CN104135280B - 一种谐波发生加混频的频率源电路 - Google Patents

一种谐波发生加混频的频率源电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种谐波发生加混频的频率源电路，包括晶体振荡器、数字鉴相器、第一滤波器、第二滤波器、环路滤波器、第一放大器、第二放大器、谐波发生器、压控振荡器和混频器。本发明在传统的单环数字频率源电路中加入混频器和谐波发生电路，将混频后的差信号控制在200MHz以内，当差信号反馈到数字鉴相器时，降低了数字鉴相器的分频比，在实现压控振荡器输出频率为晶体振荡器自身振荡频率小数倍的同时其相位噪声指标得到最优化。本发明相比于传统的单环数字锁相电路其相位噪声和杂散性能得到提高；相比于传统的单环取样锁相电路其不需调试、实现频率精度高。所有的电路经过合理的布局设计，可以为星载接收机、发射机提供本振频率源信号。

Description

一种谐波发生加混频的频率源电路
技术领域
本发明涉及一种谐波发生加混频的频率源电路，属于微波电路技术领域。
背景技术
随着卫星技术的不断发展，星载频率源往往要实现压控振荡器输出频率为晶体振荡器自身振荡频率的小数倍频，同时，对该种频率源的相位噪声指标、杂散指标提出了更高的要求。为满足某型号星载频率源的设计要求，开展了与之相关的频率源设计。
频率源广泛的应用在各种卫星通信系统中，它性能的好坏直接影响到整个卫星通信系统性能的好坏。传统的单环数字锁相频率源电路如图1所示，传统的单环取样锁相频率源电路如图2所示。传统的单环数字锁相电路其相位噪声和杂散性能差；传统的单环取样锁相电路其调试难度高、实现频率精度低。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出了一种谐波发生加混频的频率源电路，通过在传统的单环数字锁相电路中加入谐波发生器、混频器、放大器和滤波器，很好的提高了频率源电路的杂散指标和相位噪声指标，解决了现有星载频率源不能小数倍频、相位噪声差、杂散抑制差、调试难度大的问题。
本发明的技术解决方案：一种谐波发生加混频的频率源电路，包括晶体振荡器、数字鉴相器、第一滤波器、第二滤波器、环路滤波器、第一放大器、第二放大器、谐波发生器、压控振荡器、混频器；晶体振荡器通过振荡产生输出两路频率相同、幅度相等的晶体振荡信号，将两路频率相同、幅度相等的晶体振荡信号分别送至数字鉴相器和谐波发生器，谐波发生器将送来的晶体振荡信号进行谐波发生后产生晶体振荡信号的相应谐波送至第二滤波器，第二滤波器将送来的晶体振荡信号的相应谐波进行带通滤波，滤波后得到一个晶体振荡信号的谐波送至混频器；
数字鉴相器将晶体振荡器送来的晶体振荡信号和第二放大器送来的频率差信号进行鉴相，当数字鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、第一放大器、混频器、第一滤波器和第二放大器组成的环路达到锁定后，将锁定的电压送给环路滤波器，环路滤波器将送来的锁定的电压进行积分滤波后产生积分滤波后的锁定电压送至压控振荡器，压控振荡器在积分滤波后的锁定电压控制下，振荡产生两路频率相同、幅度相等的锁定信号一路作为谐波发生加混频的频率源电路的输出，另一路送至第一放大器，将锁定信号功率放大至混频器所需的本振激励电平后，作为混频器所需的本振激励电平的锁定信号送至混频器，混频器将第一放大器送来的锁定信号和第二滤波器送来的一个晶体振荡信号谐波进行下变频混频，再经过第一滤波器进行低通滤波，输出锁定信号和一个晶体振荡信号谐波的频率差信号，送至第二放大器。
所述晶体振荡器通过振荡产生输出两路频率相同、幅度相等的信号，晶体振荡器产生的频率可以是任意频率。
通过改变所述晶体振荡器的振荡输出信号频率，能够改变谐波发生加混频的频率源电路的输出频率。
通过改变所述第二滤波器的频率，滤出晶体振荡信号的不同谐波，能够改变谐波发生加混频的频率源电路的输出频率。
通过改变所述数字鉴相器的分频比，能够改变谐波发生加混频的频率源电路的输出频率。
所述谐波发生器包括第一电容C1、电阻R、第二电容C2、第一电感L1、二极管D、第三电容C3、第二电感L2，晶体振荡器送来的晶体振荡信号进入第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端输出三路，一路连接电阻R的一端，另一路连接第二电容C2的一端，再一路连接第一电感L1的一端，电阻R的另一端传接地，第二电容C2的另一端接地，第一电感L1的另一端一方面连接二极管D的正极，另一方面连接第三电容C3的一端，二极管D的负极接地，第三电容C3的另一端一路传输给第二电感L2的一端，一路作为输入给第二滤波器，第二电感L2的另一端接地。
所述谐波发生器的二极管D为阶跃二极管。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明环路中加入混频器，将混频器输出的频率差信号控制在200MHz以内，当频率差信号反馈到数字鉴相器时，降低了数字鉴相器的分频比，在实现输出频率为晶体振荡器产生信号小数倍的同时其相位噪声指标得到最优化。
(2)本发明谐波发生器产生的信号作为电路中混频器所需的射频激励电平，同时利用混频器本振激励电平端口第一放大器的反向隔离特性，对谐波发生器输出信号产生很强的抑制。
(3)本发明的输出频率可调，可以通过以下几种方式进行改变：改变所述晶体振荡器的振荡输出信号频率；改变第二滤波器的频率，滤出晶体振荡信号的不同谐波；改变所述数字鉴相器的分频比，输出频率的范围更宽。
附图说明
图1是传统的单环数字锁相频率源电路框图；
图2是传统的单环取样锁相频率源电路框图；
图3是本发明提出的频率源电路框图；
图4是本发明中使用的谐波发生器电路框图；
图5是本发明设计思路的频率源电路框图。
具体实施方式
本发明的基本思路为：本发明一种谐波发生加混频的频率源电路，通过在传统的单环数字锁相电路中加入谐波发生器、混频器、放大器和滤波器，很好的提高了频率源电路的杂散指标和相位噪声指标。
下面结合附图对本发明进行详细说明：
附图3给出了本发明一种谐波发生加混频的频率源电路，包括晶体振荡器、数字鉴相器、第一滤波器、第二滤波器、环路滤波器、第一放大器、第二放大器、谐波发生器、压控振荡器、混频器；晶体振荡器通过振荡产生输出两路频率相同、幅度相等的信号，将两路频率相同、幅度相等的晶体振荡信号分别送至数字鉴相器和谐波发生器，谐波发生器将送来的晶体振荡信号进行谐波发生后产生晶体振荡信号的相应谐波送至第二滤波器，第二滤波器将送来的晶体振荡信号的相应谐波进行带通滤波，滤波后得到一个晶体振荡信号的谐波送至混频器；
数字鉴相器将晶体振荡器送来的晶体振荡信号和第二放大器送来的频率差信号进行鉴相，当数字鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、第一放大器、混频器、第一滤波器和第二放大器组成的环路达到锁定后，将锁定的电压送给环路滤波器，环路滤波器将送来的锁定的电压进行积分滤波后产生积分滤波后的锁定电压送至压控振荡器，压控振荡器在积分滤波后的锁定电压控制下，振荡产生两路频率相同、幅度相等的锁定信号一路作为谐波发生加混频的频率源电路的输出，另一路送至第一放大器，将锁定信号功率放大至混频器所需的本振激励电平后，作为混频器所需的本振激励电平的锁定信号送至混频器，混频器将第一放大器送来的锁定信号和第二滤波器送来的一个晶体振荡信号谐波进行下变频混频，再经过第一滤波器进行低通滤波，输出锁定信号和一个晶体振荡信号谐波的频率差信号，送至第二放大器。
本发明的输出频率可以通过以下几种方式进行改变：
(1)改变所述晶体振荡器的振荡输出信号频率；
(2)改变第二滤波器的频率，滤出晶体振荡信号的不同谐波；
(3)改变所述数字鉴相器的分频比。
本发明所产生的频率源信号的各项指标如：温度稳定度、频率稳定度、频率准确度等主要依赖于晶体振荡器的这些指标。
本发明相比于传统的单环取样锁相电路其调试难度低、实现频率精度高。所有的电路经过合理的布局设计，可以为星载接收机、发射机提供本振频率源信号。
附图4给出了谐波发生电路的原理框图，将晶体振荡器送来的晶体振荡信号进入第一电容C1的1脚，C1的2脚输出后分为三路，分别进入电阻R的1脚，第二电容C2的1脚，第一电感L1的1脚。电阻R将自己1脚送来的信号通过2脚传输到地，第二电容C2也将自己1脚送来的信号通过2脚传输到地。第一电感L1将自己1脚送来的信号通过2脚传输给后端二极管D的1脚和第三电容C3的1脚，二极管D将自己1脚送来的信号通过2脚传输到地。第三电容C3将自己1脚送来的信号通过2脚一路传输给第二电感L2的1脚，一路作为输入给根据权利要求1所述第二滤波器，第二电感L2将自己1脚送来的信号通过2脚传输到地。
附图4给出的谐波发生器电路，电路形式简单，可直接产生本发明频率源电路所输出频率最近的低噪声晶体振荡器信号的谐波信号，使混频器产生的差频信号频率最小。谐波发生器电路中的R可调整谐波发生器电路的稳定性，调整C3、L2使谐波发生器电路产生的所需的晶体振荡器谐波信号输出功率最大。
附图5提供了一个星用2.66GHz频率源设计实例。
其中将图3中的环路滤波器用LPF代替，压控振荡器用VCO代替，第一放大器和第二放大器用
Figure BDA0000528017230000053
代替，第一滤波器用
Figure BDA0000528017230000051
代替，第二滤波器用
Figure BDA0000528017230000052
代替，晶体振荡器用
Figure BDA0000528017230000054
代替。混频器用
Figure BDA0000528017230000055
代替。
具体电路实现的指标如下：
压控振荡器VCO最终的输出频率：2.66GHz
晶体振荡器自身振荡产生的频率：100MHz
2.66GHz输出功率：6dBm
2.66GHz对100MHz杂散抑制：-60dBc
2.66GHz相位噪声要求：-100dBc/Hz@1kHz
-110dBc/Hz@10kHz
-120dBc/Hz@100kHz
本发明在实际应用中，晶体振荡器通过振荡产生输出100MHz的两路频率相同、幅度相等的信号，将两路频率相同、幅度相等的100MHz晶体振荡信号分别送至数字鉴相器和谐波发生器，谐波发生器将送来的晶体振荡信号进行谐波发生后产生晶体振荡信号的相应谐波送至第二滤波器
Figure BDA0000528017230000061
，第二滤波器
Figure BDA0000528017230000062
将送来的晶体振荡信号的相应谐波进行带通滤波，滤波后得到一个晶体振荡信号的谐波2.6GHz送至混频器
Figure BDA0000528017230000063
；
数字鉴相器将晶体振荡器送来的100MHz晶体振荡信号和第二放大器送来的60MHz频率差信号进行鉴相，当数字鉴相器、环路滤波器LPF、压控振荡器VCO、第一放大器
Figure BDA0000528017230000064
、混频器
Figure BDA0000528017230000065
、第一滤波器
Figure BDA0000528017230000066
和第二放大器
Figure BDA0000528017230000067
组成的环路达到锁定后，将锁定的电压送给环路滤波器LPF，环路滤波器LPF将送来的锁定的电压进行积分滤波后产生积分滤波后的锁定电压送至压控振荡器VCO，压控振荡器VCO在积分滤波后的锁定电压控制下，振荡产生两路频率相同、幅度相等的2.66GHz锁定信号，一路作为谐波发生加混频的频率源电路的输出，另一路送至第一放大器
Figure BDA0000528017230000068
，将锁定信号功率放大至混频器所需的本振激励电平后，作为混频器所需的本振激励电平的2.66GHz锁定信号送至混频器
Figure BDA0000528017230000069
，混频器
Figure BDA00005280172300000610
将第一放大器
Figure BDA00005280172300000611
送来的2.66GHz锁定信号和第二滤波器
Figure BDA00005280172300000612
送来的一个晶体振荡信号谐波2.6GHz进行下变频混频，再经过第一滤波器
Figure BDA00005280172300000613
进行低通滤波，输出锁定信号和一个晶体振荡信号谐波的频率差信号60MHz，送至第二放大器
Figure BDA00005280172300000614
。
表1给出了本发明实验测试结果和指标要求的比较
表2给出了本发明实验数据和传统单环频率源实验数据的比较
表1本发明实验测试结果和指标要求比较
Figure BDA0000528017230000071
表2本发明实验数据和传统单环频率源电路性能指标比较
Figure BDA0000528017230000072
实验数据表明，与传统的星载单环频率源相比，本方案实现频点的相位噪声在环路带宽以内均比星载单环频率源降低约21dBc/Hz。谐杂波抑制相比于星载单环频率源提高了20.2dBc。
本发明实例中，所用到的部件均采用功能模块。首先采用温补晶体振荡器产生具有高频率稳定度、温度稳定度的100MHz晶体振荡信号，解决了高低温下频率漂移的现象；其次采用了简单的谐波发生电路产生谐波信号，电路结构简单、调试难度低、功耗相比于传统倍频器低、可靠性高。所有的电路经过合理的布局设计，可以为星载接收机、发射机提供本振频率源信号。本发明调试难度低，安全性高，可以很好的应用在星载通信系统中。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (1)

1.一种谐波发生加混频的频率源电路，其特征在于：包括晶体振荡器、数字鉴相器、第一滤波器、第二滤波器、环路滤波器、第一放大器、第二放大器、谐波发生器、压控振荡器、混频器；晶体振荡器通过振荡产生输出两路频率相同、幅度相等的晶体振荡信号，将两路频率相同、幅度相等的晶体振荡信号分别送至数字鉴相器和谐波发生器，谐波发生器将送来的晶体振荡信号进行谐波发生后产生晶体振荡信号的相应谐波送至第二滤波器，第二滤波器将送来的晶体振荡信号的相应谐波进行带通滤波，滤波后得到一个晶体振荡信号的谐波送至混频器；
数字鉴相器将晶体振荡器送来的晶体振荡信号和第二放大器送来的频率差信号进行鉴相，当数字鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、第一放大器、混频器、第一滤波器和第二放大器组成的环路达到锁定后，将锁定的电压送给环路滤波器，环路滤波器将送来的锁定的电压进行积分滤波后产生积分滤波后的锁定电压送至压控振荡器，压控振荡器在积分滤波后的锁定电压控制下，振荡产生两路频率相同、幅度相等的锁定信号一路作为谐波发生加混频的频率源电路的输出，另一路送至第一放大器，将锁定信号功率放大至混频器所需的本振激励电平后，作为混频器所需的本振激励电平的锁定信号送至混频器，混频器将第一放大器送来的锁定信号和第二滤波器送来的一个晶体振荡信号谐波进行下变频混频，再经过第一滤波器进行低通滤波，输出锁定信号和一个晶体振荡信号谐波的频率差信号，送至第二放大器；晶体振荡器通过振荡产生输出两路频率相同、幅度相等的信号；通过改变所述晶体振荡器的振荡输出信号频率，能够改变谐波发生加混频的频率源电路的输出频率；通过改变所述第二滤波器的频率，滤出晶体振荡信号的不同谐波，能够改变谐波发生加混频的频率源电路的输出频率，通过改变所述数字鉴相器的分频比，能够改变谐波发生加混频的频率源电路的输出频率；谐波发生器包括第一电容C1、电阻R、第二电容C2、第一电感L1、二极管D、第三电容C3、第二电感L2，晶体振荡器送来的晶体振荡信号进入第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端输出三路，一路连接电阻R的一端，另一路连接第二电容C2的一端，再一路连接第一电感L1的一端，电阻R的另一端传接地，第二电容C2的另一端接地，第一电感L1的另一端一方面连接二极管D的正极，另一方面连接第三电容C3的一端，二极管D的负极接地，第三电容C3的另一端一路传输给第二电感L2的一端，一路作为输入给第二滤波器，第二电感L2的另一端接地；谐波发生器的二极管D为阶跃二极管；
所述环路中加入混频器，将混频器输出的频率差信号控制在200MHz以内，当频率差信号反馈到数字鉴相器时，降低了数字鉴相器的分频比，在实现输出频率为晶体振荡器产生信号小数倍的同时其相位噪声指标得到最优化；
谐波发生器产生的信号作为电路中混频器所需的射频激励电平，同时利用混频器本振激励电平端口第一放大器的反向隔离特性，对谐波发生器输出信号产生很强的抑制。
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