CN105049036A - 一种宽带低噪声信号发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带低噪声信号发生器。其中，鉴相器连接积分器，积分器连接宽带压控振荡器，宽带压控振荡器连接混频器，混频器连接中频变频电路，中频变频电路连接鉴相器，鉴相器、积分器、宽带压控振荡器、混频器及中频变频电路组成宽带混频锁相环路。中频变频电路分为分频型中频变频电路和倍频型中频变频电路，中频变频电路改变中频信号的频率，从而改变鉴相时中频信号的相位噪声。本发明宽带低噪声信号发生器的中频变频电路通过改变鉴相信号的相位噪声，降低了对鉴相器、混频器的宽带和噪声要求，不会恶化宽带压控振荡器输出信号的带内噪声，保证了低噪声信号发生器的实现。

Description

一种宽带低噪声信号发生器

技术领域

本发明涉及一种宽带低噪声信号发生器。

背景技术

随着现代雷达和无线电通信技术等的发展，各种电子设备对其内部应用或系统测试使用的信号发生器不断提出更高的要求，一是带宽越来越大，二是就是要有极低的单边带相位噪声。

频率较高的射频/微波压控振荡器(VCO)输出信号具有较好的远端相位噪声，但近端噪声都比较差，为了改善近端噪声通常采用锁相环将VCO锁定在低噪声参考信号上。对于单一点频的信号发生器，直接采用参考信号倍频或VCO反馈信号分频的锁相环电路都很容易实现，但是对于多个频率输出的宽带信号发生器，则无法使用该电路。目前宽带低噪声信号发生器通常采用混频锁相技术，即通过混频器将宽带VCO的信号变频到低频的中频信号，再与低噪声参考信号鉴相，得到低噪声VCO输出信号。如图1所示。

在基于混频锁相环的宽带信号发生器中，中频信号的噪声与参考信号噪声的曲线决定着实现最优噪声的环路带宽，一般环路带宽选择在两条噪声曲线的交汇处。由于受鉴相器、积分器等的噪声和带宽的限制，太大的带宽和太低的噪声都很难实现，带宽太大锁相后的噪声曲线往往会出现鼓包现象，鉴相信号的噪声太低锁相后的带内噪声会被恶化。一般环路带宽达到几MHz时，大多数鉴相器和积分器受带宽影响对带内信号的抑制会增大，这时环路带宽处的相位噪声发生恶化，在噪声曲线上表现为鼓包，严重的会失锁。一般鉴相中频信号的相位噪声低于-150dBc/Hz时，大多数鉴相器、积分器等电路的噪声不能满足要求，锁相环的带内噪声会发生恶化。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种宽带低噪声信号发生器。本发明通过变频电路改变中频信号的频率，从而改变了鉴相时中频信号的相位噪声，优化了鉴相器及误差电压信号通路的带宽和噪声，改善鉴相器和积分器的带宽、噪声对环路带宽、噪声的影响。

本发明采用如下技术方案：

一种宽带低噪声信号发生器，包括鉴相器、积分器、宽带压控振荡器、混频器及中频变频电路，鉴相器连接积分器，积分器连接宽带压控振荡器，宽带压控振荡器连接混频器，混频器连接中频变频电路，中频变频电路连接鉴相器，鉴相器、积分器、宽带压控振荡器、混频器及中频变频电路组成宽带混频锁相环路；

鉴相器输入端输入低噪声参考信号，混频器输入有低噪声本振信号，宽带压控振荡器输出宽带低噪声信号；

其中，中频变频电路分为分频型中频变频电路和倍频型中频变频电路，中频变频电路改变中频信号的频率，从而改变鉴相时中频信号的相位噪声。

上述分频型中频变频电路包括放大衰减器、分频器、滤波器，混频器输出的中频信号经过放大衰减器进入分频器，放大衰减器根据分频器的输入信号功率要求，放大低功率中频信号或衰减大功率中频信号，分频后的中频信号经过滤波电路来滤除谐波；

中频信号经过分频后相位噪声被改善，再进入鉴相器时与低噪声参考信号的相噪曲线交汇处的频偏变小，继而鉴相器及积分器误差电压通路的带宽变小，在宽带混频锁相环路带宽没有改变的前提下，降低对鉴相器、积分器带宽的要求。

进一步地，所述分频器的分频比n的确定采用如下方法：

a.确定鉴相器、积分器等可以正常运行的最高频率f；

b.计算在频偏f处低噪声参考信号与压控振荡器相位噪声的差值d；

c.如果d小于等于6dB，分频器分频比为2；如果d大于6dB，小于等于12dB，分频器分频比为4；依此类推，分频比n＝int(d÷6)×2，int()为向上取整函数。

上述倍频型中频变频电路包括放大器、倍频器、滤波电路，混频器输出的中频信号经过放大器将信号功率提高到满足倍频器的要求，输入倍频器进行倍频，再经过滤波电路抑制谐波后进入鉴相器进行鉴相。

进一步地，所述倍频器的倍频系数N的确定方法如下：

(1)根据低噪声参考信号、宽带压控振荡器和低噪声本振信号的相位噪声确定环路带内噪声的最低值L1；

(2)根据鉴相器、积分器等电路的噪声指标确定鉴相及误差电压通路的最差噪声L2；

(3)计算需要倍频电路来改变的噪声差值ΔL＝L2-L1；

(4)如果ΔL小于等于6dB，倍频器为2倍频；如果ΔL大于6dB，小于等于12dB，倍频器分频比为4；依此类推，倍频系数N＝int(ΔL÷6)×2，int()为向上取整函数。

采用如上技术方案取得的有益技术效果为：

中频信号经过倍频后相位噪声被恶化，进入鉴相器的信号及后面误差电压信号的噪声相比中频信号不倍频时要高，即在宽带混频锁相环路带内噪声没有改变的前提下，降低了对鉴相器、积分噪声的要求。

本发明宽带低噪声信号发生器的中频变频电路通过改变鉴相信号的相位噪声，降低了对鉴相器、混频器的宽带和噪声要求，不会恶化宽带压控振荡器输出信号的带内噪声，保证了低噪声信号发生器的实现。

附图说明

图1为现有的宽带低噪声信号发生器框图。

图2为本发明宽带低噪声信号发生器框图。

图3为基于分频型中频变频电路的宽带低噪声信号发生器框图。

图4为基于倍频型中频变频电路的宽带低噪声信号发生器框图。

具体实施方式

结合附图2至4对本发明的具体实施方式做进一步说明：

一种宽带低噪声信号发生器，包括鉴相器、积分器、宽带压控振荡器、混频器及中频变频电路。鉴相器连接积分器，积分器连接宽带压控振荡器，宽带压控振荡器连接混频器，混频器连接中频变频电路，中频变频电路连接鉴相器，鉴相器、积分器、宽带压控振荡器、混频器及中频变频电路组成宽带混频锁相环路；鉴相器输入端输入低噪声参考信号，混频器输入有低噪声本振信号，宽带压控振荡器输出宽带低噪声信号；其中，中频变频电路分为分频型中频变频电路和倍频型中频变频电路，中频变频电路改变中频信号的频率，从而改变鉴相时中频信号的相位噪声。

上述分频型中频变频电路包括放大衰减器、分频器、滤波器，混频器输出的中频信号经过放大衰减器进入分频器，放大衰减器根据分频器的输入信号功率要求，放大低功率中频信号或衰减大功率中频信号，分频后的中频信号经过滤波电路来滤除谐波。

在混频锁相环电路中，中频信号的噪声与参考信号噪声的曲线决定着实现最优噪声的带宽，一般环路带宽选择在两条噪声曲线的交汇处，当低噪声本振信号的噪声足够好时，宽带压控振荡器与鉴相参考信号的相位噪声曲线交汇处为最佳环路带宽。由于振荡器输出为高频信号，只有远端噪声才会优于低频的鉴相参考信号，所以在低噪声信号发生器中，环路带宽都比较宽，有的会达到10MHz或更宽。鉴相器多为数字器件，带宽一般1MHz，而积分器所用运算放大器虽然有标称100MHz的带宽，但是从增益曲线看到10MHz增益已经不大，所以10MHz的环路带宽很难实现。

分频型中频变频电路的带宽优化方法是：中频信号经过分频后相位噪声被改善，再进入鉴相器时与低噪声参考信号的相噪曲线交汇处的频偏变小，继而鉴相器及积分器误差电压通路的带宽变小，在宽带混频锁相环路带宽没有改变的前提下，降低对鉴相器、积分器带宽的要求。

分频器的分频比需要根据振荡器和参考信号的相噪曲线和鉴相器、积分器的带宽决定。进一步地，所述分频器的分频比n的确定采用如下方法：

a.确定鉴相器、积分器等可以正常运行的最高频率f；

b.计算在频偏f处低噪声参考信号与压控振荡器相位噪声的差值d；

c.如果d小于等于6dB，分频器分频比为2；如果d大于6dB，小于等于12dB，分频器分频比为4；依此类推，分频比n＝int(d÷6)×2，int()为向上取整函数。

如宽带混频锁相环路最佳带宽为10MHz，鉴相器、积分器只能正常工作在1MHz带宽，在1MHz频偏处参考信号的相位噪声优于振荡器12dB，那么分频比应该选择4。中频信号经过4分频后噪声优化12dB，低噪声参考信号在鉴相器中鉴相，误差电压信号的通路包括积分器带宽选择在1MHz。整个环路的带宽仍然是10MHz，中频分频只是避免了误差电路通路经过高频误差信号。

在混频锁相环电路中，低噪声参考信号和低噪声本振信号的相位噪声决定着宽带压控振荡器的带内相位噪声，由于参考信号和本振信号的噪声越来越低，在低噪声信号发生器中，带内噪声最低会达到-150dBc/Hz甚至更低。鉴相器多为数字器件，噪声最低的在-150dBc/Hz左右，实际使用时为消除鉴相器对噪声影响一般用在相位噪声-144dBc/Hz以上的锁相环电路中，积分器所用运算放大器也无法满足-150dBc/Hz的噪声要求。

上述倍频型中频变频电路包括放大器、倍频器、滤波电路。混频器输出的中频信号经过放大器将信号功率提高到满足倍频器的要求，输入倍频器进行倍频，再经过滤波电路抑制谐波后进入鉴相器进行鉴相。

进一步地，所述倍频器的倍频系数N的确定方法如下：

(1)根据低噪声参考信号、宽带压控振荡器和低噪声本振信号的相位噪声确定环路带内噪声的最低值L1；

(2)根据鉴相器、积分器等电路的噪声指标确定鉴相及误差电压通路的最差噪声L2；

(3)计算需要倍频电路来改变的噪声差值ΔL＝L2-L1；

(4)如果ΔL小于等于6dB，倍频器为2倍频；如果ΔL大于6dB，小于等于12dB，倍频器为4倍频；依此类推，倍频系数N＝int(ΔL÷6)×2，int()为向上取整函数。

倍频器选择2倍频，能把中频信号提高6dB，如带内噪声要达到-150dBc/Hz，倍频后的中频信号相位噪声只有-144dBc/Hz，这样大多数鉴相器和积分器能够满足要求，如果不行可以再行进一次倍频。

本发明宽带低噪声信号发生器的中频变频电路通过改变鉴相信号的相位噪声，降低了对鉴相器、混频器的宽带和噪声要求，不会恶化宽带压控振荡器输出信号的带内噪声，保证了低噪声信号发生器的实现。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (5)

1.一种宽带低噪声信号发生器，其特征在于，包括鉴相器、积分器、宽带压控振荡器、混频器及中频变频电路，鉴相器连接积分器，积分器连接宽带压控振荡器，宽带压控振荡器连接混频器，混频器连接中频变频电路，中频变频电路连接鉴相器，鉴相器、积分器、宽带压控振荡器、混频器及中频变频电路组成宽带混频锁相环路；

鉴相器输入端输入低噪声参考信号，混频器输入有低噪声本振信号，宽带压控振荡器输出宽带低噪声信号；

其中，中频变频电路分为分频型中频变频电路和倍频型中频变频电路，中频变频电路改变中频信号的频率，从而改变鉴相时中频信号的相位噪声。

2.根据权利要求1所述的一种宽带低噪声信号发生器，其特征在于，所述分频型中频变频电路包括放大衰减器、分频器及滤波器，混频器输出的中频信号经过放大衰减器进入分频器，放大衰减器根据分频器的输入信号功率要求，放大低功率中频信号或衰减大功率中频信号，分频后的中频信号经过滤波电路来滤除谐波；

中频信号经过分频后相位噪声被改善，再进入鉴相器时与低噪声参考信号的相噪曲线交汇处的频偏变小，继而鉴相器及积分器误差电压通路的带宽变小，在宽带混频锁相环路带宽没有改变的前提下，降低对鉴相器、积分器带宽的要求。

3.根据权利要求2所述的一种宽带低噪声信号发生器，其特征在于，所述分频器的分频比n的确定采用如下方法：

a.确定鉴相器、积分器等可以正常运行的最高频率f；

b.计算在频偏f处低噪声参考信号与压控振荡器相位噪声的差值d；

c.如果d小于等于6dB，分频器分频比为2；如果d大于6dB，小于等于12dB，分频器分频比为4；依此类推，分频比n＝int(d÷6)×2，int()为向上取整函数。

4.根据权利要求1所述的一种宽带低噪声信号发生器，其特征在于，所述倍频型中频变频电路包括放大器、倍频器、滤波电路，混频器输出的中频信号经过放大器将信号功率提高到满足倍频器的要求，输入倍频器进行倍频，再经过滤波电路抑制谐波后进入鉴相器进行鉴相。

5.根据权利要求4所述的一种宽带低噪声信号发生器的宽带优化方法，其特征在于，所述倍频器的倍频系数N的确定方法如下：

(1)根据低噪声参考信号、宽带压控振荡器和低噪声本振信号的相位噪声确定环路带内噪声的最低值L1；

(2)根据鉴相器、积分器等电路的噪声指标确定鉴相及误差电压通路的最差噪声L2；

(3)计算需要倍频电路来改变的噪声差值ΔL＝L2-L1；

(4)如果ΔL小于等于6dB，倍频器为2倍频；如果ΔL大于6dB，小于等于12dB，倍频器为4倍频；依此类推，倍频系数N＝int(ΔL÷6)×2，int()为向上取整函数。