CN105187060A - 一种低相位噪声的锁相环电路及其实现方法 - Google Patents
一种低相位噪声的锁相环电路及其实现方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种低相位噪声的锁相环电路及其实现方法，包括：控制单元、电源模块、参考信号、第一功分器、第一带通滤波器、第一混频器、低通滤波器、微波放大器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、第二功分器、第二带通滤波器、第一射频放大器、第三功分器、第三带通滤波器、第二混频器、第四带通滤波器、直接数字式频率合成电路、射频变压器、第五带通滤波器、第二射频放大器、第六带通滤波器、第三射频放大器；本发明采用直接数字式频率合成技术和锁相环频率合成技术相混合的方案，所用的DDS和鉴相器均为集成电路，在取得极低相位噪声的同时，大大减少了所采用的器件数量，节省了PCB空间，降低了调试难度，减小了功耗。
Description
技术领域
本发明涉及频率合成领域，特别涉及一种低相位噪声的锁相环电路，还涉及一种低相位噪声的锁相环实现方法。
背景技术
频率合成器的使用范围非常广，如应用于雷达、通信、导航等领域，是现代电子系统中的重要组成部分。随着电子技术的不断发展，各类电子系统对频率合成器的性能指标要求也越来越高，如对频率转换时间、相位噪声、杂散、频率分辨率等多种指标提出了更高的要求。
其中，相位噪声是决定频率合成器性能的一个关键因素，低相位噪声性能能够改良雷达的改善因子，提高雷达强背景环境下检测信号的能力；能够改善电子系统的信噪比，增加信道之间的隔离度，降低临近信道之间的相互干扰。
目前主要的频率合成技术有：直接频率合成技术、锁相环频率合成技术和直接数字式频率合成技术。
直接频率合成技术一般由一个或者几个高稳定、高纯度的晶体参考源，通过倍频、分频和混频技术进行加、减、乘、除运算，产生各种频率，再通过电子开关对所需要的频率进行选择输出。
锁相环频率合成技术主要由压控振荡器、鉴相器、可变分频器和环路滤波器组成。压控振荡器的输出信号经可变分频器后在鉴相器内与参考信号比相。当压控振荡器发生频率漂移时，鉴相器输出的控制电压也随之变化，从而使压控振荡器频率始终锁定在N倍的参考频率上。
直接数字式频率合成技术是一种将先进的数字处理理论与方法引入信号合成领域的一项新技术，其主要由五部分组成：参考时钟、相位累加器、正弦查找表、D/A转换器和低通滤波器。直接数字式频率合成技术的基本工作原理是根据正弦函数的产生，从相位角度出发，用不同的相位给出不同的电压幅度，经过低通滤波器平滑处理就可以得到所需波形。
在现有的窄带锁相环电路中，常用的锁相环方案大多采用集成锁相环芯片和专用VCO来组建，其具有电路结构简单，功耗小等特点，但是由于采用单环锁相方式，相位噪声无法达到较好的效果。
直接频率合成技术电路结构复杂、体积大、成本高、研制调试困难，难以抑制非线性效应而引入的杂波干扰，具有非常高的杂散信号。
锁相环频率合成技术采用输出信号分频之后的信号作为反馈信号，并与参考信号进行混频，混频之后的信号作为鉴相器的输入信号，信号的相位噪声指标较差。
直接数字式频率合成技术受限于器件可用的最高时钟频率，输出频率上限不高无法产生射频波段的输出信号频率，此技术中必不可少的DAC器件的使用使得它的输出信号中产生了比较多的杂散信号，影响信号质量。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提出了一种低相位噪声的锁相环电路及其实现方法，采用直接数字式频率合成技术和锁相环频率合成技术相混合的方案，3.25GHz射频波段的相位噪声能达到-130dBc/Hz@10kHz，具有结构简单，体积小，功耗低等优点。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种低相位噪声的锁相环电路，包括：控制单元、电源模块、参考信号、第一功分器、第一带通滤波器、第一混频器、低通滤波器、微波放大器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、第二功分器、第二带通滤波器、第一射频放大器、第三功分器、第三带通滤波器、第二混频器、第四带通滤波器、直接数字式频率合成电路、射频变压器、第五带通滤波器、第二射频放大器、第六带通滤波器、第三射频放大器；
控制单元根据压控振荡器的输出频率计算出直接数字式频率合成电路和鉴相器的分频比，并控制直接数字式频率合成电路和鉴相器各自的输出信号以调控压控振荡器的输出频率；
电源模块为锁相环电路的各个部件提供直流电压；
第一功分器将参考信号分成2路；
第一带通滤波器用于抑制参考信号的杂散和噪声；
第一混频器对输入信号下变频，将参考信号的二次谐波与压控振荡器反馈信号进行差频，产生的差频信号作为鉴相器的一路参考输入信号；
低通滤波器用来滤除第一混频器混频之后多余的高频信号分量；
微波放大器对第一混频器混频之后的信号进行功率放大；
环路滤波器对鉴相器的输出电压进行滤除；
压控振荡器输出频率为锁相环最终的输出频率；
第二功分器将压控振荡器的输出分成两路，一路作为第一混频器的反馈输入信号，另一路作为压控振荡器的输出信号；
第二带通滤波器滤除压控振荡器输出信号中的杂散分量；
第一射频放大器放大压控振荡器输出信号的功率，以使第一混频器输出正确的鉴相频率；
第三功分器将参考信号分成2路；
第三带通滤波器对参考信号进行滤波和噪声抑制；
第二混频器将参考信号和直接数字式频率合成电路输出的信号进行上变频操作，产生的信号作为鉴相器的参考输入信号；
第四带通滤波器滤除参考信号中的杂散分量并抑制噪声信号；
直接数字式频率合成电路的输出信号作为第二混频器的输入信号；
射频变压器除了用于阻抗匹配，还对其输入信号进行功率放大并抑制近端杂散；
第五带通滤波器滤除直接数字式频率合成电路输出信号中的杂散分量；
第二射频放大器放大直接数字式频率合成电路输出信号的功率；
第六带通滤波器滤除上变频信号之外的高频和低频信号；
第三射频放大器对第二混频器混频输出信号进行功率放大。
可选地，所述锁相环电路由2块PCB板组成；控制单元和电源模块在一块PCB板上，剩余部件组成锁相环路在另一块PCB板上，两块PCB板通过穿心电容相连接。
可选地，所述锁相环路的PCB板通过开槽口与腔体连接。
可选地，在所述锁相环路PCB板的屏蔽盖板上增加吸波材料。
可选地，信号的输出端口通过SMA电缆连接器相连，并增加导电胶。
本发明还提出了一种低相位噪声的锁相环实现方法，
首先接通电源，根据设置的频率值计算出需要的直接数字式频率合成电路的分频比和鉴相器中的计数器值，并将控制信号传送到直接数字式频率合成电路和鉴相器，完成控制程序的初始配置；
参考信号的二次谐波与压控振荡器的输出信号在第一混频器中进行下变频操作，产生的信号作为鉴相器的反馈参考信号；
鉴相器的另一路输入信号由直接数字式频率合成电路的输出信号和参考信号上变频得到；
通过带通滤波器和低通滤波器对信号中多余的杂散信号进行滤除并且对噪声进行抑制，提高信号频谱的纯度，降低环路噪声；
通过射频放大器和微波放大器，保证各个信号的功率达到混频器和鉴相器的要求。
可选地，控制单元根据压控振荡器的输出频率计算出直接数字式频率合成电路和鉴相器相应的分频比，并控制直接数字式频率合成电路和鉴相器各自的输出信号以调控压控振荡器的输出频率；
电源模块为锁相环电路各个部件提供直流电压；
第一功分器将参考信号分成2路；
第一带通滤波器用于抑制参考信号的杂散和噪声；
第一混频器对输入信号下变频，将参考信号的二次谐波与压控振荡器反馈信号进行差频，产生的差频信号作为鉴相器的一路参考输入信号；
低通滤波器滤除第一混频器混频之后多余的高频信号分量；
微波放大器对第一混频器混频之后的信号进行功率放大；
环路滤波器对鉴相器的输出电压进行滤除；
压控振荡器输出频率为锁相环最终的输出频率；
第二功分器将压控振荡器的输出分成两路，一路作为第一混频器的反馈输入信号，另一路作为压控振荡器的输出信号；
第二带通滤波器滤除压控振荡器输出信号中的杂散分量；
第一射频放大器放大压控振荡器输出信号的功率，以使第一混频器输出正确的鉴相频率；
第三功分器将参考信号分成2路；
第三带通滤波器对参考信号进行滤波和噪声抑制；
第二混频器将参考信号和直接数字式频率合成电路输出的信号进行上变频操作，产生的信号作为鉴相器的参考输入信号；
第四带通滤波器滤除参考信号中的杂散分量并抑制噪声信号；
直接数字式频率合成电路的输出信号作为第二混频器的输入信号；
射频变压器除了用于阻抗匹配，还对其输入信号进行功率放大并抑制近端杂散；
第五带通滤波器滤除直接数字式频率合成电路输出信号中的杂散分量；
第二射频放大器放大直接数字式频率合成电路输出信号的功率；
第六带通滤波器滤除上变频信号之外的高频和低频信号；
第三射频放大器对第二混频器混频输出信号进行功率放大。
可选地，将控制单元和电源模块设计在一块PCB板上，剩余部件组成锁相环路设计在另一块PCB板上，两块PCB板通过穿心电容相连接。
可选地，所述锁相环路的PCB板通过开槽口与腔体连接。
可选地，信号的输出端口通过SMA电缆连接器相连，并增加导电胶。
本发明的有益效果是：
(1)实现了低相位噪声的锁相环信号输出，对锁相环电路中的两路鉴相信号均采用了混频方案，对参考信号进行上变频处理，同时将反馈信号下变频至50MHz，使输出信号具有极低的相位噪声，输出信号高达3.25GHz，频偏10kHz处的相位噪声可达到-130dBc/Hz，能够很好的提高系统的性能；
(2)采用了集成锁相芯片和VCO来实现锁相环电路，整个电路采用的元器件少，集成化程度高，便于调试，并且大大降低了产品功耗；
(3)将控制单元和电源模块设计成另一块电路板，通过穿芯电容与锁相板相连，有效的屏蔽了干扰信号。
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为本发明一种低相位噪声的锁相环电路的原理图。
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。
现有的频率合成技术中，设计的点频锁相环电路往往受到电路体积、成本的限制，采用单个锁相环方案，无法获得优良的相位噪声，从而影响整机的性能指标。当相噪指标比较高的时候，采用器件的数量增加，调试难度加大，成本增高，整个环路的功耗也随之增大。
本发明提出了一种低相位噪声的锁相环电路及其实现方法，采用直接数字式频率合成技术(DDS)和锁相环频率合成技术相混合的方案，所用的DDS和鉴相器均为集成电路，其锁相环的输出频率为3.25GHz的微波波段，相位噪声能够达到极低的-130dBc/Hz@10kHz，在取得极低相位噪声的同时，大大减少了所采用的器件数量，节省了PCB空间，降低了调试难度，减小了功耗。
如图1所示，本发明的锁相环电路包括：控制单元1、电源模块2、1.6GHz参考信号3、第一功分器4、第一带通滤波器5、第一混频器6、低通滤波器7、微波放大器8、鉴相器9、环路滤波器10、压控振荡器VCO11、第二功分器12、第二带通滤波器13、第一射频放大器14、第三功分器15、第三带通滤波器16、第二混频器17、第四带通滤波器18、直接数字式频率合成电路DDS19、射频变压器20、第五带通滤波器21、第二射频放大器22、第六带通滤波器23、第三射频放大器24。
控制单元1根据VCO11的输出频率计算出DDS19和鉴相器9相应的分频比，并控制DDS19和鉴相器9各自的输出信号以调控VCO11的输出频率。
电源模块2为各个部件提供直流电压，主要有+5V、+3.3V和+1.8V。
本发明的实施例中，参考信号3是由100MHz恒温晶振的输出经过16倍频产生的1.6GHz参考信号，本领域技术人员根据本发明的教导，还可以采用其他频率的参考信号。
第一功分器4将参考信号3分成2路。
第一带通滤波器5用于抑制参考信号的杂散和噪声，以保证混频器6输入信号的频谱纯度。
第一混频器6实现输入信号的下变频，参考信号3的二次谐波与VCO反馈信号进行差频，产生的差频信号作为鉴相器9的一路参考输入信号。
低通滤波器7用来滤除混频之后多余的高频信号分量。
微波放大器8对混频之后的50MHz的信号进行功率放大以满足鉴相器9对输入信号的功率要求。
环路滤波器10能够对鉴相器9的输出电压进行滤除，减小纹波电压对输出信号的影响，增强整个锁相环路的稳定性。
压控振荡器VCO11输出频率为3.25GHz，是锁相环最终的输出频率，具有极低的相位噪声。
第二功分器12将VCO11的输出分成两路，一路作为混频器6的反馈输入信号，另一路作为最终VCO11的输出信号。
第二带通滤波器13用于滤除VCO输出信号中的杂散分量以免其影响混频器6的输出信号。
第一射频放大器14用来放大VCO输出信号的功率以便混频器6能够输出正确的鉴相频率。
第三功分器15将参考信号分成2路。
第三带通滤波器16主要对参考信号3进行滤波和噪声抑制，以保证混频器输入信号的质量。
第二混频器17将参考信号3和DDS输出的信号进行上变频操作，产生的信号作为鉴相器9的参考输入信号。
第四带通滤波器18主要用来滤除参考信号3里面的杂散分量并抑制噪声信号，因为当杂散分量过大或者噪底过高时，DDS19输出的信号质量很差无法保证环路的正常工作。
直接数字式频率合成电路DDS19的输出信号作为第二混频器17的输入信号，DDS19输出的信号相位噪声低，能够提高整个环路的相位噪声指标。
射频变压器20除了用于阻抗匹配之外，还可以对输入信号进行功率放大并抑制近端杂散。
第五带通滤波器21主要用于滤除DDS19输出信号中的杂散分量。DDS19的本身特征决定了其输出信号中必然含有很高的杂散分量，而且会对混频器的输出信号造成干扰，第五带通滤波器21能够有效滤除杂散以提高系统的稳定性。
第二射频放大器22用于放大DDS19输出信号的功率以满足混频的要求。
第六带通滤波器23用来滤除上变频信号之外的高频和低频信号，以免影响鉴相器9频率的正确输出。
第三射频放大器24对混频输出信号进行功率放大以满足鉴相器9对输入信号功率的要求。
本发明的锁相环电路的工作原理如下：
首先接通电源，根据设置的频率值计算出需要的DDS19的分频比和鉴相器9中的计数器值，并将控制信号传送到DDS19和鉴相器9，完成控制程序的初始配置。
参考信号3的二次谐波与VCO11的输出信号在第一混频器6中进行下变频操作，产生的信号作为鉴相器9的反馈参考信号。与现有技术中VCO输出经过分频之后与参考信号混频的方案相比，本发明VCO的输出直接作为反馈信号，能够降低相位噪声，为整个环路取得极低的相位噪声奠定了基础。
鉴相器9的另一路输入信号由DDS19的输出信号和参考信号混频得到，DDS19的输出信号本身就具有低相噪指标的性能，因此与参考信号混频之后也保证了鉴相器9输入参考信号的低相噪特性。
带通滤波器5、13、16、18、21、23和低通滤波器7对信号中多余的杂散信号进行滤除并且对噪声也进行了抑制，整体上提高了信号频谱的纯度，降低了环路噪声。
射频放大器14、22、24和微波放大器8的使用，保证各个信号的功率能够达到混频器和鉴相器的要求，以确保各个器件的正常工作。上述所有单元的协同工作，使得本发明的锁相环电路最终的输出信号具有极低的相位噪声。
本发明的锁相环电路由PCB板实现，全部电路只由2块6cm×6cm的印制板组成。控制单元和电源模块在一块PCB板上，其余部件组成锁相环路在另一块PCB板(射频板)上，两块PCB板通过穿心电容相连接，大大减少了电源对射频信号的干扰，提高了系统的噪声性能指标。
射频板通过开槽口与腔体连接，在物理上实现信号的隔离；在屏蔽盖板上增加吸波材料，有效的避免了信号串扰，提高了信号的频谱纯度；信号的输出端口通过SMA电缆连接器相连，并增加导电胶以阻止信号的空间辐射。
本发明的锁相环电路实现了极低相位噪声的锁相环信号输出，对锁相环电路中的两路鉴相信号均采用了混频方案，对参考信号进行上变频处理，同时将反馈信号下变频至50MHz，使输出信号具有极低的相位噪声，输出信号高达3.25GHz，频偏10kHz处的相位噪声可达到-130dBc/Hz，能够很好的提高系统的性能。
本发明的锁相环电路中采用了集成锁相芯片和VCO来实现锁相环电路，整个电路采用的元器件少，集成化程度高，便于调试，并且大大降低了产品功耗。
同时，本发明将控制模块和电源模块设计成另一块电路板，通过穿芯电容与锁相板相连，有效的屏蔽了干扰信号。
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)
1.一种低相位噪声的锁相环电路，其特征在于，包括：控制单元、电源模块、参考信号、第一功分器、第一带通滤波器、第一混频器、低通滤波器、微波放大器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、第二功分器、第二带通滤波器、第一射频放大器、第三功分器、第三带通滤波器、第二混频器、第四带通滤波器、直接数字式频率合成电路、射频变压器、第五带通滤波器、第二射频放大器、第六带通滤波器、第三射频放大器；
控制单元根据压控振荡器的输出频率计算出直接数字式频率合成电路和鉴相器的分频比，并控制直接数字式频率合成电路和鉴相器各自的输出信号以调控压控振荡器的输出频率；
电源模块为锁相环电路的各个部件提供直流电压；
第一功分器将参考信号分成2路；
第一带通滤波器用于抑制参考信号的杂散和噪声；
第一混频器对输入信号下变频，将参考信号的二次谐波与压控振荡器反馈信号进行差频，产生的差频信号作为鉴相器的一路参考输入信号；
低通滤波器用来滤除第一混频器混频之后多余的高频信号分量；
微波放大器对第一混频器混频之后的信号进行功率放大；
环路滤波器对鉴相器的输出电压进行滤除；
压控振荡器输出频率为锁相环最终的输出频率；
第二功分器将压控振荡器的输出分成两路，一路作为第一混频器的反馈输入信号，另一路作为压控振荡器的输出信号；
第二带通滤波器滤除压控振荡器输出信号中的杂散分量；
第一射频放大器放大压控振荡器输出信号的功率，以使第一混频器输出正确的鉴相频率；
第三功分器将参考信号分成2路；
第三带通滤波器对参考信号进行滤波和噪声抑制；
第二混频器将参考信号和直接数字式频率合成电路输出的信号进行上变频操作，产生的信号作为鉴相器的参考输入信号；
第四带通滤波器滤除参考信号中的杂散分量并抑制噪声信号；
直接数字式频率合成电路的输出信号作为第二混频器的输入信号；
射频变压器除了用于阻抗匹配，还对其输入信号进行功率放大并抑制近端杂散；
第五带通滤波器滤除直接数字式频率合成电路输出信号中的杂散分量；
第二射频放大器放大直接数字式频率合成电路输出信号的功率；
第六带通滤波器滤除上变频信号之外的高频和低频信号；
第三射频放大器对第二混频器混频输出信号进行功率放大。
2.如权利要求1所述的一种低相位噪声的锁相环电路，其特征在于，所述锁相环电路由2块PCB板组成；控制单元和电源模块在一块PCB板上，剩余部件组成锁相环路在另一块PCB板上，两块PCB板通过穿心电容相连接。
3.如权利要求2所述的一种低相位噪声的锁相环电路，其特征在于，所述锁相环路的PCB板通过开槽口与腔体连接。
4.如权利要求3所述的一种低相位噪声的锁相环电路，其特征在于，在所述锁相环路PCB板的屏蔽盖板上增加吸波材料。
5.如权利要求2所述的一种低相位噪声的锁相环电路，其特征在于，信号的输出端口通过SMA电缆连接器相连，并增加导电胶。
6.一种低相位噪声的锁相环实现方法，其特征在于，
首先接通电源，根据设置的频率值计算出需要的直接数字式频率合成电路的分频比和鉴相器中的计数器值，并将控制信号传送到直接数字式频率合成电路和鉴相器，完成控制程序的初始配置；
参考信号的二次谐波与压控振荡器的输出信号在第一混频器中进行下变频操作，产生的信号作为鉴相器的反馈参考信号；
鉴相器的另一路输入信号由直接数字式频率合成电路的输出信号和参考信号上变频得到；
通过带通滤波器和低通滤波器对信号中多余的杂散信号进行滤除并且对噪声进行抑制，提高信号频谱的纯度，降低环路噪声；
通过射频放大器和微波放大器，保证各个信号的功率达到混频器和鉴相器的要求。
7.如权利要求6所述的一种低相位噪声的锁相环实现方法，其特征在于，
控制单元根据压控振荡器的输出频率计算出直接数字式频率合成电路和鉴相器相应的分频比，并控制直接数字式频率合成电路和鉴相器各自的输出信号以调控压控振荡器的输出频率；
电源模块为锁相环电路各个部件提供直流电压；
第一功分器将参考信号分成2路；
第一带通滤波器用于抑制参考信号的杂散和噪声；
第一混频器对输入信号下变频，将参考信号的二次谐波与压控振荡器反馈信号进行差频，产生的差频信号作为鉴相器的一路参考输入信号；
低通滤波器滤除第一混频器混频之后多余的高频信号分量；
微波放大器对第一混频器混频之后的信号进行功率放大；
环路滤波器对鉴相器的输出电压进行滤除；
压控振荡器输出频率为锁相环最终的输出频率；
第二功分器将压控振荡器的输出分成两路，一路作为第一混频器的反馈输入信号，另一路作为压控振荡器的输出信号；
第二带通滤波器滤除压控振荡器输出信号中的杂散分量；
第一射频放大器放大压控振荡器输出信号的功率，以使第一混频器输出正确的鉴相频率；
第三功分器将参考信号分成2路；
第三带通滤波器对参考信号进行滤波和噪声抑制；
第二混频器将参考信号和直接数字式频率合成电路输出的信号进行上变频操作，产生的信号作为鉴相器的参考输入信号；
第四带通滤波器滤除参考信号中的杂散分量并抑制噪声信号；
直接数字式频率合成电路的输出信号作为第二混频器的输入信号；
射频变压器除了用于阻抗匹配，还对其输入信号进行功率放大并抑制近端杂散；
第五带通滤波器滤除直接数字式频率合成电路输出信号中的杂散分量；
第二射频放大器放大直接数字式频率合成电路输出信号的功率；
第六带通滤波器滤除上变频信号之外的高频和低频信号；
第三射频放大器对第二混频器混频输出信号进行功率放大。
8.如权利要求7所述的一种低相位噪声的锁相环实现方法，其特征在于，将控制单元和电源模块设计在一块PCB板上，剩余部件组成锁相环路设计在另一块PCB板上，两块PCB板通过穿心电容相连接。
9.如权利要求8所述的一种低相位噪声的锁相环实现方法，其特征在于，所述锁相环路的PCB板通过开槽口与腔体连接。
10.如权利要求8所述的一种低相位噪声的锁相环实现方法，其特征在于，信号的输出端口通过SMA电缆连接器相连，并增加导电胶。
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