CN104917521A - 一种新型小步进低相噪频率合成系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于频率合成技术领域，提供一种新型小步进低相噪频率合成系统，包括参考频率锁相环模块、DDS频率步进合成模块和射频输出锁相环模块；本发明是一种先进的复合体制频率合成技术，结合了锁相频率合成技术和直接数字频率合成技术，扬长避短，使低杂散、高速频率切换频率合成系统整体实现了极小频率步进和低相位噪声功能。最显著的效果是：在高频率输出条件，保证一定的杂散电平控制指标的前提下，同时实现了极低相位噪声和极小频率步进，同时，由于设计方案简单合理，易于实现工程化生产。

Description

一种新型小步进低相噪频率合成系统

技术领域

本发明属于频率合成技术，具体的说是一种新型小步进低相噪频率合成系统。

背景技术

现有主流小步进频率合成技术，一般使用直接数字频率合成系统(DDS)实现频率小步进的要求，但在实际应用环境中，如果使用DDS芯片直接输出较高的频率，为保证频率信号质量，需要为DDS提供一个低噪声高质量高频率的参考时钟，受到此种苛刻条件的影响，一般很少在输出高频情况下，使用单一DDS芯片来设计频率源。

在传统设计中，实现较高频率输出，频率源常用的方法是锁相环(PLL)倍频频率合成法，但若要提高PLL电路的分辨率，实现小步进输出的要求，则要提高锁相环的分频系数，相位比较频率就会相应降低，锁相环的响应速度也会变慢，此外环增益会随着分辨率的增高而下降，使输出波形的纯正度恶化，难以保证输出频率低相噪的要求；因此单一使用PLL技术虽然保证了频率源较高的输出频率，但却很难实现高质量的小步进频率源。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术不足，提供一种新型小步进低相噪频率合成系统；该系统结合了锁相频率合成技术和直接数字频率合成技术，扬长避短，实现小步进高频率输出的同时，保证输出频率的低相位噪声和低杂散。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种新型小步进低相噪频率合成系统，包括参考频率锁相环模块、DDS频率步进合成模块、射频输出锁相环模块；

所述参考频率锁相环模块包含第一鉴相器、第一环路滤波器、第一压控振荡器、第一电阻衰减器、第二电阻衰减器、第一放大器、第一带通滤波器，其中，第一鉴相器接收系统外部提供的低频参考源信号、输出端经第一环路滤波器控制第一压控振荡器，所述第一压控振荡器一路输出信号经第二电阻衰减器送入第一鉴相器的反馈端口、从而形成闭环回路，所述第一压控振荡器另一路输出信号依次经过第一电阻衰减器，第一放大器，第一带通滤波器处理后，输出DDS频率步进合成模块所需频率和功率的参考源信号；

所述DDS频率步进合成模块包含用于实现直接数字频率合成的DDS芯片、第一变压器、第二变压器、第一低通滤波器、第三电阻衰减器、第二带通滤波器，所述参考频率锁相环模块输出的参考源信号通过第一变压器后输入DDS芯片，DDS芯片输出小步进频率参考源，其输出端连接第二变压器，第二变压器的输出信号依次经过第一低通滤波器、第三电阻衰减器和第二带通滤波器处理后送入所述射频输出锁相环模块；

所述射频输出锁相环模块包含第二鉴相器、第二环路滤波器、第二压控振荡器、第四电阻衰减器、第五电阻衰减器、第二放大器、第三带通滤波器，其中，第二鉴相器接收DDS频率步进合成模块输出小步进参考源信号、输出端经第二环路滤波器控制所述第二压控振荡器，所述第二压控振荡器一路输出信号经第五电阻衰减器送入第二鉴相器的反馈端口、从而形成闭环回路，所述第二压控振荡器另一路输出信号依次经过第四电阻衰减器、第二放大器、第三带通滤波器处理后输出所需的射频信号。

进一步的，所述小步进低相噪频率合成系统接收外部提供的10MHz参考信号，经参考频率锁相环模块处理后，为DDS频率步进合成模块提供频率为1GHz的高质量高频参考时钟，再将DDS频率步进合成模块输出的频率小步进信号作为射频输出锁相环模块的参考频率，最终通过射频输出锁相环模块输出所需频率1900MHz-2000MHz，输出频率步进为0.0005Hz。

优选的，所述参考频率锁相环模块中第一电阻衰减器和第二电阻衰减均采用π型电阻衰减电路，第一带通滤波器采用π型高低通组合滤波电路。

优选的，所述DDS频率步进合成模块中第三电阻衰减器采用π型电阻衰减电路，第二带通滤波器采用π型高低通组合滤波电路。

优选的，所述射频输出锁相环模块中第四电阻衰减器和第五电阻衰减器均采用π型电阻衰减电路，第三带通滤波器采用π型高低通组合滤波电路。

本发明提供一种新型小步进低相噪频率合成系统，该系统在宽频带输出条件下，保证了较低的杂散电平和极高的频率切换速度，实现了极小的频率步进和极低相位噪声；同时，该系统电路设计合理，调试步骤简单，易于实现工程化生产。

附图说明

图1为本发明新型小步进低相噪频率合成系统的电路原理框图；

图2为图1中第一鉴相器到第一压控振荡器之间的电路原理图；

图3为图1中第一电阻衰减器到第一带通滤波器之间的电路原理图；

图4为图1中第一变压器到第三电阻衰减器之间的电路原理图；

图5为图1中第二带通滤波器的电路原理图；

图6为图1中第二鉴相器到第二压控振荡器之间的电路原理图；

图7为图1中第四电阻衰减器到第三带通滤波器之间的电路原理图；

图8为DDS芯片的管脚分布图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

如图1所示为本实施例提供新型小步进低相噪频率合成系统，设置有参考频率锁相环模块1、DDS频率步进合成模块2和射频输出锁相环模块3；

所述参考频率锁相环模块1电路包含组成锁相环的第一鉴相器芯片101，该鉴相器芯片101的电荷泵输出引脚通过第一环路滤波器102，连接到第一压控振荡器103上，该压控振荡器103输出的一路信号经过第二电阻衰减器107，送入第一鉴相器101的反馈端，从而形成闭环回路；第一压控振荡器103输出的另一路信号经过第一电阻衰减器104和第一放大器105，通过第一带通滤波器106处理后，为DDS频率步进合成模块2提供所需频率和功率的参考源信号；

所述DDS频率步进合成模块2包含用于实现直接数字频率合成的DDS芯片202，该DDS芯片202经过第一变压器201接收所述参考频率锁相环模块输出的参考源信号并输出小步进频率参考源，该DDS芯片的输出端连接有第二变压器203，第二变压器203的输出信号依次经过第一低通滤波器204和第三电阻衰减器205输出，送入到第二带通滤波器206中，处理后送到所述的射频输出锁相环模块3中；

所述射频输出锁相环模块3包含第二鉴相器301，第二环路滤波器302，第二压控振荡器303，第四电阻衰减器304，第五电阻衰减器307，第二放大器305，第三带通滤波器306；其中第二鉴相器301接收所述DDS频率步进合成模块2输出的小数步进频率参考源信号，该鉴相器301的电荷泵输出端连接第二环路滤波器302控制第二压控振荡器303，该压控振荡器303输出的一路信号经过第五电阻衰减器307，送入所述第二鉴相器301的反馈端，从而形成闭环回路；第二压控振荡器303输出的另一路信号依次经过第四电阻衰减器304和第二放大器305送入所述第三带通滤波器306处理后输出所需的射频信号。

如图2所示，在本实施例中，所述第一鉴相器101的型号为AD4106，第一压控振荡器103的型号为ROS-1012-1PH19+，通过上述主要电路元件构建成参考频率锁相环模块，第一鉴相器101接收系统外部提供合适功率的10MHz参考信号，输出频率为1GHz的信号，为DDS频率步进合成模块提供参考时钟；这种方式解决了为使DDS芯片输出较高频率需提供一高频率高质量外部参考时钟的问题。

如图3所示，第一电阻衰减器104采用π型电阻衰减电路，第一放大器105型号为ERA-3sm，第一带通滤波器106采用π型高低通组合滤波电路；第一压控振荡器103输出的频率信号经过第一电阻衰减器104和第一放大器105处理后，调节到合适的功率，第一带通滤波器106用来滤除参考信号中由于放大器非线性效应和压控振荡器引入的杂散信号；经链路处理后，为DDS频率步进合成模块提供满足功率需求和纯净度需求的参考时钟信号。

如图4所示，DDS芯片202采用型号为AD9912，第一变压器201采用型号为LTC1-1，第二变压器203采用型号为ETC-1-13，第一低通滤波器204采用型号为LFCN-180+，第三电阻衰减器205采用型号为π型电阻衰减电路；集成DDS芯片202输出的小步进频率信号，为了控制信号相位偏移量在可接受范围内，添加第二变压器203，同时为了优化信号的杂散电平，使用低通滤波器204对参考信号远端进行滤波，经过第三电阻衰减器205处理，将信号功率调整到适合射频输出锁相环模块的功率范围。

如图5所示，第二带通滤波器206采用π型高低通组合滤波电路，用来滤除信号中由于DDS芯片引入的杂散信号；

如图6所示，第二鉴相器301的型号为AD4106，第二压控振荡器303的型号为ROS-2045-219+，针对锁相环电路部分而言，因其参考源是由DDS频率步进合成模块提供的小步进信号，所以通过DDS的小步进变换来实现最终射频信号的小步进，这种方式对锁相环环路滤波器的带宽要求也很低；通过上述电路元件构建成的锁相环电路，其输出的信号频率范围为1900MHz-2000MHz，输出频率步进为0.0005Hz。

如图7所示，第四电阻衰减器304采用π型电阻衰减电路，第二放大器305型号为ERA-3sm，第三带通滤波器306采用π型高低通组合滤波电路；第二压控振荡器303输出的频率信号经过第四电阻衰减器304和第二放大器305处理后，调节到合适的功率，第三带通滤波器306用来滤除输出信号中由于放大器非线性效应和压控振荡器引入的杂散信号；经链路处理后输出所需功率的频率信号。

整个电路的控制部分采用高性能FPGA，加上良好的电磁兼容性设计，使产品在相位噪声、杂散电平控制、频率切换时间等关键技术指标上均达到了预期的技术要求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (5)

1.一种新型小步进低相噪频率合成系统，包括参考频率锁相环模块、DDS频率步进合成模块、射频输出锁相环模块；

所述参考频率锁相环模块包含第一鉴相器、第一环路滤波器、第一压控振荡器、第一电阻衰减器、第二电阻衰减器、第一放大器、第一带通滤波器，其中，第一鉴相器接收系统外部提供的低频参考源信号、输出端经第一环路滤波器控制第一压控振荡器，所述第一压控振荡器一路输出信号经第二电阻衰减器送入第一鉴相器的反馈端口、从而形成闭环回路，所述第一压控振荡器另一路输出信号依次经过第一电阻衰减器，第一放大器，第一带通滤波器处理后，输出DDS频率步进合成模块所需频率和功率的参考源信号；

所述DDS频率步进合成模块包含用于实现直接数字频率合成的DDS芯片、第一变压器、第二变压器、第一低通滤波器、第三电阻衰减器、第二带通滤波器，所述参考频率锁相环模块输出的参考源信号通过第一变压器后输入DDS芯片，DDS芯片输出小步进频率参考源，其输出端连接第二变压器，第二变压器的输出信号依次经过第一低通滤波器、第三电阻衰减器和第二带通滤波器处理后送入所述射频输出锁相环模块；

所述射频输出锁相环模块包含第二鉴相器、第二环路滤波器、第二压控振荡器、第四电阻衰减器、第五电阻衰减器、第二放大器、第三带通滤波器，其中，第二鉴相器接收DDS频率步进合成模块输出小步进参考源信号、输出端经第二环路滤波器控制所述第二压控振荡器，所述第二压控振荡器一路输出信号经第五电阻衰减器送入第二鉴相器的反馈端口、从而形成闭环回路，所述第二压控振荡器另一路输出信号依次经过第四电阻衰减器、第二放大器、第三带通滤波器处理后输出所需的射频信号。

2.按权利要求1所述新型小步进低相噪频率合成系统，其特征在于，所述小步进低相噪频率合成系统接收外部提供的10MHz参考信号，经参考频率锁相环模块处理后，为DDS频率步进合成模块提供频率为1GHz的高质量高频参考时钟，再将DDS频率步进合成模块输出的频率小步进信号作为射频输出锁相环模块的参考频率，最终通过射频输出锁相环模块输出所需频率1900MHz-2000MHz，输出频率步进为0.0005Hz。

3.按权利要求1所述新型小步进低相噪频率合成系统，其特征在于，所述参考频率锁相环模块中第一电阻衰减器和第二电阻衰减均采用π型电阻衰减电路，第一带通滤波器采用π型高低通组合滤波电路。

4.按权利要求1所述新型小步进低相噪频率合成系统，其特征在于，所述DDS频率步进合成模块中第三电阻衰减器采用π型电阻衰减电路，第二带通滤波器采用π型高低通组合滤波电路。

5.按权利要求1所述新型小步进低相噪频率合成系统，其特征在于，所述射频输出锁相环模块中第四电阻衰减器和第五电阻衰减器均采用π型电阻衰减电路，第三带通滤波器采用π型高低通组合滤波电路。