CN101820283A - 数字加模拟构架的频率合成装置 - Google Patents

Abstract

一种数字加模拟构架的频率合成装置，涉及频率合成器技术领域，所解决的是现有技术不能兼顾变频带宽与频率分辨，及最高变频点与杂散的技术问题。该装置包括前置放大滤波器、第一模拟合成单元、第二模拟合成单元、控制器、晶体振荡器、功分器和数字下变频器；所述晶体振荡器连接第一模拟合成单元和第二模拟合成单元的时钟输入端；所述控制器连接第一模拟合成单元、第二模拟合成单元及数字下变频器的控制输入端；所述前置放大滤波器的输入端连接信号源，其输出端依次经第一模拟合成单元、第二模拟合成单元、功分器接至数字下变频器的频率信号输入端。本发明提供的装置，适合宽带超短波、微波通信信号的变频接收。

Description

数字加模拟构架的频率合成装置

技术领域

本发明涉及频率合成的技术，特别是涉及一种适用于宽频段窄带、宽带超短波、微波通信信号接收的数字加模拟构架的频率合成装置的技术。

背景技术

宽带信号接收设备是现代通信设备的重要组成部分，它不仅应用于对各种无线信号的监测，而且广泛应用于无线移动通信GSM、CDMA信号和各类通信卫星信号的接收。

在宽带信号接收设备中，宽带频率合成器性能的优劣会直接影响接收设备的性能，性能优良的宽带频率合成器应当具有变频输出的相对带宽宽、最高频率高、频率转换时间短、切换速度快、频率分辨率高(频率步进小)、相位噪声低、杂散小、毛刺小的特点。

现有的宽带频率合成器主要有以下几种：1)采用锁相环路(PLL)的模拟频率合成器，这种频率合成器具有输出频率高、频率稳定度高、频谱纯、寄生杂波小及相位噪声低等优点，但是它无法兼顾相位噪声、小步进、杂散和锁定时间等指标，而使用复杂的多环锁相环，则会影响合成器的可靠性和稳定性，成本也会相应增高；2)采用直接数字式的频率合成器(DDS)，这种频率合成器具有输出的相对带宽宽、相位噪声低、频率步进小、频率转换时间快的优点，但其具有不能保证宽带的小数步进及输出最高频率受限的缺陷，而且由于采用全数字结构，因此其杂散也比较大，特别是在频率高时杂散大的问题更为突出；3)采用锁相环路(PLL)+直接数字(DDS)混合方式的频率合成器，这种方式结合了两者的优点，但在具体应用中会存在杂散和噪声恶化的问题。上述的现有宽带频率合成器都是在高频头的下变频级进行频率合成的，即其频率合成是在一级变频的构架中实现的，因此存在着变频带宽与频率分辨的矛盾，及最高变频点与杂散等之间的矛盾。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现宽频带接收和宽频带的小数步进，同时保证相位噪声、毛刺、合成时间等指标的数字加模拟构架的频率合成装置。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种数字加模拟构架的频率合成装置，包括与接收信号带宽相对应的前置放大滤波器、用于模拟混频处理的模拟合成单元、用于控制频率变换和增益衰减的控制器、晶体振荡器、功分器和数字下变频器，其特征在于：所述模拟合成单元有两个，分别为第一模拟合成单元和第二模拟合成单元；

所述晶体振荡器连接第一模拟合成单元和第二模拟合成单元的时钟输入端；

所述控制器连接第一模拟合成单元、第二模拟合成单元及数字下变频器的控制输入端；

所述前置放大滤波器的输入端连接信号源，其输出端依次经第一模拟合成单元、第二模拟合成单元、功分器接至数字下变频器的频率信号输入端。

进一步的，所述第一模拟合成单元包括第一混频器、第一放大滤波器，及由依次闭环串接的第一压控振荡器、第一检相器、第一环路滤波器组成的第一锁相环路；

所述第二模拟合成单元包括第二混频器、第二放大滤波器，及由依次闭环串接的第二压控振荡器、第二检相器、第二环路滤波器组成的第二锁相环路；

所述晶体振荡器连接第一检相器和第二检相器的时钟输入端；

所述控制器连接第一检相器、第二检相器及数字下变频器的控制输入端；

所述前置放大滤波器的输出端及第一压控振荡器的参考频率输出端分别接至第一混频器的输入端，所述第一混频器的输出端接至第一放大滤波器的输入端；

所述第一放大滤波器的输出端及第二压控振荡器的参考频率输出端分别接至第二混频器的输入端，所述第二混频器的输出端接至第二放大滤波器的输入端，所述第二放大滤波器的输出端接至功分器的输入端。

本发明提供的数字加模拟构架的频率合成装置，采用了模拟加数字的构架，不仅只考虑单级下变频的频率合成，而将高频接收下变频的频率合成与数字下变频的频率合成两者结合起来，形成二级频率合成构架，解决了单级频率合成器要兼顾各项性能指标所存在的困难；该构架中，高频接收下变频采用模拟频率合成，采用二次变频及大步进检相，对于不同频段的射频输入信号，通过调节锁相环路的频率步进，使变频输出为固定中频信号，保持低的相位噪声和杂散，实现宽频带下变频，其结构简单且便于实现；数字下变频采用数字频率合成，选择小步进变频实现小数步进，通过调节数控振荡器频率及抽取滤波，将固定中频变换为对应的基带信号，最小步进能达到1Hz；采用模拟变频的宽频带大步进粗调与数字下变频的小步进精调相结合的构架，高频接收下变频通过放宽对频率步进的要求，保证模拟频率合成的相关性能指标，数字下变频由于只对固定中频信号进行变频，能很好地发挥其优点，保持良好的相位噪声和小杂散，并实现频率步进的精调，因此两者相结合后能充分发挥各自的优点，实现信号频率宽范围、精细分辨调节，能够实现宽频带接收和宽频带的小数步进，而且小数步进是由数字下变频实现的，所以相位噪声和杂散不会相加到检相环路里，系统的杂散和相位噪声不会增加，能够实现比现有频率合成器中低得多的相位噪声和杂散指标，同时保证相位噪声、毛刺、合成时间等指标，实现宽带通信信号接收。

附图说明

图1是本发明实施例的数字加模拟构架的频率合成装置的结构框图；

图2是本发明实施例的数字加模拟构架的频率合成装置中的第一混频器的电路图；

图3是本发明实施例的数字加模拟构架的频率合成装置中的第一环路滤波器的电路图；

图4是本发明实施例的数字加模拟构架的频率合成装置中的第一检相器的电路图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

如图1-图4所示，本发明实施例所提供的一种数字加模拟构架的频率合成装置，包括与接收信号带宽相对应的前置放大滤波器1、模拟合成单元、晶体振荡器6、控制器14、功分器13和数字下变频器15，其特征在于：所述模拟合成单元有两个，分别为第一模拟合成单元和第二模拟合成单元；

所述第一模拟合成单元包括第一混频器2、第一放大滤波器7，及由依次闭环串接的第一压控振荡器3、第一检相器5、第一环路滤波器4组成的第一锁相环路；

所述第二模拟合成单元包括第二混频器8、第二放大滤波器12，及由依次闭环串接的第二压控振荡器9、第二检相器11、第二环路滤波器10组成的第二锁相环路；

所述晶体振荡器6连接第一检相器5和第二检相器11的时钟输入端，用于向第一检相器5和第二检相器11提供时钟信号；

所述控制器14连接并控制第一检相器5、第二检相器11及数字下变频器15的控制输入端，用于控制第一锁相环路、第二锁相环路及数字下变频器15的频率变换和增益衰减；

所述前置放大滤波器1的输入端连接信号源，其输出端及第一压控振荡器3的参考频率输出端分别接至第一混频器2的输入端，所述第一混频器2的输出端接至第一放大滤波器7的输入端；

所述第一放大滤波器7的输出端及第二压控振荡器9的参考频率输出端分别接至第二混频器8的输入端，所述第二混频器8的输出端接至第二放大滤波器12的输入端；

所述第二放大滤波器12的输出端接至功分器13的输入端，所述功分器13的输出端接至数字下变频器的频率信号输入端，并分两路输出信号，一路输出至外部，另一路输入数字下变频器15，所述数字下变频器15输出频率合成信号至外部；

如图2所示，所述第一混频器2包括限流电阻R22、R23，耦合电容C10、去耦电容C63，旁路电感L22，放大芯片A1和混频芯片U8；所述第二混频器8的结构与第一混频器2的结构相同；

如图3所示，所述第一环路滤波器4包括由电阻R208、R209、放大芯片U213及电容C283组成的有源滤波电路，电源滤波电容C284、C286，电阻R206、R213、R214、R215，去耦电容C285、C287，C289、C290；所述第二环路滤波器10的结构与第一环路滤波器4的结构相同；

如图4所示，所述第一检相器5包括电阻R307、R308、R309、R333、R334，电容C364、C365、C366、C367、C369，电感L313、L314，检相芯片N300，所述检相芯片N300的型号为ADF4106；所述第二检相器11的结构与第一检相器5的结构相同；

本发明实施例的工作原理如下：

晶体振荡器6输出时钟信号至第一检相器5和第二检相器11，第一检相器5、第二检相器11及数字下变频器15的频率变换和增益衰减由控制器14进行控制；

由第一压控振荡器3、第一检相器5、第一环路滤波器4组成第一锁相环路，第一压控振荡器3的输出信号与经过控制器14选择的晶体振荡器6的时钟信号进行检相，使第一压控振荡器3输出一个稳定的本振信号(即参考频率信号)至第一混频器2；

由第二压控振荡器9、第二检相器11、第二环路滤波器10组成第二锁相环路，第二压控振荡器9的输出信号与经过控制器14选择的晶体振荡器6的时钟信号进行检相，使第二压控振荡器9输出一个稳定的本振信号(即参考频率信号)至第二混频器8；

信号源输入的射频信号经前置放大滤波器1滤除所选射频信号带宽以外的噪声和干扰信号，并放大后送入第一混频器2与第一压控振荡器3输出的本振信号(即参考频率信号)进行第一次混频形成第一中频信号，第一中频信号再经第一放大滤波器7滤除第一次混频泄漏过来的本振信号和第一次混频产生的组合干扰信号并放大后输至第二混频器8与第二压控振荡器9输出的本振信号(即参考频率信号)进行第二次混频形成第二中频信号，第二中频信号再经第二放大滤波器12滤波放大后送入功分器13，功分器13输出两路模拟中频信号，一路输出至外部，另一路送入数字下变频器15；

数字下变频器15根据控制器14的控制信号对模拟中频信号进行数字化处理，输出的频率合成信号(数字基带信号)传送至外部的电脑或存储设备供后端信号处理单元使用；

数字下变频器15对模拟中频信号进行数字化处理时可以实现最小步进，而且对整体的相位噪声没有影响，根据检相原理，有以下公式(1)和(2)：

相位噪声＝1赫兹的归一化噪声+10log(检相频率)+20log(N)…(1)

频率＝N×(检相频率)……………………………………………………(2)

由公式(1)和(2)可以看出检相频率是以10log为倍数的恶化相位噪声，而N是以20log为倍数的恶化相位噪声，在输出频率恒定的情况下，由公式(2)可以得出检相频率越高，则相位噪声越好；因此信号源输入的射频信号经过二次模拟变频并采用大步进的检相频率能够保证低的相位噪声要求，而数字下变频保证了最小1Hz的小数步进。

本发明实施例的最小步进能达到1Hz，特别适合宽带超短波、微波通信信号的变频接收。

本发明实施例中，各主要元件均采用高集成的IC模块实现，以便于调试和批量生产，而且本发明实施例中采用的器件均为市场量产器件。

本发明实施例能根据不同通信系统要求，通过替换同类型器件即可快速地转换成专用系统变频使用，能够提供更高指标要求的无线解决方案。

Claims (2)

1.一种数字加模拟构架的频率合成装置，包括与接收信号带宽相对应的前置放大滤波器、用于模拟混频处理的模拟合成单元、用于控制频率变换和增益衰减的控制器、晶体振荡器、功分器和数字下变频器，其特征在于：所述模拟合成单元有两个，分别为第一模拟合成单元和第二模拟合成单元；

所述晶体振荡器连接第一模拟合成单元和第二模拟合成单元的时钟输入端；

所述控制器连接第一模拟合成单元、第二模拟合成单元及数字下变频器的控制输入端；

所述前置放大滤波器的输入端连接信号源，其输出端依次经第一模拟合成单元、第二模拟合成单元、功分器接至数字下变频器的频率信号输入端。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一模拟合成单元包括第一混频器、第一放大滤波器，及由依次闭环串接的第一压控振荡器、第一检相器、第一环路滤波器组成的第一锁相环路；

所述第二模拟合成单元包括第二混频器、第二放大滤波器，及由依次闭环串接的第二压控振荡器、第二检相器、第二环路滤波器组成的第二锁相环路；

所述晶体振荡器连接第一检相器和第二检相器的时钟输入端；

所述控制器连接第一检相器、第二检相器及数字下变频器的控制输入端；

所述前置放大滤波器的输出端及第一压控振荡器的参考频率输出端分别接至第一混频器的输入端，所述第一混频器的输出端接至第一放大滤波器的输入端；

所述第一放大滤波器的输出端及第二压控振荡器的参考频率输出端分别接至第二混频器的输入端，所述第二混频器的输出端接至第二放大滤波器的输入端，所述第二放大滤波器的输出端接至功分器的输入端。

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