CN103501174A - 一种低噪声参考信号发生器和信号生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种低噪声参考信号发生器和信号生成方法，包括：10MHz恒温晶体振荡器、低噪声倍频电路、双平衡二极管鉴相器、积分低通滤波电路和100MHz恒温晶体振荡器。本发明的低噪声参考信号发生器产生的100MHz参考信号具有极低的近端从1Hz开始的相位噪声，并通过校准具有非常准的频率准确度和极低的老化率。
Description
技术领域
本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种低噪声参考信号发生器，还涉及一种低噪声参考信号生成方法。
背景技术
现代雷达和无线电通信技术等的发展，各种电子设备对其内部应用或系统测试使用的频率合成器不断提出更高的要求，其中重要的一点就是要有极低的边带相位噪声。多数频率合成器通常都是以一个高稳时基为基准，然后通过各种频率合成技术来实现不同的频率覆盖或达到诸如降低相位噪声、提高频率稳定性和频率分辨率等目的，以满足系统要求，此时参考信号的相位噪声一般就直接决定了最终频率合成器输出的近载波相位噪声。因此低相位噪声参考的产生是高性能频率合成器实现极低相位噪声的关键和前提。
对于比较简单且性能要求不高的频率合成器，一般直接采用晶体振荡器作为低噪声参考信号发生器，就能获得很好的长期频率稳定度和较好的近端相位噪声。但对于复杂的高性能频率合成器，如果其内部会用到多路低噪声参考信号且对每路参考信号的频率、相位噪声等指标要求不同时，就需要采用频率合成技术来产生所需的多路参考信号。目前常用的频率合成方法主要有直接频率合成法和间接频率合成法。
直接频率合成即采用倍频、混频和分频对一个或几个基准频率进行加、减、乘和除的运算，产生所需频率信号的技术方法。直接频率合成按合成方法可分为非相关合成和相关合成两类。非相关合成法是利用多个晶体振荡器，所需的参考频率分别由它们来提供，或者通过它们之间的相互运算来得到。这种方法的缺点是制作相同稳定度和精度的多个晶体参考源既复杂又困难，而且成本很高。相关合成方法是使用一个晶体振荡器，所需的各种参考频率都由它分频、混频或倍频后得到，因而得到的每路参考信号的频率稳定度和精度与参考源相同，缺点是在频率合成时产生的杂散难以抑制，而且要获得比参考频率更高的信号，倍频带来的宽带噪声基底的恶化不容忽视。因此在对相位噪声和杂散指标要求很高时，直接频率合成法是难以满足要求的。
间接频率合成是利用锁相环实现频率合成的技术方法，通常又称为锁相环频率合成。当所需的参考频率比较高，比如几百兆赫兹以上或者更高时，而且对信号的频率稳定度和相位噪声要求较高，特别是对噪声基底也提出要求时，间接频率合成法即锁相环频率合成法即为理想的方法。目前常用的方法是采用1个低频的稳定度好的晶体振荡器，采用锁相频率合成锁定一个高频的振荡器，从而输出具有和低频晶体振荡器同样稳定度的高频信号。而且还可以重复利用锁相环的系统传输特性，即闭环频率特性具有低通性质，误差频率特性具有高通性质，优化利用输入参考信号以及本身压控振荡器输出信号的噪声特性以得到更低噪声更高频率的信号，不仅避免了多次倍频带来的噪声基底恶化问题，而且还可以避免混频倍频产生的杂散。
如图1所示，锁相环频率合成电路包括：鉴相器11、低通滤波器12、压控振荡器13和反馈网络14。锁相环频率合成电路将晶体振荡器的输出信号作为参考输入，鉴相器11把参考输入的相位与压控振荡器13的相位进行比较，输出一个正比于相位差的电压信号加到压控振荡器13上，控制压控振荡器13的频率变化，使其输出信号与参考输入的相位差逐渐减小，最后达到动态锁定。当环路锁定时，压控振荡器13输出信号具有和参考输入同等的频率准确度，更重要的是，可以利用锁相环的系统传输特性，即闭环频率特性具有低通性质，误差频率特性具有高通性质，可优化利用输入参考信号以及本身压控振荡器输出信号的噪声特性以得到更低噪声更高频率的信号，不仅避免了多次倍频带来的噪声基底恶化问题，而且还可以避免混频倍频产生的杂散，具有噪声低，杂散小，结构简单，体积小，易于集成等优点，是直接频率合成所不能比拟的，因此，在低噪声频率合成系统中，优选锁相环频率合成电路作为低噪声参考信号发生电路。
虽然锁相环频率合成电路具有以上的优点，但是目前常用的低噪声参考锁相频率合成电路由于环路本身的附加噪声比较大，而且只采用普通的压控振荡器，因此无法合成出从极近载波(1Hz频偏)开始均具有极低相位噪声的参考信号。
发明内容
本发明提出了一种低噪声参考信号发生器和信号生成方法，解决了现有的低噪声参考锁相频率合成电路环路本身的附加噪声比较大、无法合成出从极近载波(1Hz频偏)开始均具有极低相位噪声的参考信号的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于双恒温晶体振荡器的低噪声参考信号发生器，包括：10MHz恒温晶体振荡器、低噪声倍频电路、双平衡二极管鉴相器、积分低通滤波电路和100MHz恒温晶体振荡器；
所述10MHz恒温晶体振荡器作为参考信号发生器的频率基准，输出10MHz低噪声参考信号；
所述低噪声倍频电路的输入端连接到10MHz恒温晶体振荡器的输出端，将10MHz恒温晶体振荡器输出的10MHz低噪声参考信号倍频到100MHz；
所述双平衡二极管鉴相器将所述低噪声倍频电路输出的倍频信号的相位与所述100MHz恒温晶体振荡器输出信号的相位进行比较；
所述积分低通滤波器连接在所述双平衡二极管鉴相器和所述100MHz恒温晶体振荡器之间，构成二价的锁相环；
所述100MHz恒温晶体振荡器的输出锁定在10MHz恒温晶体振荡器的输出上。
可选地，通过调节所述10MHz晶体振荡器的压控电压来校准频率准确度。
本发明还提供了一种低噪声参考信号生成方法，包括以下步骤：
将10MHz恒温晶体振荡器作为频率基准，输出10MHz低噪声参考信号；
通过低噪声倍频电路将10MHz恒温晶体振荡器输出的10MHz低噪声参考信号倍频到100MHz；
通过双平衡二极管鉴相器将所述低噪声倍频电路输出的倍频信号的相位与100MHz恒温晶体振荡器输出信号的相位进行比较；
将积分低通滤波器连接在所述双平衡二极管鉴相器和所述100MHz恒温晶体振荡器之间，构成二价的锁相环；
将所述100MHz恒温晶体振荡器的输出锁定在10MHz恒温晶体振荡器的输出上。
可选地，通过调节所述10MHz晶体振荡器的压控电压来校准频率准确度。
本发明的有益效果是：基于双恒温晶体振荡器的低噪声参考信号发生器产生的100MHz参考信号具有极低的近端从1Hz开始的相位噪声，并通过校准具有非常准的频率准确度和极低的老化率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的锁相环频率合成电路的控制框图；
图2为本发明的低噪声参考信号发生器的控制框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2所示，本发明的低噪声参考信号发生器包括：10MHz恒温晶体振荡器21、低噪声倍频电路22、双平衡二极管鉴相器23、积分低通滤波电路24和100MHz恒温晶体振荡器25。
10MHz恒温晶体振荡器21作为参考信号发生器的频率基准，具有高频率稳定度、低老化率和极低的近端相位噪声，通过调节10MHz晶体振荡器21的压控电压来校准频率准确度，以达到参考信号的要求；低噪声倍频电路22的输入端连接到10MHz恒温晶体振荡器21的输出端，将10MHz恒温晶体振荡器21输出的10MHz低噪声参考信号倍频到100MHz；双平衡二极管鉴相器23具有低噪声特性，适用于低噪声信号的鉴相，将低噪声倍频电路22输出的倍频信号的相位与100MHz恒温晶体振荡器25输出信号的相位进行比较；积分低通滤波器24连接在双平衡二极管鉴相器23和100MHz恒温晶体振荡器25之间，构成二价的锁相环，使环路锁定更加稳定；100MHz恒温晶体振荡器25的输出锁定在10MHz恒温晶体振荡器21的输出上。
低噪声倍频电路22使10MHz恒温晶体振荡器21输出的10MHz低噪声参考信号倍频到100MHz，倍频过程中几乎没有附加噪声产生。该部分电路是低噪声参考信号发生器输出参考信号具有低噪声的重要部分，是保证10MHz恒温晶体振荡器的极低近端相位噪声无恶化地保持到100MHz恒温晶体振荡器输出的第一步；而且，采用先把低频10MHz倍频到100MHz再鉴相的方法，避免了环路反馈环节如分频器、混频等引入的附加噪声。
100MHz恒温晶体振荡器25具有优于10MHz恒温晶体振荡器21的远端相位噪声，因为10MHz恒温晶振为了追求高稳定度和极低近端相位噪声，远端相位噪声势必不能得到兼顾，这是晶体振荡器的工作原理决定的；再者10MHz晶振振荡器输出信号经过倍频后相位噪声会相应恶化，这是倍频造成的，是不可避免的，所以远端噪声不如100MHz恒温晶体振荡器直接输出的好。本发明的基于双恒温晶体振荡器的低噪声参考信号发生器把100MHz恒温晶体振荡器的输出锁定在10MHz恒温晶体振荡器的输出上，充分优化利用两种不同频率恒温晶体振荡器的相位噪声特性，10MHz恒温压控晶体振荡器的频率稳定度和100Hz频偏以内相位噪声优于100MHz恒温压控晶体振荡器，而100MHz恒温压控晶体振荡器100Hz频偏以远的相位噪声又优于10MHz恒温压控晶体振荡器，因此该低噪声参考信号发生器的输出既获得了恒温时基的频率稳定度和优于100MHz恒温压控晶体振荡器的近载波相位噪声，又获得了优于恒温时基的100Hz以外的边带相位噪声，解决了采用100MHz晶体振荡器直接实现100MHz参考信号输出时的频率稳定度差、近载波相位噪声不好，以及利用10MHz晶体振荡器倍频到100MHz远载波相位噪声差的问题。
在环路设计上，本发明的低噪声参考信号发生器采用把10MHz恒温压控晶体振荡器的输出倍频到100MHz，然后直接与反馈回来的100MHz进行鉴相，减小了通常锁相环频率合成器中反馈部分的除N环节，同时采用双平衡二极管作为鉴相器进一步消除了附加噪声。
本发明的低噪声参考信号发生器输出信号的相位噪声1Hz频偏，-84dBc／Hz；10Hz频偏，-112dBc／Hz；100Hz频偏，-134dBc/Hz；1kHz频偏，-160dBc／Hz；10kHz频偏，-170dBc／Hz，可用于高性能信号发生器、频谱仪、接收机以及其它设备中的低噪本振频率合成器中。
基于上述低噪声参考信号发生器，本发明还提供了一种低噪声参考信号生成方法，包括以下步骤：将10MHz恒温晶体振荡器作为频率基准，输出10MHz低噪声参考信号；通过低噪声倍频电路将10MHz恒温晶体振荡器输出的10MHz低噪声参考信号倍频到100MHz；通过双平衡二极管鉴相器将所述低噪声倍频电路输出的倍频信号的相位与100MHz恒温晶体振荡器输出信号的相位进行比较；将积分低通滤波器连接在所述双平衡二极管鉴相器和所述100MHz恒温晶体振荡器之间，构成二价的锁相环；将所述100MHz恒温晶体振荡器的输出锁定在10MHz恒温晶体振荡器的输出上。
优选地，通过调节10MHz晶体振荡器的压控电压来校准频率准确度。
本发明的低噪声参考信号发生器产生的100MHz参考信号具有极低的近端从1Hz开始的相位噪声，并通过校准具有非常准的频率准确度和极低的老化率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种低噪声参考信号发生器，其特征在于，包括：10MHz恒温晶体振荡器、低噪声倍频电路、双平衡二极管鉴相器、积分低通滤波电路和100MHz恒温晶体振荡器；
所述10MHz恒温晶体振荡器作为参考信号发生器的频率基准，输出10MHz低噪声参考信号；
所述低噪声倍频电路的输入端连接到10MHz恒温晶体振荡器的输出端，将10MHz恒温晶体振荡器输出的10MHz低噪声参考信号倍频到100MHz；
所述双平衡二极管鉴相器将所述低噪声倍频电路输出的倍频信号的相位与所述100MHz恒温晶体振荡器输出信号的相位进行比较；
所述积分低通滤波器连接在所述双平衡二极管鉴相器和所述100MHz恒温晶体振荡器之间，构成二价的锁相环；
所述100MHz恒温晶体振荡器的输出锁定在10MHz恒温晶体振荡器的输出上。
2.如权利要求1所述的低噪声参考信号发生器，其特征在于，通过调节所述10MHz晶体振荡器的压控电压来校准频率准确度。
3.一种低噪声参考信号生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
将10MHz恒温晶体振荡器作为频率基准，输出10MHz低噪声参考信号；
通过低噪声倍频电路将10MHz恒温晶体振荡器输出的10MHz低噪声参考信号倍频到100MHz；
通过双平衡二极管鉴相器将所述低噪声倍频电路输出的倍频信号的相位与100MHz恒温晶体振荡器输出信号的相位进行比较；
将积分低通滤波器连接在所述双平衡二极管鉴相器和所述100MHz恒温晶体振荡器之间，构成二价的锁相环；
将所述100MHz恒温晶体振荡器的输出锁定在10MHz恒温晶体振荡器的输出上。
4.如权利要求3所述的一种低噪声参考信号生成方法，其特征在于，通过调节所述10MHz晶体振荡器的压控电压来校准频率准确度。
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| CN112234986A (zh) * | 2020-09-04 | 2021-01-15 | 上海鸿晔电子科技股份有限公司 | 一种信号源 |
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