CN105049035A - 一种多模式小型化低相噪宽带点频合成电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种多模式小型化低相噪宽带点频合成电路，包括：射频放大器、功分器、低通滤波器、鉴相器、开关电路、第一环路滤波器、第二环路滤波器、压控振荡器、耦合器、射频放大器、带通滤波器、可编程分频器、可编程逻辑控制器、接口电路和电源转换模块。本发明实现了通过SPI控制固定宽带3.5GHz～6GHz内最小1MHz步进的频点输出，作为单个频点零控制输出，开关模式下通过开关切换最多实现8种不同频点的输出，同时在4.8GHz处相位噪声指标达到-110dBc/Hz10kHz，非谐波杂散指标达-75dBc，而且模块体积仅为60mm×65mm×15mm。

Description

一种多模式小型化低相噪宽带点频合成电路及方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种宽带点频合成电路，还涉及一种宽带点频合成方法。

背景技术

伴随测量仪器的多样化，对各种点频源的需求越来越多。人们在追求点频源种类的同时，也对点频源的输出频率、相位噪声、非谐波杂散、功耗、体积以及成本提出了更高的要求。

面对各种各样的频率合成技术，在兼顾较高的相位噪声和非谐波杂散指标的前提下，很难实现某一宽频段内任意点频输出；同时作为单独的点频源使用时，又无法实现零控制，这样导致频率合成模块作为单独的模块使用时独立性很差。

在通信系统中，产生点频或电路时钟的主要方法有倍频/混频、直接数字合成技术(DDS)和锁相环技术(PLL)。

其中，单纯的倍频/混频方案非谐波杂散较大，谐波难以抑制，想要获得更好的杂散和谐波指标，需要额外增加滤波电路，同时倍频电路受倍频器倍频倍数和分频器分频倍数制约，无法实现宽带内任意点频输出。

直接数字合成技术(DDS)，具有频率分辨率高、频率准确度高的显著优点，但是它的最大缺点是工作频率较低，输出频率一般不超过500MHz，由数字技术带来的相位量化噪声和D/A变换带来的幅度量化噪声可能导致很高的总输出噪声电平。

锁相环技术相对来说具有应用方便灵活与频率范围宽等有点，将一个高稳定度和高准确度的基准频率经过四则运算产生同样稳定度和准确度的任意频率，是现阶段主流的频率合成技术。

锁相环电路主要由鉴相器(PD)、环路滤波器(LPF)、压控振荡器(VCO)和计数分频器等电路组成。电路设计中首先将VCO的振荡输出信号经计数器分频，输入到鉴相器。鉴相器中也同时输入基准信号，鉴相器输出与两种信号相位移成正比的误差信号。LPF将PD输出的脉冲误差信号转换为直流信号，并送至VCO的输入端调节VCO的输出频率，当分频器的信号与参考信号一致时，VCO输出稳定。通过调整计数分频器的分频比，就能够得到不同频率的输出信号。而计数分频器的分频比，鉴相器的充电泵电流等设置通过外加控制信号来完成。

锁相环电路的结构复杂，体积庞大，另外添加的外部控制信号，因为接地以及供电等原因，会引入外部杂散，叠加到VCO输出端，使输出信号指标恶化。

现有技术主要存在以下三个方面的不足：

(1)目前的点频合成模块，很难实现在宽频段3.5GHz～6GHz内任意点频的零控制输出，需要添加额外的控制电路，增加了电路空间和成本，降低了输出信号的性能指标，另外外加控制信号逻辑复杂，使点频模块的独立性、易用性变差。

(2)目前的频率合成器的输出信号频率范围过窄，不能满足宽频段点频源的要求，有的电路为了达到较宽的输出频率范围，用多个锁相环电路和开关电路组合实现，这种方法的缺点是电路结构设计复杂，增加了电路空间和成本，调试工作量随之加大，特别是对于点频方案不能兼顾经济实惠，降低了整体电路的稳定性。

(3)设计一个多种模式的点频合成模块，同时满足多种点频源和步进大于等于1MHz的宽带频率合成源，需要添加额外的控制电路，电路体积会很庞大，额外添加的控制电路结构复杂，无法满足现阶段人们对点频源低成本、多样化的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种用作点频源的多模式小型化低相噪宽带点频合成电路及方法，避免上述现有技术中的不足之处，能够有效实现宽频段点频合成源。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种多模式小型化低相噪宽带点频合成电路，包括：

射频放大器、功分器、低通滤波器、鉴相器、开关电路、第一环路滤波器、第二环路滤波器、压控振荡器、耦合器、射频放大器、带通滤波器、可编程分频器、可编程逻辑控制器、接口电路和电源转换模块；

输入参考信号经过射频放大器放大之后，经过功分器一分为二，一路作为可编程逻辑控制器的工作基准时钟，另外一路先经过低通滤波器滤波，然后输入鉴相器作为基准鉴相信号；

压控振荡器的输出信号经过耦合器进行一分二，一路通过可编程分频器分频之后进入鉴相器鉴相，另外一路经过放大、带通滤波输出点频信号；

鉴相器输出与基准信号和压控振荡器分频信号相位移成正比的误差信号；

环路滤波器将鉴相器输出的误差信号转换为直流信号，送入压控振荡器调节压控振荡器的输出频率，当分频器的信号与参考信号一致时，锁相环路锁定；

上位机通过接口电路控制可编程逻辑控制器，同时为整体电路提供电源；

电源转换模块为整体电路提供直流工作电压。

可选地，当输出点频信号为100的整数倍时，可编程分频器为整数分频，选用第一环路滤波器；

当输出点频信号不是100的整数倍时，可编程分频器为小数分频，选用第二环路滤波器。

可选地，所述点频合成电路包括三种控制模式，分别为：零控制模式、开关控制模式、SPI控制模式。

可选地，所述SPI控制模式下，SPI控制时序为：

置数过程中时钟频率SCK≤50MHz；

SDI为32bit的串行数据，最高位为0，表示向可编程逻辑控制器写数据；

第31～26共6位代表寄存器地址，寄存器地址通过可编程逻辑控制器内部设置；

第25～2共24位代表寄存器值，最低位为0；

使能信号SEN在置数过程中保持高电平，其他时刻保持低电平；

可选地，通过SPI控制模式设置压控振荡器的分频比N改变输出频率。

可选地，对于小数分频，分频比N＝N整数+N小数/24，通过可编程逻辑控制器设置N整数和N小数的逻辑地址，最终分别组合计算得到32bit数，上位机通过SDI数据线，在SCK的上升沿送入所述点频合成电路，改变压控振荡器输出信号的分频比，最终产生所需要的点频信号。

本发明还提出了一种多模式小型化低相噪宽带点频合成方法，输入参考信号经过射频放大器放大之后，经过功分器一分为二，一路作为可编程逻辑控制器的工作基准时钟，另外一路先经过低通滤波器滤波，然后输入鉴相器作为基准鉴相信号；

压控振荡器的输出信号经过耦合器进行一分二，一路通过可编程分频器分频之后进入鉴相器鉴相，另外一路经过放大、带通滤波输出点频信号；

鉴相器输出与基准信号和压控振荡器分频信号相位移成正比的误差信号；

环路滤波器将鉴相器输出的误差信号转换为直流信号，送入压控振荡器调节压控振荡器的输出频率，当分频器的信号与参考信号一致时，锁相环路锁定。

可选地，当输出点频信号为100的整数倍时，可编程分频器为整数分频，选用第一环路滤波器；

当输出点频信号不是100的整数倍时，可编程分频器为小数分频，选用第二环路滤波器。

可选地，所述点频合成方法包括三种控制模式，分别为：零控制模式、开关控制模式、SPI控制模式。

可选地，通过SPI控制模式设置压控振荡器的分频比N改变输出频率，对于小数分频，分频比N＝N整数+N小数/24，通过可编程逻辑控制器设置N整数和N小数的逻辑地址，最终分别组合计算得到32bit数，上位机通过SDI数据线，在SCK的上升沿送入点频合成电路，改变压控振荡器输出信号的分频比，最终产生所需要的点频。

本发明的有益效果是：

(1)采用零控制模式、开关控制模式和SPI控制模式三种不同的模式，对于需求简单的单个点频输出，直接上电即可产生；对于点频种类要求较多的情况，通过上位机的开关切换即可实现；对于宽带3.5GHz～6GHz内频率步进≥1MHz的情况，通过SPI控制模式即可实现，满足了用户的各种需求，相位噪声指标可达-110dBc/Hz＠10kHz，非谐波杂散可达-75dBc；

(2)锁相环电路采用双环路滤波器电路，根据三种不同的控制模式选用不同的环路滤波器，针对整数分频和小数分频设计不同的环路带宽，使输出的3.5GHz～6GHz信号有更好的谱噪声表现；

(3)电路体积小，整个体积仅为60mm×65mm×15mm，由1块普通的PCB板外加屏蔽盒组成，整个模块仅三个外部接口，SMA、SMB和10芯接口，结构简单，装配方便，同时有效防止信号间的相互串扰，使输出信号有更好的谱表现，整个模块采用+8V的直流输入电压，供电电流≤400mA，功耗低。

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为本发明一种多模式小型化低相噪宽带点频合成电路原理框图；

图2为本发明的接口电路的管脚定义图；

图3为本发明的SPI控制模式下的SPI控制时序图。

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。

伴随对点频源种类需求的增多，就现有的点频合成技术，要实现在某一宽频段内任意点频的输出，同时达到仪器级别的相位噪声和非谐波杂散指标，需要复杂的电路结构，而且无法实现零控制的点频源输出。

本发明提出了一种用作点频源的多模式小型化低相噪的宽带点频合成电路及方法，实现了通过SPI控制固定宽带3.5GHz～6GHz内最小1MHz步进的频点输出，作为单个频点输出时零控制，开关模式下通过开关切换最多可实现8种不同频点的输出，同时在4.8GHz(典型值)处相位噪声指标达到-110dBc/Hz＠10kHz，非谐波杂散指标达-75dBc，而且模块体积仅为60mm×65mm×15mm。

如图1所示，本发明的多模式小型化低相噪宽带点频合成电路，包括：射频放大器1、功分器2、低通滤波器3、鉴相器4、开关电路5、第一环路滤波器6、第二环路滤波器7、压控振荡器VCO8、耦合器9、射频放大器10、带通滤波器11、可编程分频器12、可编程逻辑控制器13、接口电路14和电源转换模块15。

输入的参考信号为100MHz、低相噪、高稳定性信号，参考信号决定了电路的输出频率环路带宽内的相位噪声指标和频率稳定度。

输入参考信号功率要求(0±2)dBm，经过射频放大器1放大之后，经过功分器2一分为二，一路作为可编程逻辑控制器13的工作基准时钟；由于经过功分器之后，参考信号谐波增大，另外一路需要先经过低通滤波器3滤波，然后输入鉴相器4作为基准鉴相信号。

同时，压控振荡器VCO8的输出信号经过耦合器9进行一分二，一路通过可编程分频器12进行分频，分频信号进入鉴相器4，鉴相器4输出与基准信号和VCO分配信号相位移成正比的误差信号；另一路信号经过射频放大器10放大，然后经过带通滤波器11抑制谐波，最终输出3.5GHz～6GHz，功率为(15±2)dBm的点频信号。

环路滤波器6或7将鉴相器4输出的脉冲误差信号转换为直流信号，送入VCO8调节VCO的输出频率，当分频器的信号与参考信号一致时，锁相环路锁定。

由于输入的参考信号为100MHz，输出3.5GHz～6GHz，在本发明电路的三种模式(零控制模式、开关控制模式、SPI控制模式)下可以实现最小为1MHz的频率步进，因此，当输出信号为100的整数倍数时，可编程分频器12为整数分频，选用第一环路滤波器；当输出信号不是100的整数倍时，可编程分频器12为小数分频，选用第二环路滤波器。

在实际应用中，整数分频产生的信号相位噪声要优于小数分频，整数分频和小数分频要求环路滤波器常数不同，环路滤波器常数对基准信号，泄露所形成的寄生成分、相位噪声特性以及时钟收敛特性等都有很大影响，所以本发明设置两组环路滤波器6和7，分别在整数分频和小数分频模式下选择不同的环路滤波器，使输出频点在环路带宽内产生最好的相位噪声。

上位机通过接口电路14控制可编程逻辑控制器13，同时为模块提供电源。

电源转换模块15为电路提供直流工作电压，主要为+8V、+6.5V、+5V和+3.3V。

本发明宽带点频合成电路的三种控制模式，如表1所示：

表1

结合表1与图2，上位机通过接口电路的2、4、6、8、10共5个管脚连接可编程逻辑控制器，通过控制8、10管脚的不同状态选择三种控制模式。

在零控制模式，5个管脚均为低电平，上电即可输出3.5GHz～6GHz内任意频点。

在开关控制模式，通过2、4、6三管脚的高低电平实现3.5GHz～6GHz内任意8种点频输出。

在SPI控制模式，2、4、6三管脚分别对应SPI控制中的使能SEN、数据SDI、时钟SCK控制线，上位机通过SPI置数改变点频模块的输出频率。

SPI控制时序如图3所示：置数过程中时钟频率SCK要求≤50MHz；SDI为32bit的串行数据，最高位为0，表示向可编程逻辑控制器写数据；第31～26共6位代表寄存器地址，寄存器地址通过可编程逻辑控制器内部设置；第25～2共24位代表寄存器值，最低位为0；使能信号SEN要求在置数过程中保持高电平，其他时刻保持低电平；输入参考信号为100MHz，输出为3.5GHz～6GHz，频率步进为1MHz，要改变输出频率，通过SPI模式设置VCO的分频比N即可，对于小数分频，分频比N＝N整数+N小数/24，通过可编程逻辑控制器件设置N整数和N小数的逻辑地址，最终分别组合计算得到32bit数，上位机通过SDI数据线，在SCK的上升沿送入点频模块，改变VCO输出信号的分频比，最终产生所需要的点频。

本发明还提供了一种多模式小型化低相噪宽带点频合成方法，其工作原理与上述点频合成电路相同，这里不再赘述。

本发明克服了现有技术的不足，设计的多模式小型化低相噪宽带点频电路，能够实现三种模式的点频输出：在零控制模式下，实现3.5GHz～6GHz宽带内任意频点零控制输出；在开关模式下，通过3路开关自由切换，实现8种不同的频点输出；在SPI控制模式下，通过单次置数，产生3.5GHz～6GHz，步进频率最小为1MHz的宽带点频本振，满足了用户的各种需求，相位噪声指标可达-110dBc/Hz＠10kHz，非谐波杂散可达-75dBc。

在环路中，由于在不同模式下，锁相环中可编程分频器的分频比不同，通过设置两路环路滤波器通道，在三种模式下进行切换，最终保障在不同的分频比中环路滤波器处在最佳的环路带宽，使最终的输出频率达到最好的相位噪声。

整个点频合成电路仅由1块小体积PCB板组成，大小为60mm×65mm×15mm，输入参考信号选用SMB接头，输出点频信号选用SMA接头，外部接口选用常见的10芯接头，结构简单，同时，输入输出接头处采用了导电布密封的方式，防止信号的空问辐射。

通过PCB板外加屏蔽盒，既有效隔离了电磁信号的空间辐射，又方便了射频信号的充分接地，避免了信号内部的相互串扰，整体电路结构方便调试，同时节省成本。

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 (10)

1.一种多模式小型化低相噪宽带点频合成电路，其特征在于，包括：

射频放大器、功分器、低通滤波器、鉴相器、开关电路、第一环路滤波器、第二环路滤波器、压控振荡器、耦合器、射频放大器、带通滤波器、可编程分频器、可编程逻辑控制器、接口电路和电源转换模块；

输入参考信号经过射频放大器放大之后，经过功分器一分为二，一路作为可编程逻辑控制器的工作基准时钟，另外一路先经过低通滤波器滤波，然后输入鉴相器作为基准鉴相信号；

压控振荡器的输出信号经过耦合器进行一分二，一路通过可编程分频器分频之后进入鉴相器鉴相，另外一路经过放大、带通滤波输出点频信号；

鉴相器输出与基准信号和压控振荡器分频信号相位移成正比的误差信号；

环路滤波器将鉴相器输出的误差信号转换为直流信号，送入压控振荡器调节压控振荡器的输出频率，当分频器的信号与参考信号一致时，锁相环路锁定；

上位机通过接口电路控制可编程逻辑控制器，同时为整体电路提供电源；

电源转换模块为整体电路提供直流工作电压。

2.如权利要求1所述的多模式小型化低相噪宽带点频合成电路，其特征在于，

当输出点频信号为100的整数倍时，可编程分频器为整数分频，选用第一环路滤波器；

当输出点频信号不是100的整数倍时，可编程分频器为小数分频，选用第二环路滤波器。

3.如权利要求1所述的多模式小型化低相噪宽带点频合成电路，其特征在于，所述点频合成电路包括三种控制模式，分别为：零控制模式、开关控制模式、SPI控制模式。

4.如权利要求3所述的多模式小型化低相噪宽带点频合成电路，其特征在于，所述SPI控制模式下，SPI控制时序为：

置数过程中时钟频率SCK≤50MHz；

SDI为32bit的串行数据，最高位为0，表示向可编程逻辑控制器写数据；

第31～26共6位代表寄存器地址，寄存器地址通过可编程逻辑控制器内部设置；

第25～2共24位代表寄存器值，最低位为0；

使能信号SEN在置数过程中保持高电平，其他时刻保持低电平。

5.如权利要求3所述的多模式小型化低相噪宽带点频合成电路，其特征在于，通过SPI控制模式设置压控振荡器的分频比N改变输出频率。

6.如权利要求5所述的多模式小型化低相噪宽带点频合成电路，其特征在于，对于小数分频，分频比N＝N整数+N小数/24，通过可编程逻辑控制器设置N整数和N小数的逻辑地址，最终分别组合计算得到32bit数，上位机通过SDI数据线，在SCK的上升沿送入所述点频合成电路，改变压控振荡器输出信号的分频比，最终产生所需要的点频信号。

7.一种多模式小型化低相噪宽带点频合成方法，其特征在于，

输入参考信号经过射频放大器放大之后，经过功分器一分为二，一路作为可编程逻辑控制器的工作基准时钟，另外一路先经过低通滤波器滤波，然后输入鉴相器作为基准鉴相信号；

压控振荡器的输出信号经过耦合器进行一分二，一路通过可编程分频器分频之后进入鉴相器鉴相，另外一路经过放大、带通滤波输出点频信号；

鉴相器输出与基准信号和压控振荡器分频信号相位移成正比的误差信号；

环路滤波器将鉴相器输出的误差信号转换为直流信号，送入压控振荡器调节压控振荡器的输出频率，当分频器的信号与参考信号一致时，锁相环路锁定。

8.如权利要求7所述的多模式小型化低相噪宽带点频合成方法，其特征在于，

当输出点频信号为100的整数倍时，可编程分频器为整数分频，选用第一环路滤波器；

当输出点频信号不是100的整数倍时，可编程分频器为小数分频，选用第二环路滤波器。

9.如权利要求7所述的多模式小型化低相噪宽带点频合成方法，其特征在于，所述点频合成方法包括三种控制模式，分别为：零控制模式、开关控制模式、SPI控制模式。

10.如权利要求9所述的多模式小型化低相噪宽带点频合成方法，其特征在于，通过SPI控制模式设置压控振荡器的分频比N改变输出频率，对于小数分频，分频比N＝N整数+N小数/24，通过可编程逻辑控制器设置N整数和N小数的逻辑地址，最终分别组合计算得到32bit数，上位机通过SDI数据线，在SCK的上升沿送入点频合成电路，改变压控振荡器输出信号的分频比，最终产生所需要的点频。