CN104333378B - 一种快速锁相低噪声信号发生器及信号发生方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种快速锁相低噪声信号发生器，包括：低噪声参考信号、鉴相器、窄带积分器、宽带积分器、比例加法器、压控振荡器和反馈网络；所述压控振荡器的输出信号经过反馈网络与参考信号输入鉴相器中鉴相，鉴相器的输出信号一路送到窄带积分器，另一路送到宽带积分器，比例加法器将窄带积分器和宽带积分器输出的电压比例相加产生压控振荡器的压控电压。本发明采用两个不同带宽的积分器，构成了两个不同的环路带宽，大的环路带宽提高了锁相速度，环路最终锁定在小带宽上，同时实现了小带宽与快速锁两个在锁相环上相互制约的特性。

Description

一种快速锁相低噪声信号发生器及信号发生方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种快速锁相低噪声信号发生器，还涉及一种快速锁相低噪声信号发生方法。

背景技术

随着现代雷达和无线电通信等技术的发展，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，不仅要有极低的边带相位噪声，而且对锁相时间的要求也越来越高。

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方法。直接合成法存在许多缺点，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。间接频率合成是利用锁相环实现频率合成，通常又称为锁相环频率合成。

如图1所示，锁相环频率合成的信号发生器主要由参考信号、鉴相器、积分器、压控振荡器和反馈网络组成，其基本工作原理是：压控振荡器输出一个与标定频率非常接近的信号，该信号经过反馈网络的整数分频、小数分频或其他变频后得到与参考信号频率接近的信号，该信号与参考信号输入鉴相器中鉴相。由于进入鉴相器的两个信号的频率相差不大，误差电压经过积分器后能够使压控振荡器锁定。

目前采用锁相环频率合成的信号发生器按环路带宽可分为窄带和宽带两种。窄带信号发生器容易做到低相位噪声，而宽带信号发生器容易做到更快的锁相速度。

当信号发生器对相位噪声要求非常高而且主要利用压控振荡器低噪声特性时，需要使用锁相环带宽较窄的信号发生器。信号发生器的积分器选用窄带积分器，使用低噪声运算放大器，保证了锁相环路不会对合成信号的相位噪声产生恶化。但是窄带锁相环的环路锁定时间比宽带的长，因为无论是单纯鉴相锁相环还是鉴频鉴相锁相环，窄带锁相环的快捕带都要小于宽带锁相环的快捕带，频率牵引时间长。

当信号发生器对环路的锁定时间要求非常高时，就需要使用锁相环带宽较宽的信号发生器。信号发生器的积分器选用宽带积分器，使用宽带运算放大器，保证了锁相环路具有较宽的带宽。宽带锁相环的快捕带也很宽，在同样的压控振荡器预置频率时，频率牵引的过程比窄带锁相环短，所以锁相时间短。但是宽带运算放大器的相位噪声没有窄带的低，而且由于带宽较宽，信号带内噪声取决于参考信号，无法发挥压控振荡器的低噪声特性。

现有的两种带宽的频率合成技术，都有不可避免的缺点：

(1)采用窄带积分器的频率合成技术，由于频率牵引过程长无法实现快速锁相，不能满足信号发生器快速锁相的要求；

(2)采用宽带积分器的频率合成技术，由于宽带运算放大器低噪声特性差，无法满足信号发生器的低噪声要求，尤其是带内压控振荡器的噪声优于参考信号时，无法发挥压控振荡器低噪声特性。

发明内容

本发明提出一种快速锁相低噪声信号发生器及信号发生方法，解决了现有频率合成技术中无法将快速锁相和低噪声要求兼顾的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种快速锁相低噪声信号发生器，包括：低噪声参考信号、鉴相器、窄带积分器、宽带积分器、比例加法器、压控振荡器和反馈网络；

所述压控振荡器的输出信号经过反馈网络与参考信号输入鉴相器中鉴相，鉴相器的输出信号一路送到窄带积分器，另一路送到宽带积分器，比例加法器将窄带积分器和宽带积分器输出的电压比例相加产生压控振荡器的压控电压。

可选地，所述比例加法器设置窄带积分器和宽带积分器输出信号的比例系数，宽带积分器输出电压的系数较高，窄带积分器输出电压的系数较低。

可选地，所述窄带积分器输出电压的系数与宽带积分器输出电压的系数比例为1∶5～10。

基于上述信号发生电路，本发明还提供了一种快速锁相低噪声信号发生方法，包括以下步骤：

首先，压控振荡器被预置到一个新的频率点；

接下来，压控振荡器输出信号经过反馈网络的整数分频、小数分频或变频后与参考信号输入鉴相器中鉴相；

然后，通过宽带积分器和窄带积分器分别对鉴相器输出信号进行积分；

最后，所述宽带积分器和窄带积分器输出的积分电压进入比例加法器，比例加法器将窄带积分器和宽带积分器输出的电压比例相加产生压控振荡器的压控电压。

可选地，所述宽带积分器输出电压比例系数大，窄带积分器输出电压比例系数小。

可选地，所述窄带积分器输出电压的系数与宽带积分器输出电压的系数比例为1∶5～10。

本发明的有益效果是：

采用两个不同带宽的积分器，构成了两个不同的环路带宽，大的环路带宽提高了锁相速度，环路最终锁定在小带宽上，同时实现了快速锁相和低噪声特性。

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信号发生器的原理框图；

图2为本发明的快速锁相低噪声信号发生器的原理框图。

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。

本发明提出了一种基于双积分器的快速锁相低噪声信号发生器，该信号发生器的基本原理是利用两个积分器实现锁相环的快速锁相和低噪声特性。

如图2所示，本发明的快速锁相低噪声信号发生器包括：低噪声参考信号、鉴相器、窄带积分器、宽带积分器、比例加法器、压控振荡器和反馈网络。

压控振荡器输出一个与标定频率非常接近的信号，该信号经过反馈网络的整数分频、小数分频或其他变频后得到与参考信号频率接近的信号，该信号与参考信号输入鉴相器中鉴相。鉴相器的输出信号一路送到窄带积分器，另一路送到宽带积分器，比例加法器将窄带积分器和宽带积分器输出的电压按照一定比例相加产生压控振荡器的压控电压。

本发明快速锁相低噪声信号发生器的基本原理是利用窄带积分器的低噪声特性和宽带积分器的快速锁相特性，通过比例加法器将两个积分器输出的电压按照一定比例相加产生压控振荡器VCO的压控电压，实现了一种即具有窄带低噪声特性又能快速锁相的锁相环频率合成信号发生器。

在本发明的信号发生器中，宽带积分器使用了高速的宽带运算放大器，保证了锁相环路具有很宽的带宽，也就有了很宽的快捕带，减少了频率牵引时间，使环路能够快速锁定。窄带积分器使用了低噪声的运算放大器，虽然速度不高，锁相环路带宽较窄，却保证了带内参考信号噪声不恶化，在带外充分发挥了压控振荡器的低噪声特性，实现了能够快速锁相的窄带低噪声信号发生器。

本发明的信号发生器在比例加法器设置窄带积分器和宽带积分器输出信号的比例系数，根据需要，优选地，快速锁相积分器即宽带积分器输出电压的系数较高，而低噪声积分器即窄带积分器输出电压的系数较低，这样设置更易于实现两个不同的环路带宽，优选地，窄带积分器输出电压的系数与宽带积分器输出电压的系数比例为1∶5～10。

由于低噪声积分器的带宽小于快速锁相积分器的带宽，当低噪声积分器实现锁相时，快速锁相积分器保持在锁相状态，不用通过开关关闭，而且环路带宽和噪声由带宽较窄的低噪声积分器决定。

下面对本发明的信号发生器的工作原理进行详细说明：

首先，压控振荡器被预置到一个新的频率点时，环路处于未锁定状态，压控振荡器输出信号的频率与目标频率具有一定的频率差。对于具有鉴频功能的锁相环电路，频率差可以较大，首先启动鉴频功能将频率差减小，之后进入鉴相功能产生的频率牵引过程。对于只有鉴相功能的锁相环电路，预置的频率差不能太大，要能够直接进入鉴相功能产生的频率牵引过程。

其次，频率牵引使压控振荡器输出频率与锁相目标频率的差进一步减小。宽带积分器和窄带积分器输出的积分电压进入比例加法器，宽带积分器输出的积分电压比例系数大而窄带积分电器的小，这样窄带积分器输出电压的变化对压控振荡器输出频率的影响小而宽带积分器输出电压的变化影响大。环路首先达到宽带积分器决定的环路带宽的快捕带，环路迅速锁定于带宽积分器决定的环路带宽。

最后，环路锁定在宽带积分器的环路带宽时，鉴相器输出的误差信号的频率小于宽带积分器的环路带宽，即误差信号为环路带宽内信号，对于宽带积分器，环路处于稳定状态，积分器输出电压稳定，所以此时窄带积分器输出的电压开始对压控振荡器的频率起主要作用。对于窄带积分器，环路刚好进入快捕带，锁相环路会被进一步缩小带宽，直到锁定于窄带积分器的环路带宽。

本发明的快速锁相低噪声信号发生器可用于信号发生器、频谱仪、接收机以及其它设备中的低噪本振频率合成器。

基于上述快速锁相低噪声信号发生器，本发明还提供了一种快速锁相低噪声信号发生方法，包括以下步骤：

首先，压控振荡器被预置到一个新的频率点。此时，环路处于未锁定状态，压控振荡器输出信号的频率与目标频率具有一定的频率差。

接下来，压控振荡器输出信号经过反馈网络的整数分频、小数分频或其他变频后与参考信号输入鉴相器中鉴相。

对于具有鉴频功能的锁相环电路，频率差可以较大，首先启动鉴频功能将频率差减小，之后进入鉴相功能产生的频率牵引过程。对于只有鉴相功能的锁相环电路，预置的频率差不能太大，要能够直接进入鉴相功能产生的频率牵引过程。频率牵引使压控振荡器输出频率与锁相目标频率的差进一步减小。

然后，通过宽带积分器和窄带积分器分别对鉴相器输出信号进行积分。

最后，上述宽带积分器和窄带积分器输出的积分电压进入比例加法器，比例加法器将窄带积分器和宽带积分器输出的电压按照一定比例相加产生压控振荡器的压控电压。

优选地，宽带积分器输出的积分电压比例系数大而窄带积分电器的比例系数小，这样窄带积分器输出电压的变化对压控振荡器输出频率的影响小而宽带积分器输出电压的变化影响大。环路首先达到宽带积分器决定的环路带宽的快捕带，环路迅速锁定于带宽积分器决定的环路带宽。环路锁定在宽带积分器的环路带宽时，鉴相器输出的误差信号的频率小于宽带积分器的环路带宽，即误差信号为环路带宽内信号，对于宽带积分器，环路处于稳定状态，积分器输出电压稳定，所以此时窄带积分器输出的电压开始对压控振荡器的频率起主要作用。对于窄带积分器，环路刚好进入快捕带，锁相环路会被进一步缩小带宽，直到锁定于窄带积分器的环路带宽。

优选地，窄带积分器输出电压的系数与宽带积分器输出电压的系数比例为1∶5～10。

本发明的快速锁相低噪声信号发生器及信号发生方法，采用两个不同带宽的积分器，构成了两个不同的环路带宽，大的环路带宽提高了锁相速度，环路最终锁定在小带宽上，同时实现了小带宽与快速锁两个在锁相环上相互制约的特性。

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)

1.一种快速锁相低噪声信号发生器，其特征在于，包括：低噪声参考信号、鉴相器、窄带积分器、宽带积分器、比例加法器、压控振荡器和反馈网络；

所述压控振荡器的输出信号经过反馈网络与参考信号输入鉴相器中鉴相，鉴相器的输出信号一路送到窄带积分器，另一路送到宽带积分器，比例加法器将窄带积分器和宽带积分器输出的电压比例相加产生压控振荡器的压控电压；

所述比例加法器设置窄带积分器和宽带积分器输出信号的比例系数，宽带积分器输出电压的系数较高，窄带积分器输出电压的系数较低；

首先，压控振荡器被预置到一个新的频率点时，环路处于未锁定状态，压控振荡器输出信号的频率与目标频率具有一定的频率差，启动鉴频功能将频率差减小，之后进入鉴相功能产生的频率牵引过程；

其次，频率牵引使压控振荡器输出频率与锁相目标频率的差进一步减小，宽带积分器和窄带积分器输出的积分电压进入比例加法器，宽带积分器输出的积分电压比例系数大而窄带积分器的小，这样窄带积分器输出电压的变化对压控振荡器输出频率的影响小而宽带积分器输出电压的变化影响大；环路首先达到宽带积分器决定的环路带宽的快捕带，环路迅速锁定于带宽积分器决定的环路带宽；

最后，环路锁定在宽带积分器的环路带宽时，鉴相器输出的误差信号的频率小于宽带积分器的环路带宽，误差信号为环路带宽内信号，对于宽带积分器，环路处于稳定状态，积分器输出电压稳定，所以此时窄带积分器输出的电压开始对压控振荡器的频率起主要作用；对于窄带积分器，环路刚好进入快捕带，锁相环路会被进一步缩小带宽，直到锁定于窄带积分器的环路带宽。

2.如权利要求1所述的快速锁相低噪声信号发生器，其特征在于，所述窄带积分器输出电压的系数与宽带积分器输出电压的系数比例为1∶5～10。

3.一种快速锁相低噪声信号发生方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先，压控振荡器被预置到一个新的频率点；

接下来，压控振荡器输出信号经过反馈网络的变频后与参考信号输入鉴相器中鉴相；

然后，通过宽带积分器和窄带积分器分别对鉴相器输出信号进行积分；

最后，所述宽带积分器和窄带积分器输出的积分电压进入比例加法器，比例加法器将窄带积分器和宽带积分器输出的电压比例相加产生压控振荡器的压控电压；

当压控振荡器被预置到一个新的频率点时，环路处于未锁定状态，压控振荡器输出信号的频率与目标频率具有一定的频率差，启动鉴频功能将频率差减小，之后进入鉴相功能产生的频率牵引过程；

频率牵引使压控振荡器输出频率与锁相目标频率的差进一步减小，宽带积分器和窄带积分器输出的积分电压进入比例加法器，宽带积分器输出的积分电压比例系数大而窄带积分器的小，这样窄带积分器输出电压的变化对压控振荡器输出频率的影响小而宽带积分器输出电压的变化影响大；环路首先达到宽带积分器决定的环路带宽的快捕带，环路迅速锁定于带宽积分器决定的环路带宽；

环路锁定在宽带积分器的环路带宽时，鉴相器输出的误差信号的频率小于宽带积分器的环路带宽，误差信号为环路带宽内信号，对于宽带积分器，环路处于稳定状态，积分器输出电压稳定，所以此时窄带积分器输出的电压开始对压控振荡器的频率起主要作用；对于窄带积分器，环路刚好进入快捕带，锁相环路会被进一步缩小带宽，直到锁定于窄带积分器的环路带宽。

4.如权利要求3所述的快速锁相低噪声信号发生方法，其特征在于，所述窄带积分器输出电压的系数与宽带积分器输出电压的系数比例为1∶5～10。