎖 相環；然而，使用採樣相位檢測器410取代常規相位檢測器或相位-頻 率檢測器。如所公知的，採樣相位檢測器採用電容耦合到肖特基二極 管對混頻器的階躍恢復二極體。該階躍恢復二極體生成輸入參考信號 (這裡是/^五F)的諧波，並且肖特基二極體對用作相位檢測器。採樣 相位檢測器可以選擇性地鎖定在諧波上並且使鎖相環能夠在不需要反 饋分頻器的情況下實現輸入參考的頻率倍增。如所公知的，在基於採 樣相位檢測器的鎖相環中除去反饋分頻器不僅避免了分頻器的噪聲貢 獻，而且還避免了相位檢測器噪聲的倍增。因此在本地振蕩器220a-220n 中避免分頻器提高了性能。可以使用梳狀波生成器環路取代採樣相位 檢測器410。
圖5和6示出了 DDS電路228和混頻器230的實施例。該實施例 是特別優選的，原因在於它的低成本、靈活性、並且易於集成在合成 器200中。該實施例利用通訊工業中對於解析處理信號，即正交處理 信號的趨勢。如所公知的，"正交"信號將任何頻率表示為一對九十 度相移的正弦曲線。 一個正弦曲線是同相的或者"I",而另一個是正 交的或者"Q"。
圖5示出了正交DDS電路。正交DDS電路包括一對DDS單元， 一個用於提供/信號並且一個用於提供2信號。每個DDS單元優選地 包括相位-幅度轉換器514/544、 DAC (數字-模擬轉換器)516/546、低 通濾波器518/548和輸出緩衝器520/550。出於經濟考慮，可以在DDS 單元之間共享特定元件並且不需要複製。例如，僅需要提供單個相位 寄存器510、求和器512、頻率寄存器540和累加器542。
為了操作正交DDS電路，控制器260對相位寄存器510和頻率寄 存器540的值編程。在DDSCLK的每個周期中，累加器542將頻率寄 存器540的內容與它已存儲的值相加，以產生與相位相對應的增加的數字輸出值。該輸出被提供給相位-幅度轉換器514/544，相位-幅度轉 換器514/544將該增加的相位值轉換成數字幅度值。然後，dac 516/546 將該數字幅度值轉換為模擬電平。濾波器518/548使該電平平滑，並且 緩衝器520/550輸出/和2信號。通過使存儲在頻率寄存器540中的值 變化來使/和g的輸出頻率變化。
相位寄存器510和求和器512允許使/輸出的相位相對於0輸出 的相位偏移。通過將相位寄存器510編程到與90度相對應的數字值， 在/和2之間建立90度的相位差。相似地，通過對相位寄存器編程以 減去90度，在/和q之間建立負90度相位差。
正交dds電路還提供用於移除/和g中的以及/和2之間的誤差 的機制。通過調節存儲在相位寄存器510中的值可以校正相位誤差。 使用由控制器260提供的模擬調節可以校正dac中的增益和偏移誤 差。正交dds電路優選地用一對單片dds晶片來實現，或者用雙核 的單片dds來實現。
圖6示出了具有正交混頻器形式的混頻器230的優選實現。正交 混頻器優選地包括分相器610、第一和第二混頻器612和614、求和器 616和輸出緩衝器618。分相器610從選擇器224接收丄O信號並且輸 出丄0信號的兩個版本。每個版本具有與丄O信號相同的頻率，但是其 中一個版本相對於另一版本延遲90度。第一混頻器612使￡0的非移 相版本與/信號混頻，並且第二混頻器614使丄0的移相版本與0信號 混頻。求和器616使混頻器612和614的輸出組合以得到輸出信號， 其中對同相(i)分量求和並且拒絕正交分量(q)。因此求和器616
的輸出具有是丄o和dds輸出頻率Dzxy orr的和或差的頻率。在不
需要濾波的情況下抑制其他混頻產物。通過使/和0的相位反轉，可 以改變需要的和或差信號。因此，僅通過將相位寄存器510編程為加
上90度或者減去90度，就可以使正交混頻器輸出丄o+"zxy orr或者圖6所示正交混頻器還被稱為單邊帶上變頻器。單邊帶上變頻器 在微波和通訊領域中是公知的。在本申請中使用單邊帶上變頻器的優 點在於，它提供了選擇用於傳遞到鎖相環電路214的需要邊帶(並且 因此選擇需要的頻率範圍)的簡單方式。而且它極大地減少了對濾波
的需要。在使用單邊帶上變頻器時，通常可以除去來自圖2的可選擇 的濾波器232。
圖7示出了鎖相環電路214的實施例。可以看到，相位比較器240 已用相位-頻率檢測器740實現。可控振蕩器244用YIG振蕩器實現。 分頻器246用可編程RF預分頻器746實現。混頻器748和低通濾波器 750與圖2的混頻器248和濾波器250相似。
相位-頻率檢測器(PFD) 740允許圖7的鎖相環在相對寬的頻率 範圍上獲取和鎖定，並且放鬆對YIG振蕩器預先調諧的需要。PFD在 相對低的頻率(額定100MHz)下操作。市售的廉價低噪聲單片PFD 在該頻率下使用。
YIG振蕩器744優選地具有粗調諧和細調諧(FM)輸入。粗調諧 輸入優選地由控制器260中的模擬電路控制，而細調諧輸入優選地耦 合到環路濾波器/放大器742用於鎖定。
圖7的鎖相環電路優選地包括用於對提供給PFD 740的反饋信號 採樣的採樣電路。該採樣電路包括開關736、 ADC (模擬-數字轉換器) 752、捕獲存儲器754和DFT (數字傅立葉變換)單元756。在校準操 作期間，開關736閉合併且使ADC 752獲取反饋信號的樣本。這些樣 本保存在捕獲存儲器754中，並且對存儲的樣本執行離散傅立葉變換。 結果可被發送到控制器260用於分析。該能力允許直接測量並且可能 調節鎖相環電路的噪聲。
20此處描述的微波合成器200的實現細節基本上可以在本發明的範圍內變化。然而，在特定優選的實施例中，F及五F的值額定是100 MHz。 本地振蕩器220a-220n的數目"n"是2。第一本地振蕩器生成1.8 GHz 並且第二本地振蕩器生成2.0 GHz。為了與優選的和可用的DDS單元 兼容，分頻器226的分頻器值M優選地是2。因此，D2XyCXJST的值可 以被配置成900 MHz或1.0 GHz。 DDS單元優選地在100 MHz和300 MHz之間的範圍中可調諧，使DZXy AfOD可以在1.5 GHz禾卩2.3 GHz 之間變化，不存在間隙。YIG振蕩器744優選地在6.4和12.8 GHz之 間的調諧範圍上操作，並且可編程RF預分頻器優選地提供4、 5或6 的分頻比。小的分頻比確保保持低噪聲，同時仍然滿足"2W 的 完整範圍上的環路的反饋要求。在合成器200中使用的許多組件是市售的現貨。從Chelmsford, MA 的Hittite Microwave公司和Phoenix, AZ的ON Semiconductor公司可以 獲得適當的相位-頻率檢測器。從Londonderry, NH的MicroMerics公司 和Sunnyvale, CA的Aeroflex/Metelics公司可以獲得採樣相位檢測器。 從Norwood, MA的Analog Devices公司可以獲得適當的DDS電路。從 Analog Devices公司、Sunnyvale, CA的Maxim Integrated Products公司、 Dallas, TX 的 Texas Instruments 公司禾口 Milpitas， CA 的 Linear Technology公司可以購買單邊帶上變頻器。圖8示出了用於對微波合成器200編程以提供需要的輸出頻率的 過程。不需要按照所示順序來執行步驟。在步驟810，合成器直接從用 戶或者從接入合成器的測試程序接受需要的輸出頻率。在步驟812，選 擇一個或多個本地振蕩器。出於靈活起見，優選地獨立選擇本地振蕩 器220a-220n，用於提供"Z)S CX兀和IO。在步驟814,自單邊帶上變 頻器選擇邊帶。這通常通過將相位寄存器510編程成加上或減去90度 並且將交叉開關738配置成通過或交叉模式來實現。在步驟816，選擇 用於可編程RF預分頻器746的預分頻器值。在步驟818，對DDS頻 率編程。在步驟820配置輸出分頻器和濾波器，並且在步驟822對YIG振蕩器744進行預先調諧以輸出在預期範圍內的頻率。主要基於兩個因素來選擇本地振蕩器220a-220n、上或下邊帶和預 分頻器值。第一個因素是實現需要的輸出頻率的能力。並非所有配置 均可以實現所有需要的配置。第二個因素是寄生噪聲的最小化。合成 器200的優點在於，在許多情況下，存在用於實現相同輸出頻率的不 同配置。在這些情況下，優選地選擇得到最低噪聲，特別是最低相位 噪聲的配置。下面的指導可以用於將合成器200配置成使寄生噪聲最小化-1. 如果DDS OUT的頻率接近LO頻率中的一個的分諧波，則選 擇分諧波遠離的LO頻率(例如，900 MHz或l GHz);2. 如果來自SSB上變頻器和/或混頻器248的較高階的混頻產物 引起了混頻器248的輸出處的近端(close-in)雜散，則執行以下操作 中的一個a) 選擇用於預分頻器246的不同的比。b) 使交叉開關238的極性反轉，這可以使有問題的雜散移出頻帶。c) 如果a)或b)不可行，則實現集中校準以使討厭的雜散最小 化。下文結合圖IO描述校準。3. 如果存在關於相同合成器輸出頻率的多個配置(無近端雜散)， 則選擇具有最低DDS輸出頻率的配置。圖9示出了在不能直接對輸出頻率編程時使用微波合成器200生 成需要的輸出頻率的過程。由於DDS電路的解析度受到限制並且有時 需要的值落在由緊鄰DDS電平產生的值之間，因此需要該過程。根據 該過程，使得到與需要的頻率接近的頻率的兩個直接可編程頻率值抖 動。鎖相環電路214的濾波動作對抖動值取平均以產生需要的頻率值。該過程如下進行。在步驟910，配置合成器200並且對DDS電路編程以產生來自合成器的第一頻率值，該第一頻率值接近需要的輸出頻率。在等待第一延遲間隔之後(步驟912)，對DDS電路編程以產 生來自合成器的第二頻率值(步驟914)。該第二頻率值也接近需要的 輸出頻率，但是相比於第一頻率值位於需要的值的相反側。在第二延 遲間隔之後(步驟916)，重複該過程，交替對不同的值編程。由於鎖 相環電路214的操作，在第一和第二頻率值的時間加權平均值上建立 了輸出頻率。圖10示出了用於校準微波合成器200的過程。如圖5中所見，正 交DDS電路包括用於調節/和0輸出信號之間的相位差的器件(provision)，以及用於調節DAC 516和546的增益和相位的器件。 如圖7中所見，鎖相環電路包括採樣電路(開關736、 ADC 752、捕獲 存儲器754和DFT單元756)。採樣電路可以用於測量鎖相環電路214 的反饋信號中的噪聲。根據該校準過程，合成器200被編程以產生已 知輸出頻率(步驟1010)。 一旦輸出頻率穩定，則開關736閉合併且 使採樣電路對反饋信號採樣(步驟1012)。測量和檢査寄生噪聲(步 驟1014)。在步驟1018，調節DDS電路以嘗試減少測量的寄生噪聲。 一個寄生噪聲源是/和0之間的相位誤差。為了使噪聲最小化，調節 相位寄存器510 (步驟1018)並且重複測量。重複測量、檢查噪聲和 調節相位的過程直至達到了可接受的噪聲電平。DAC 516和546的增 益和偏移誤差也對寄生噪聲有貢獻。該噪聲可以通過調節DAC的增益 和/或偏移並且測量寄生噪聲的相似的方式來處理。然後用得到可接受 的(優選地最小的)噪聲級的調節來配置DAC。在完成校準時通常打 開開關736。合成器200提供了低成本和低相位噪聲的優點。相比於多環路設 計，它的單環路設計的簡單性減少了需要的硬體量。它使用正交DDS 和單邊帶上變頻器在不需要複雜和昂貴的濾波器的情況下抑制了不想 要的邊帶。在使用正交DDS和單邊帶上變頻器時，合成器200還利用 無線通訊工業中的提供低成本的精確的正交設備的當前趨勢。由於合 成器200需要的部件少於許多競爭設計，因此它可以構造為較小的體積。在優選實施例中，合成器200裝配在ATE系統中的小於1.8cm高的儀器插糟中。另外，合成器200的多種設置，諸如z)/xycx^:選擇、丄0選擇、上或下邊帶選擇、YIG頻率和預分頻器值，常常向用戶提供 用於配置合成器200的多種選擇，以產生任何需要的輸出頻率。這些 選擇使用戶能夠選擇給出最優可能噪聲性能的配置。儘管已經描述了一個實施例，但是可以進行許多可替選的實施例 或變化。如所示出和描述的，DDS調製電路212從參考振蕩器210接 收它的時鐘參考。然而這僅是示例。替代地，DDS調製電路可以具有 它自身的時鐘參考，或者可以從另一來源接收時鐘參考。如所示出和描述的，DDS調製電路212配備有多個本地振蕩器。 這不是嚴格要求的。替代地，可以使用單個本地振蕩器。該單個本地 振蕩器可以是固定頻率振蕩器或者可以提供多個可選擇的頻率。因此，本領域的技術人員將理解，在不偏離本發明的範圍的情況 下可以對此處公開的實施例進行形式和細節上的多種改變。
權利要求
1.一種微波合成器，包括參考振蕩器，所述參考振蕩器用於生成參考頻率；DDS調製電路，所述DDS調製電路用於生成調製的DDS信號；以及鎖相環電路，所述鎖相環電路耦合到所述參考振蕩器和所述DDS調製電路，用於生成可變頻率輸出信號，其中，所述鎖相環電路包括——相位比較電路，所述相位比較電路具有耦合到所述參考振蕩器的第一輸入、用於接收反饋信號的第二輸入、和輸出，可控振蕩器，所述可控振蕩器具有耦合到所述相位比較電路的所述輸出的控制輸入和用於生成所述可變頻率輸出信號的輸出，以及混頻器電路，所述混頻器電路具有耦合到所述DDS調製電路的第一輸入、耦合到所述可控振蕩器的所述輸出的第二輸入和耦合到所述相位比較電路的所述第二輸入的輸出。
2. 如權利要求1所述的微波合成器，進一步包括可編程分頻器，所述可編程分頻器串聯耦合在所述可控振蕩器的所述輸出和所述混頻器電路的所述第二輸入之間。
3. 如權利要求2所述的微波合成器，其中，所述可編程分頻器包括比可編程RF預分頻器。
4. 如權利要求l所述的微波合成器，其中，所述相位比較電路包括相位-頻率檢測器。
5. 如權利要求1所述的微波合成器，其中，所述相位比較電路包括與相位檢測器串聯耦合的交叉開關。
6. 如權利要求l所述的微波合成器，其中，所述可控振蕩器包括YIG振蕩器。
7. 如權利要求l所述的微波合成器，其中，所述混頻器電路是第一混頻器電路並且所述DDS調製電路包括本地振蕩器電路；DDS電路，所述DDS電路具有耦合到所述本地振蕩器電路的時鐘輸入和用於提供具有可編程頻率的輸出信號的輸出；第二混頻器電路，所述第二混頻器電路具有耦合到所述DDS電路的所述輸出的第一輸入、耦合到所述本地振蕩器電路的本地振蕩器輸入和用於生成所述調製的DDS信號的輸出。
8. 如權利要求7所述的微波合成器，其中，所述DDS電路包括第一 DDS單元，所述第一 DDS單元具有耦合到所述本地振蕩器電路的時鐘輸入和用於提供具有可編程頻率的輸出信號的輸出，第二 DDS單元，所述第二 DDS單元具有耦合到所述本地振蕩器電路的時鐘輸入和用於提供具有可編程頻率的輸出信號的輸出，其中，所述第二混頻器電路是正交混頻器電路，所述正交混頻器電路進一步具有耦合到所述第二 DDS單元的所述輸出的第二輸入。
9. 如權利要求8所述的微波合成器，其中，所述第一和第二DDS單元中的至少之一能夠調節相位。
10. —種校準如權利要求9所述的微波合成器的方法，包括對所述第一和第二 DDS單元編程以產生具有相同頻率的各自的輸出信號；A) 對反饋信號採樣；B) 分析所述反饋信號以確定它的寄生內容；C) 調節在所述第一和第二DDS單元的輸出信號之間的相位；D) 標識得到比其他相位更低的所述反饋信號中的寄生內容電平的相位；以及E)將所述第一和第二 DDS單元之間的相位編程到基本上等於所標識的相位的值。
11. 如權利要求8所述的微波合成器，其中，所述正交混頻器電路包括單邊帶上變頻器。
12. 如權利要求8所述的微波合成器，進一步包括採樣電路，所述採樣電路耦合到所述第一混頻器電路的所述輸出，用於對所述反饋信號採樣o
13. 如權利要求8所述的微波合成器，其中，所述第一和第二 DDS單元中的至少之一能夠調節增益。
14. 如權利要求8所述的微波合成器，其中，所述第一和第二 DDS單元中的至少之一能夠調節偏移。
15. 如權利要求7所述的微波合成器，其中，所述本地振蕩器電路包括多個倍頻單元，每個倍頻單元具有耦合到所述參考振蕩器的輸入並且每個倍頻單元具有用於提供輸出頻率的輸出，所述輸出頻率是所述參考頻率的倍數；第一選擇器，所述第一選擇器具有多個輸入，每個輸入耦合到所述多個倍頻單元中的一個倍頻單元的所述輸出，並且具有耦合到所述DDS電路的輸出；以及第二選擇器，所述第二選擇器具有多個輸入，每個輸入耦合到所述多個倍頻單元中的一個倍頻單元的所述輸出，並且具有耦合到所述第二混頻器電路的輸出。
16. —種對如權利要求15所述的微波合成器編程以實現需要的頻率的方法，包括A) 選擇所述倍頻單元中的一個用於向所述DDS電路提供輸入；B) 選擇所述倍頻單元中的一個用於向所述第二混頻器電路提供輸入；以及C) 對所述DDS電路編程以產生輸出頻率。
17. —種對如權利要求7所述的微波合成器編程以實現需要的頻率的方法，包括A) 對所述DDS電路編程以輸出具有第一頻率的信號；B) 等待第一預定時間間隔；C) 對所述DDS電路編程以輸出具有第二頻率的信號；D) 等待第二預定時間間隔；以及E) 重複步驟A-D，其中，所述鎖相環電路具有帶寬，並且所述第一預定時間間隔和所述第二預定時間間隔的和的倒數大於所述帶寬。
18. —種微波合成器，包括相位比較電路，所述相位比較電路具有用於接收參考頻率的第一輸入、用於接收反饋信號的第二輸入、和輸出；可控振蕩器，所述可控振蕩器具有耦合到所述相位比較電路的所述輸出的控制輸入和用於生成可變頻率輸出信號的輸出；可編程分頻器，所述可編程分頻器具有耦合到所述可控振蕩器的所述輸出的輸入和用於提供分頻信號的輸出；以及混頻器電路，所述混頻器電路具有適於接收調製信號的第一輸入、耦合到所述可編程分頻器的所述輸出的第二輸入和耦合到所述相位比較電路的所述第二輸入用於提供所述反饋信號的輸出。
19. 如權利要求18所述的微波合成器，其中，所述相位比較電路包括具有第一和第二輸入的相位-頻率檢測器。
20. 如權利要求19所述的微波合成器，其中，所述相位比較電路 進一步包括交叉開關，所述交叉開關具有耦合到所述相位比較電路的 所述第一和第二輸入的第一和第二輸入以及耦合到所述相位-頻率檢測 器的第一和第二輸入的第--和第二輸出。
21. 如權利要求18所述的微波合成器，其中，所述混頻器電路是 第一混頻器電路，並且進一步包括DDS調製電路，所述DDS調製電 路包括倍頻電路，所述倍頻電路具有用於接收所述參考頻率的輸入， DDS電路，所述DDS電路具有耦合到所述倍頻電路的時鐘輸入和用於提供可編程周期性信號的輸出，以及第二混頻器電路，所述第二混頻器電路具有耦合到所述DDS電路的所述輸出的第一輸入、耦合到所述倍頻電路的第二輸入和用於提供所述調製信號的輸出。
22. 如權利要求21所述的微波合成器，其中，所述倍頻電路包括 多個倍頻單元，每個倍頻單元具有用於接收所述參考頻率的輸入並且每個倍頻單元具有用於提供輸出頻率的輸出，所述輸出頻率是所 述參考頻率的倍數；以及選擇器，所述選擇器具有多個輸入，每個輸入耦合到所述多個倍 頻單元中的一個倍頻單元的所述輸出，並且具有耦合到所述DDS電路 的所述時鐘輸入的輸出。
23. 如權利要求22所述的微波合成器，其中，所述選擇器是第一 選擇器，並且所述倍頻電路進一步包括-第二選擇器，所述第二選擇器具有多個輸入，每個輸入耦合到所 述多個倍頻單元中的一個倍頻單元的所述輸出，並且具有耦合到所述 第二混頻器電路的所述第二輸入的輸出。
24. —種微波合成器，包括參考振蕩器，所述參考振蕩器用於生成參考頻率； 多個倍頻單元，所述多個倍頻單元耦合到所述參考振蕩器，用於生成分別具有所述參考頻率的不同倍數的各自的輸出信號；第一 DDS單元，所述第一 DDS單元具有耦合到所述多個倍頻單元的時鐘輸入和用於生成具有可編程頻率和第一相位的第一 DDS信號的輸出；第二 DDS單元，所述第二 DDS單元具有耦合到所述多個倍頻單 元的時鐘輸入和用於生成具有所述可編程頻率和與所述第一相位不同 的第二相位的第二 DDS信號的輸出；正交混頻器電路，所述正交混頻器電路具有分別耦合到所述第一 和第二DDS電路的所述輸出的第一和第二輸入、耦合到所述多個倍頻 單元的第三輸入、和輸出；以及鎖相環電路，所述鎖相環電路具有耦合到所述參考振蕩器的第一 輸入、耦合到所述正交混頻器電路的所述輸出的第二輸入和用於提供 可變頻率輸出信號的輸出。
25. 如權利要求24所述的微波合成器，其中，所述鎖相環電路包括相位比較電路，所述相位比較電路具有耦合到所述參考振蕩器的 第一輸入、用於接收反饋信號的第二輸入、和輸出；可控振蕩器，所述可控振蕩器具有耦合到所述相位比較電路的所 述輸出的控制輸入和用於生成可變頻率輸出信號的輸出；可編程分頻器，所述可編程分頻器具有耦合到所述可控振蕩器的 所述輸出的輸入和用於提供分頻信號的輸出；以及混頻器電路，所述混頻器電路具有耦合到所述正交混頻器電路的 所述輸出的第一輸入、耦合到所述可編程分頻器的所述輸出的第二輸 入和耦合到所述相位比較電路的所述第二輸入用於提供所述反饋信號的給i+(
26. 如權利要求25所述的微波合成器，進一步包括採樣電路，所述採樣電路耦合到所述混頻器電路的所述輸出，用於對所述反饋信號 採樣。
全文摘要
一種低成本低相位噪聲的微波合成器包括DDS調製電路和鎖相環。該DDS調製電路將DDS的輸出調製到高頻。該鎖相環對DDS輸出進行下變頻並且將已下變頻的信號鎖定到相對低的頻率，即固定的參考。
文檔編號H03L7/16GK101657968SQ200880011709
公開日2010年2月24日 申請日期2008年4月10日 優先權日2007年4月12日
發明者大衛·E·奧'布賴恩, 科林·卡·浩·周 申請人:泰拉丁公司