CN104467835A - 一种具有捷变频和低相噪的频率源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有捷变频和低相噪的频率源，该频率源包括本振信号发生模块、数字频率合成模块、混频模块和微控制单元，微控制单元的信号输出端分别与本振信号发生模块的输入端和数字频率合成模块的输入端连接，本振信号发生模块的输出端和数字频率合成模块的输出端分别与混频模块的输入端连接。该频率源作为倍频链初始阶段的低频源，具有良好的捷变频和低相噪新能。

Description

一种具有捷变频和低相噪的频率源

技术领域

本发明涉及微波和毫米波器件的锁相频率合成技术领域，具体来说，涉及一种具有捷变频和低相噪的频率源。

背景技术

随着卫星通信技术，电子对抗技术，雷达技术等各种毫米波系统的广泛应用，推动了对高频率、高性能的毫米波信号源的需求。在应用过程中，往往要求这些信号源具有捷变频，低相噪，高稳定度的特性。为了满足这些要求，频率源系统一般采用以下的两种方法。

第一种是直接法，即利用微波/毫米波器件直接得到所需频率。例如，利用锁相环与压控振荡器直接得到所需的频率，利用此方法得到的频率源的优点是频率稳定度高、杂散低，缺点是能实现的频率低，变频速度慢。或者使用直接数字频率合成器产生频率信号，优点是变频速度快，缺点是产生的频率低。

第二种是间接法，即首先实现一个低频但高性能的频率源，之后通过倍频链，将低频源倍频到所需的频率。这就对此低频源的性能提出了较高的要求。但现阶段的技术无法完全满足所提出的要求。例如，采用锁相环与压控振荡器构成的频率源作为倍频链的低频源进行倍频，优点是能实现的频率高、杂散低且具有较高频率稳定度，但变频速度慢，频率分辨率低。若采用直接数字频率合成器作为倍频链低频源进行倍频，由于直接数字频率合成器只能产生较低的频率，因此需要更高倍数的倍频，才能达到所需的频率。然而倍频倍数越高，附加的相位噪声越大，频率稳定度同时也会下降。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有捷变频和低相噪的频率源，该频率源作为倍频链初始阶段的低频源，具有良好的捷变频和低相噪新能。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种具有捷变频和低相噪的频率源，该频率源包括本振信号发生模块、数字频率合成模块、混频模块和微控制单元，微控制单元的信号输出端分别与本振信号发生模块的输入端和数字频率合成模块的输入端连接，本振信号发生模块的输出端和数字频率合成模块的输出端分别与混频模块的输入端连接。

进一步，所述的本振信号发生模块包括温补晶振、鉴相器、环路滤波器、表面波压控振荡器、功分器、放大器和分频分路器，温补晶振的输出端与鉴相器的参考输入端连接，鉴相器的输出端与环路滤波器的输入端连接，环路滤波器的输出端与表面波压控振荡器的输入端连接，表面波压控振荡器的输出端与功分器的输入端连接，功分器的第一输出端与放大器的输入端连接，功分器的第二输出端与分频分路器的参考输入端连接，分频分路器的第一输出端与鉴相器的鉴相输入端连接；微控制单元的第一控制信号输出端与鉴相器的控制信号输入端连接，微控制单元的第二控制信号输出端与分频分路器的控制信号输入端连接。 

进一步，所述的数字频率合成模块包括直接数字频率合成器和低通滤波器，直接数字频率合成器的输出端与低通滤波器的输入端连接，微控制单元的第三控制信号输出端与直接数字频率合成器的控制信号输入端连接，分频分路器的第二输出端与直接数字频率合成器的参考信号输入端连接。      进一步，所述的混频模块包括无源混频器和带通滤波器，无源混频器的本振输入端与放大器的输出端连接，无源混频器的中频输入端与低通滤波器的输出端连接，无源混频器的输出端和带通滤波器的输入端连接，带通滤波器的输出端作为频率源的输出端。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1.捷变频。本发明的频率源中，直接数字频率合成器产生的中频信号频率由微控制单元发送的频率控制字所决定。即微控制单元控制直接数字频率合成器，可以使其产生的中频频率迅速改变。由于中频信号可以快速变频，因此经过混频输出信号具有捷变频的特点。所述的频率合成器系统中，由于只有一个锁相环路，相比于多环系统，具有更短的频率锁定时间，进而加快了变频速度。

2.低相噪。本发明的频率源中，本振信号是经过锁相环锁定信号，相位噪声极低。经过混频产生的信号功率相对于本振信号有6dB以上的衰减，输出信号的相位噪声相对于本振信号不会有太大的恶化。若将该频率源用在倍频链的初始端，由于混频得到的频率高于中频频率，从而降低了倍频链的倍数，进而降低了倍频链的附加的相位噪声。

3.低杂散。本发明的频率源中，经过锁相环锁定而产生的本振信号，本身具有极低的杂散。经过混频而引入的杂散经过带通滤波器滤波后，杂散会大大的降低。

4.高稳定度。本发明的频率源中，该频率源系统由具有极高频率稳定度的温补晶振提供参考信号，因此整个系统的频率稳定度也较高。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明提供的实施例的结构框图。

图中有：温补晶振1、鉴相器2、环路滤波器3、表面波压控振荡器4、功分器5、放大器6、无源混频器7、带通滤波器8、分频分路器9、直接数字频率合成器10、低通滤波器11、微控制单元12。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本发明的一种具有捷变频和低相噪的频率源，包括本振信号发生模块、数字频率合成模块、混频模块和微控制单元12。微控制单元12的信号输出端分别与本振信号发生模块的输入端和数字频率合成模块的输入端连接，本振信号发生模块的输出端和数字频率合成模块的输出端分别与混频模块的输入端连接。

进一步，所述的本振信号发生模块包括温补晶振1、鉴相器2、环路滤波器3、表面波压控振荡器4、功分器5、放大器6和分频分路器9，温补晶振1的输出端与鉴相器2的参考输入端连接，鉴相器2的输出端与环路滤波器3的输入端连接，环路滤波器3的输出端与表面波压控振荡器4的输入端连接，表面波压控振荡器4的输出端与功分器5的输入端连接，功分器5的第一输出端与放大器6的输入端连接，功分器5的第二输出端与分频分路器9的参考输入端连接，分频分路器9的第一输出端与鉴相器2的鉴相输入端连接；微控制单元12的第一控制信号输出端与鉴相器2的控制信号输入端连接，微控制单元12的第二控制信号输出端与分频分路器9的控制信号输入端连接。 

进一步，所述的数字频率合成模块包括直接数字频率合成器10和低通滤波器11，直接数字频率合成器10的输出端与低通滤波器11的输入端连接，微控制单元12的第三控制信号输出端与直接数字频率合成器10的控制信号输入端连接，分频分路器9的第二输出端与直接数字频率合成器10的参考信号输入端连    进一步，所述的混频模块包括无源混频器7和带通滤波器8，无源混频器7的本振输入端与放大器6的输出端连接，无源混频器7的中频输入端与低通滤波器11的输出端连接，无源混频器7的输出端和带通滤波器8的输入端连接，带通滤波器8的输出端作为频率源的输出端。

如图1所示，上述结构的频率源的工作过程是：在本振信号发生模块中，温补晶振1输出的稳定、低相噪的点频信号作为鉴相器2的参考信号，与分频分路器9输出的信号Signal A进行鉴相。鉴相器2的输出经过低通环路滤波器3控制表面波压控振荡器4。温补晶振1、鉴相器2、低通环路滤波器3、表面波压控振荡器4、功分器5和分频分路器9构成的锁相环，使得表面波压控振荡器4输出一个低相噪，低杂散的频率信号。经环路锁定的表面波压控振荡器4输出稳定、低相噪的信号，经过功分器5分为两路，其中一路经过放大器6放大后作为本振信号发生模块的本振信号输出；另一路信号作为参考信号输入给分频分路器9。该参考信号是由锁相环锁定的频率信号功分产生的信号，具有低杂散，低相噪的特点。分频分路器9的输出的信号Signal B作为参考信号，输入给直接数字频率合成器10。频率受微控制单元12控制的直接数字频率合成器10产生中频信号，经低通滤波器11滤波后，供无源混频器7使用。直接数字频率合成器10产生的中频信号频率由微控制单元12发送的频率控制字所决定。即微控制单元12控制直接数字频率合成器10，使其产生的中频频率可以迅速改变，从而使其具有捷变频的功能。本振信号发生模块产生的信号作为本振信号，直接数字频率合成器10产生的信号作为中频信号，输入到无源混频器7中进行混频。混频产生的信号功率相对于本振信号有6dB以上的衰减，因此输出信号的相位噪声相对于本振信号不会有太大的恶化；由于中频信号可以快速变频，因此输出信号具有捷变频的特点；输出信号经过带通滤波器8滤波后，信号的杂散会大大的降低，从而使得输出信号具有较低的杂散。微控制单元12通过控制鉴相器2的鉴相频率，分频分路器9的分频比，来扩展该系统的频率适用范围。

本振信号发生模块产生的本振信号，供无源混频器7使用。频率受微控制单元12控制的直接数字频率合成器10产生捷变频的中频信号经低通滤波器11滤波后，供无源混频器7使用。本振信号发生模块中：温补晶振1的输出的稳定、低相噪的点频信号作为鉴相器2的参考信号，与分频分路器9输出的信号Signal A进行鉴相。

高稳定度本振信号发生模块产生的本振信号与直接数字频率合成器产生的中频信号，通过无源混频器进行混频，得到的信号具有与本振信号近似的相位噪声、杂散、频率稳定度，与中频信号近似的较高的变频速度以及较高的频率分辨率。同时，经过混频得到的频率通常高于中频频率，从而降低了倍频链的倍数，进而降低了附加的相位噪声，提高了频率稳定度。

所述的频率源中，由于只有一个由温补晶振1、鉴相器2、低通环路滤波器3、表面波压控振荡器4、功分器5和分频分路器9构成的锁相环路，相比于多环系统，具有更短的频率锁定时间，进而加快了变频速度。

下面提供一具体实施例。

一种具有捷变频和低相噪的频率源，输出频率为1190MHz—1210MHz。如图2所示，该频率源中，温补晶振1输出100MHz高稳定度、低杂散、低相位噪声的参考信号。鉴相器2选取ADI公司的ADF4002。表面波压控振荡器4输出信号的频率为1000MHz。功分器5用三个16.5欧姆的电阻星型连接构成。无源混频器7选取Mini Circuits公司的MCA-35+。分频分路器9选取ADI公司的AD9515。直接数字频率合成器10选取ADI公司的AD9912。微控制单元12选取C8051F330单片机。

温补晶振1的输出端与ADF4002的参考输入端连接，ADF4002的输出端与环路滤波器3的输入端连接，环路滤波器3的输出端与表面波压控振荡器4的输入端连接，表面波压控振荡器4的输出端与功分器5的输入端连接，功分器5的第一输出端与放大器6的输入端连接，功分器5的第二输出端与AD9515的参考输入端连接，AD9515的第一输出端与ADF4002的鉴相输入端连接，AD9515的第二输出端与AD9912的参考信号输入端连接；C8051F330单片机的第一控制信号输出端与ADF4002的控制信号输入端连接，C8051F330单片机的第二控制信号输出端与AD9515的控制信号输入端连接，C8051F330单片机的第三控制信号输出端与AD9912的控制信号输入端连接；AD9912的输出端与低通滤波器11的输入端连接，MCA-35+的本振输入端与放大器6的输出端连接，MCA-35+的中频输入端与低通滤波器11的输出端连接，MCA-35+的输出端和带通滤波器8的输入端连接。

该实施例中，C8051F330单片机通过控制ADF4002的鉴相频率，AD9515的分频比，来扩展该系统的频率适用范围。100MHz温补晶振， ADF4002，环路滤波器，1000MHz表面波压控振荡器，功分器，放大器，AD9515，构成本振信号发生模块。该模块产生的本振信号供无源混频器MCA-35+使用。频率受C8051F330单片机控制的AD9912产生捷变频的中频信号经、过低通滤波器滤波后，供无源混频器MCA-35+使用。所述的中频信号频率范围为190MHz~210MHz，具有捷变频、较高的频率分辨率。

在本振信号发生模块中，100MHz温补晶振输出的稳定、低相噪的点频信号作为ADF4002的参考信号，与AD9515输出的信号Signal A进行鉴相。所述的Signal A为AD9515的参考信号10分频后得到的信号。ADF4002的输出经过低通环路滤波器滤波后控制表面波压控振荡器，使其输出低相噪、地杂散、高稳定度的1000MHz点频信号。经环路锁定的表面波压控振荡器输出稳定、低相噪的信号，经过功分器分为两路，其中一路经过放大器放大后作为本振信号发生模块的本振信号输出。功分器输出的另一路信号作为参考信号输入给AD9515。AD9515输出的信号Signal B作为参考信号，输入给直接数字频率合成器（10）。所述的Signal B为AD9515对其参考信号分路得到的信号，频率为1000MHz。C8051F330单片机通过控制ADF4002的鉴相频率，AD9515的分频比，AD9912的输出频率来扩展该系统的频率适用范围。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种具有捷变频和低相噪的频率源，其特征在于，该频率源包括本振信号发生模块、数字频率合成模块、混频模块和微控制单元（12），微控制单元（12）的信号输出端分别与本振信号发生模块的输入端和数字频率合成模块的输入端连接，本振信号发生模块的输出端和数字频率合成模块的输出端分别与混频模块的输入端连接。

2.按照权利要求1所述的具有捷变频和低相噪的频率源，其特征在于，所述的本振信号发生模块包括温补晶振（1）、鉴相器（2）、环路滤波器（3）、表面波压控振荡器（4）、功分器（5）、放大器（6）和分频分路器（9），温补晶振（1）的输出端与鉴相器（2）的参考输入端连接，鉴相器（2）的输出端与环路滤波器（3）的输入端连接，环路滤波器（3）的输出端与表面波压控振荡器（4）的输入端连接，表面波压控振荡器（4）的输出端与功分器（5）的输入端连接，功分器（5）的第一输出端与放大器（6）的输入端连接，功分器（5）的第二输出端与分频分路器（9）的参考输入端连接，分频分路器（9）的第一输出端与鉴相器（2）的鉴相输入端连接；微控制单元（12）的第一控制信号输出端与鉴相器（2）的控制信号输入端连接，微控制单元（12）的第二控制信号输出端与分频分路器（9）的控制信号输入端连接。

3.按照权利要求2所述的具有捷变频和低相噪的频率源，其特征在于，所述的数字频率合成模块包括直接数字频率合成器（10）和低通滤波器（11），直接数字频率合成器（10）的输出端与低通滤波器（11）的输入端连接，微控制单元（12）的第三控制信号输出端与直接数字频率合成器（10）的控制信号输入端连接，分频分路器（9）的第二输出端与直接数字频率合成器（10）的参考信号输入端连接。

4.按照权利要求3所述的具有捷变频和低相噪的频率源，其特征在于，所述的混频模块包括无源混频器（7）和带通滤波器（8），无源混频器（7）的本振输入端与放大器（6）的输出端连接，无源混频器（7）的中频输入端与低通滤波器（11）的输出端连接，无源混频器（7）的输出端和带通滤波器（8）的输入端连接，带通滤波器（8）的输出端作为频率源的输出端。