CN105356896B - 一种用于小型化Ka双频发射机的多频切换系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于小型化Ka双频发射机的多频切换系统及方法，采用取样锁相技术及串口程序控制数字锁相混频的方式结合多CRO联合切换的技术。在该方案中，取样锁相后的低相噪点频源作为混频器的本振，通过混频器，将要输出的射频信号下变频至较低频率的中频信号，再进入数字锁相电路。同时通过程序控制数字锁相电路中鉴相器串口控制信号的输入，可以实现任意分频比，再结合多CRO切换技术，即可实现宽带、高分辨率低相噪锁相频率源的频率切换。信号经过倍频后实现了高分辨率低相位噪声的Ka频段频率源。该技术具有很强的通用性，适当改变电路参数及FPGA程序，即可实现多频点的低相噪频率源，有广阔的运用前景。

Description

一种用于小型化Ka双频发射机的多频切换系统及方法
技术领域
本发明为一种用于小型化Ka双频发射机的多频切换系统及方法，在实现多频点输出的同时保证高相噪指标。该技术具有很强的通用性，是一种便于设计、调试，并可用于航天产品的具有良好相噪性能的多频切换方法。
背景技术
小型化中继终端为第一代中继终端升级换代系统。具有体积小、重量轻、功耗低、性能指标高等优点，目前已应用于多个遥感系列卫星。星载小型化Ka调制发射机是小型化中继终端中重点攻关的关键分机。主要功能是将数传分系统提供的基带信号经过信道编码、微波调制后及放大后输出至行波管放大器。
分机还有一个重要功能是通过指令设置实现一代和二代中继系统共四个载波频率的切换。由于单机相位噪声指标要求很高，单一的数字锁相技术或者取样锁相技术均不能适应新本振方案的要求。
取样锁相是实现超低相噪微波点频源的最佳方案，取样锁相技术充分发挥了取样鉴相器极低相位噪声的特点，可以克服普通数字锁相技术由于微波分频及数字基底噪声带来的限制。在环路带宽内，参考信号的相位噪声按理论值恶化，从而使微波点频源得相噪达到最优。但是，取样锁相技术有一个缺点，频率分辨率低，只能实现参考信号整数倍的微波信号。
用100MHz作参考信号,要提高频率分辨率，只能采用数字分频锁相技术，利用参考分频技术，可实现任意频点。其缺点是受鉴相器底噪影响，倍频次数很高时，环路带宽内的相位噪声恶化严重，无法实现低相位噪声的频率源。
同时输出信号频点间隔较远，以往型号中使用的单个压控振荡器以及固定置数频率切换方法也不能实现一台产品的多个载波频率切换。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术中使用的固定置数频率切换方法以及单一的数字锁相技术或者取样锁相技术均不能适应新型号中宽频率间隔及高相位噪声指标的不足，提出一种用于小型化Ka双频发射机的多频切换系统及方法，解决了高分辨率低相位噪声的Ka频段频率源，在实现多频点输出的同时保证高相噪指标。
本发明的技术解决方案：一种用于小型化Ka双频发射机的多频切换系统，包括：数字频率控制电路(1)、数字锁相电路(2)、取样锁相电路(3)、开关电路(4)、工作频点不同的同轴介质压控振荡器CRO(5，6)、同轴介质压控振荡器CRO3(7)、合成桥(8)、混频电路(9)；
取样锁相电路(3)为印制电路板，包括：取样锁相鉴相器、功分器、放大器；
数字锁相电路(2)，包括：数字鉴相器和有源低通滤波器；
功分器把输入的参考信号功分，一路给取样锁相电路的放大器，另一路给数字锁相电路，放大器将功分的一路参考信号放大，用该放大的参考信号，给取样锁相鉴相器提供足够的功率，取样锁相鉴相器把该放大的参考信号转换为重复频率与该放大的参考信号一样的窄脉冲，作为参考脉冲，用该参考脉冲对同轴介质压控振荡器CRO3(7)产生的正弦波信号进行取样，当该正弦波信号的频率为参考信号的频率的整数倍，并保持正弦波信号与参考信号的相位同步，取样锁相鉴相器将输出一个稳定的直流电压给同轴介质压控振荡器CRO3(7)，实现同轴介质压控振荡器CRO3(7)的锁定(输出稳定振荡信号)，作为混频电路的射频激励信号；
开关电路(4)中安装继电器，通过外部的响应选频指令切换与响应选频指令对应频点的同轴介质压控振荡器CRO(5，6)供电，同轴介质压控振荡器CRO(5，6)产生振荡信号送至合成桥(8)的输入端，从而实现选择与外部的响应选频指令对应的频率的同轴介质压控振荡器CRO(5，6)工作；
合成桥(8)采用微波分支线桥电路，包括输入端和两个输出端，合成桥(8)的输入端连接不同工作频点的同轴介质压控振荡器CRO(5，6)的输出，合成桥(8)将输入端输入的振荡信号分两路从两个输出端输出，合成桥(8)的一个输出端作为系统的输出，输出本振信号；合成桥(8)的另一个输出端作为混频电路(9)的本振信号，混频电路(9)将该本振信号与同轴介质压控振荡器CRO3(7)的输出信号进行混频得到中频信号送至数字锁相电路(2)；
数字鉴相器，根据分频比，对中频信号与功分器分配的另一路参考信号进行鉴频鉴相，经由有源低通滤波器进行低通滤波、放大后产生控制电压，该控制电压控制同轴介质压控振荡器CRO(5，6)的电调端，使CRO(5，6)根据外部的响应选频指令，稳定输出振荡信号；
数字频率控制电路(1)响应输入的外部的响应选频指令，根据数字鉴相器的四个串口控制字的时序产生四路串口控制信号，并输出至数字锁相电路(2)中的数字鉴相器，控制数字鉴相器的分频比。
所述数字频率控制电路(1)有3种工作方式，一种是直接置数方式，第二种为并口置数方式，第三种为串口置数方式，当工作方式为直接置数方式，此方式需要16根控制线控制分频比；当工作方式为并口置数方式需要12根控制线；当工作方式为串口置数方式只需要4根控制线，大大简化了PCB外围电路设计，通过数字频率控制电路中的FPGA程序控制串口控制线的输出。
所述数字锁相电路为印制电路板中的数字鉴相器采用Peregrine公司开发的大规模单片低功耗集成数字锁相模块PE9702，该器件具有串口置数功能，通过控制数字频率控制电路中的串口控制线的输出，能够实现需要的分频比，实现各工作频率CRO信号的锁定。
如图2所示，一种用于小型化Ka双频发射机的多频切换方法，包括步骤如下：
(1)功分器把输入的参考信号功分，一路给取样锁相电路的放大器，另一路给数字锁相电路，放大器将功分的一路参考信号放大，用该放大的参考信号，给取样锁相鉴相器提供足够的功率，取样锁相鉴相器把该放大的参考信号转换为重复频率与该放大的参考信号一样的窄脉冲，作为参考脉冲；
(2)用该参考脉冲对同轴介质压控振荡器CRO3(7)产生的正弦波信号进行取样，当该正弦波信号的频率为参考信号的频率的整数倍，并保持正弦波信号与参考信号的相位同步，取样锁相鉴相器将输出一个稳定的直流电压给同轴介质压控振荡器CRO3(7)，实现同轴介质压控振荡器CRO3(7)锁定，作为混频电路的射频激励信号；
(3)混频电路(9)将该混频电路(9)的本振信号与同轴介质压控振荡器CRO3(7)的输出振荡信号进行混频得到中频信号送至数字锁相电路(2)；
(4)数字鉴相器，根据分频比，对中频信号与功分器分配的另一路参考信号进行鉴频鉴相，经由有源低通滤波器进行低通滤波、放大后产生控制电压，该控制电压控制同轴介质压控振荡器CRO(5，6)的电调端，使CRO(5，6)根据外部的响应选频指令，稳定输出振荡信号；
(5)数字频率控制电路(1)响应输入的外部的响应选频指令，产生四路串口控制码，再根据数字鉴相器的四个串口控制字的时序，输出四路串口控制码送至数字锁相电路(2)中的数字鉴相器，控制数字鉴相器的分频比；
(6)开关电路(4)中安装继电器，通过外部的响应选频指令切换与响应选频指令对应频点的同轴介质压控振荡器CRO(5，6)供电，同轴介质压控振荡器CRO(5，6)产生振荡信号送至合成桥(8)的输入端，从而实现选择与外部的响应选频指令对应的频率的同轴介质压控振荡器CRO1或CRO2(5，6)工作；
(7)合成桥(8)采用微波分支线桥电路，包括输入端和两个输出端，合成桥(8)的输入端连接不同工作频点的同轴介质压控振荡器CRO(5，6)的输出，合成桥(8)将输入端输入的振荡信号分两路从两个输出端输出，合成桥(8)的一个输出端作为系统的输出，输出本振信号；合成桥(8)的另一个输出端作为混频电路(9)的本振信号。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用取样锁相技术及FPGA串口程序控制数字锁相混频的方式结合多CRO联合切换的技术实现了高分辨率低相位噪声的Ka频段频率源，在实现多频点输出的同时保证高相噪指标。而现有技术中使用的固定置数频率切换方法以及单一的数字锁相技术或者取样锁相技术较难实现以上要求。
(2)本发明采用取样锁相技术及数字锁相技术混频的方式实现高分辨率低相位噪声的Ka频段频率源。
(3)本发明采用FPGA串口程序控制数字锁相电路的分频比，只要更换CRO及改变PFGA的程序，不用对PCB电路进行修改即可实现任意频点的频率源。
(4)本发明采用开关电路控制多个CRO，可以实现多个、宽带的载波频率切换。
附图说明
图1为本发明的实现原理框图；
图2为本发明的方法流程图；
图3为本发明数字鉴相器PE9702的串口模式控制码时序图；
图4为数字频率控制电路仿真波形。
具体实施方式
本发明的基本思路为：该方案中，取样锁相后的低相噪点频源作为混频器的本振，通过混频器，将要输出的的射频信号下变频至较低频率的中频信号，再进入数字锁相电路。通过程序控制数字锁相电路中数字鉴相器的串口控制线的输入，可以实现任意分频比，同时通过对CRO的切换，即可实现宽带、高分辨率低相噪锁相频率源的频率切换。
本发明的原理为：本发明采用取样锁相技术及FPGA串口程序控制数字锁相混频的方式，通过环内混频技术，降低了数字锁相电路的倍频次数。在该方案中，取样锁相后的低相噪点频源作为混频器的本振，通过混频器，将要输出的的射频信号下变频至较低频率的中频信号，再进入数字锁相电路。这样，数字锁相环的倍频次数可由几百倍降到到十几倍，降低了锁相环底噪的影响，使环路带宽内的相噪达到理论值。数字锁相电路采用的分频鉴相器为PE9702，通过程序控制串口控制线的输入，可以实现任意分频比，结合取样锁相技术和多CRO切换技术，即可实现宽带、高分辨率低相噪的锁相频率源。
如图1所示，其原理构成包括：包括数字频率控制电路1、数字锁相电路2、取样锁相电路3、开关电路4、工作频点不同的同轴介质压控振荡器CRO(可以为多个CRO1、CRO2，以下举例时以两个CRO为例)、同轴介质压控振荡器CRO3、合成桥8、混频电路9；
经取样锁相电路锁定的的同轴介质压控振荡器CRO3的输出作为混频电路(9)的射频激励信号，与工作频点不同的同轴介质压控振荡器CRO1或CRO2的输出信号经混频电路9混频后得到的中频信号进入数字锁相电路，与(优选的100M的)参考信号在数字鉴相器中进行鉴频鉴相，经由有源低通滤波器后产生控制电压，该控制电压控制CRO1和CRO2的电调端，使CRO1和CRO2锁定需要的频率。由于需要实现输出频点可切换，而CRO1和CRO2输出频率范围较窄无法满足两个频点的需要，因此采用两个或多个不同频点的CRO进行切换。
所述取样锁相电路为印制电路板，其上配置有取样锁相鉴相器、功分器、放大器、有源环路滤波器，扩捕电路组成。功分器把输入的100MHz参考信号功分，一路给取样锁相电路，一路给数字锁相电路。放大器将功分的100MHz参考信号放大，给取样锁相鉴相器提供足够的功率。取样鉴相器把参考信号转换为重复频率与参考信号一样的窄脉冲，参考脉冲对CRO3产生的正弦波进行取样，当CRO3为参考频率的整数倍，并保持严格相位同步，取样鉴相器将输出一个稳定的直流电压，实现环路锁定。当开机时CRO3频率与参考频率相差很多，依靠环路的自捕获能力不能使环路锁定，所以引入扩捕电路，对CRO3进行频率牵引，当CRO3频率扫描到环路的快捕带时，依靠环路的自捕获能力实现环路锁定。取样锁相电路实现图1中同轴介质压控振荡器CRO3的信号锁定。
数字锁相电路为印制电路板，包括数字鉴相器和有源环路滤波器；数字鉴相器优选Peregrine公司开发的大规模单片低功耗集成数字锁相模块PE9702，具有较低的底噪。该器件有3种工作方式，一种是直接置数方式，第二种为并口置数方式，第三种为串口置数方式。常用的为直接置数方式，此方式需要16根控制线控制分频比；并口置数方式需要12根控制线；而并口置数方式只需要4根控制线，大大简化了PCB外围电路设计。通过数据处理电路中的FPGA程序控制串口控制线的输入，可以实现需要的分频比。通过取样锁相电路和数字锁相电路的环内混频，大大降低了数字环的倍频次数，使环路带宽内的相噪达到理论值，从而实现高分辨率低相噪频率源。数字锁相电路实现图1中CRO1、CRO2与同轴介质压控振荡器CRO3(7)的中频信号的锁定。
所述数字频率控制电路为印制电路板，其上配置有可编程逻辑器件PFGA，输入钟(晶振)等。FPGA响应输入的外部频率1或频率2指令，根据数字鉴相器的四个串口控制字的时序产生四路串口控制信号，包括时钟、数据和两路使能信号，并输出至数字锁相电路2中的数字鉴相器，控制数字鉴相器的分频比，四个串口控制信号的时序如图3所示，图3中为数字鉴相器PE9702的串口模式控制信号时序图。图3中Sdata为数字鉴相器的串口数据输入端，Sclk为串口模式时钟输入端，S-WR为串口模式使能输入端，当S-WR为低电平时，Sdata为锁存状态，在S-WR的上升沿时初级寄存器内的数据传输到次级寄存器。E-WR为串口模式增强型寄存器写入使能端，当E-WR为高电平时，在Sclk的上升沿Sdata数据串口锁存进增强型寄存器。优选方案是：tEC为E-WR到Sclk的上升沿之间时间间隔，最小为30ns。tCE为Sclk的下降沿到E-WR的时间间隔,最小为30ns。tDSU为Sdata在Sclk上升沿到来之前所需的建立时间,最小为10ns。tDHLD为Sdata的保持时间,最小为10ns。tCKLH为串口时钟高电平保持时间，tCKLL为串口时钟低电平保持时间，最小均为30ns。tCWR为Sclk上升沿跟E-WR之间的时间间隔，最小为30ns。tWRC为S-WR的下降沿到Sclk的上升沿之间的时间间隔，最小为30ns。tPW为S-WR的脉冲宽度，最小为30ns。
数字频率控制电路的仿真结果如图4所示：
由于需要实现输出频点可切换，而CRO输出频率范围较窄无法满足两个宽间隔频点的需要，因此采用两个不同频点的CRO(图中的CRO1和CRO2)进行切换。开关电路中安装继电器，通过响应选频指令切换对应频点CRO器件的供电从而实现选择对应CRO工作。
合成桥采用微波分支线桥电路，输入端连接接不同频点CRO，一个输出端作为信号输出，另一个作为混频电路的本振信号与取样环输出信号进行混频。由于分支线桥不同输入端的损耗特性一致，这样无论选择哪个CRO工作，两个输出端的信号大小基本相同，不会影响环路状态及输出特性。
混频电路需选用RF-LO隔离较高的混频器件，这样可以减少取样锁相电路输出信号通过混频电路泄漏至输出端而产生的杂波信号。
本发明实现了高分辨率低相位噪声的Ka频段频率源，在实现多频点输出的同时保证高相噪指标，例如在优选的100MHz参考输入输入时，可实现10MHz分辨率的26GHz信号，相噪指标可实现-75dBc/Hz在频率100Hz，-93dBc/Hz在频率1KHz，-96dBc/Hz在频率10KHz，-107dBc/Hz在频率100KHz，-128dBc/Hz在频率1MHz，相噪指标得到显著改善。

Claims (4)

1.一种用于小型化Ka双频发射机的多频切换系统，其特征在于：包括数字频率控制电路(1)、数字锁相电路(2)、取样锁相电路(3)、开关电路(4)、工作频点不同的同轴介质压控振荡器CRO(5，6)、同轴介质压控振荡器CRO3(7)、合成桥(8)、混频电路(9)；
取样锁相电路(3)为印制电路板，包括：取样锁相鉴相器、功分器、放大器；
数字锁相电路(2)，包括：数字鉴相器和有源低通滤波器；
功分器把输入的参考信号功分，一路给取样锁相电路的放大器，另一路给数字锁相电路，放大器将功分的一路参考信号放大，用该放大的参考信号，给取样锁相鉴相器提供足够的功率，取样锁相鉴相器把该放大的参考信号转换为重复频率与该放大的参考信号一样的窄脉冲，作为参考脉冲，用该参考脉冲对同轴介质压控振荡器CRO3(7)产生的正弦波信号进行取样，当该正弦波信号的频率为参考信号的频率的整数倍，并保持正弦波信号与参考信号的相位同步，取样锁相鉴相器将输出一个稳定的直流电压给同轴介质压控振荡器CRO3(7)，实现同轴介质压控振荡器CRO3(7)的锁定，输出稳定振荡信号，作为混频电路的射频激励信号；
开关电路(4)中安装继电器，通过外部的响应选频指令切换与响应选频指令对应频点的同轴介质压控振荡器CRO(5，6)供电，同轴介质压控振荡器CRO(5，6)产生振荡信号送至合成桥(8)的输入端，从而实现选择与外部的响应选频指令对应的频率的同轴介质压控振荡器CRO(5，6)工作；
合成桥(8)采用微波分支线桥电路，包括输入端和两个输出端，合成桥(8)的输入端连接不同工作频点的同轴介质压控振荡器CRO(5，6)的输出，合成桥(8)将输入端输入的振荡信号分两路从两个输出端输出，合成桥(8)的一个输出端作为系统的输出，输出本振信号；合成桥(8)的另一个输出端作为混频电路(9)的本振信号，混频电路(9)将该本振信号与同轴介质压控振荡器CRO3(7)的输出信号进行混频得到中频信号送至数字锁相电路(2)；
数字鉴相器，根据分频比，对中频信号与功分器分配的另一路参考信号进行鉴频鉴相，经由有源低通滤波器进行低通滤波、放大后产生控制电压，该控制电压控制同轴介质压控振荡器CRO(5，6)的电调端，使CRO(5，6)根据外部的响应选频指令，稳定输出振荡信号；
数字频率控制电路(1)响应输入的外部的响应选频指令，根据数字鉴相器的四个串口控制字的时序产生四路串口控制信号，并输出至数字锁相电路(2)中的数字鉴相器，控制数字鉴相器的分频比。
2.根据权利要求1所述的一种用于小型化Ka双频发射机的多频切换系统，其特征在于：所述数字频率控制电路(1)有3种工作方式，一种是直接置数方式，第二种为并口置数方式，第三种为串口置数方式，当工作方式为直接置数方式，此方式需要16根控制线控制分频比；当工作方式为并口置数方式需要12根控制线；当工作方式为串口置数方式只需要4根控制线。
3.根据权利要求1所述的一种用于小型化Ka双频发射机的多频切换系统，其特征在于：所述数字锁相电路为印制电路板中的数字鉴相器采用Peregrine公司开发的大规模单片低功耗集成数字锁相模块PE9702，该集成数字锁相模块PE9702具有串口置数功能，通过控制数字频率控制电路中的串口控制线的输出，能够实现需要的分频比，实现各工作频率CRO信号的锁定。
4.一种用于小型化Ka双频发射机的多频切换方法，其特征在于：包括步骤如下：
(1)取样锁相电路为印制电路板，其上配置有取样锁相鉴相器、功分器、放大器；功分器把输入的参考信号功分，一路给取样锁相电路的放大器，另一路给数字锁相电路，放大器将功分的一路参考信号放大，用该放大的参考信号，给取样锁相鉴相器提供足够的功率，取样锁相鉴相器把该放大的参考信号转换为重复频率与该放大的参考信号一样的窄脉冲，作为参考脉冲；
(2)用该参考脉冲对同轴介质压控振荡器CRO3(7)产生的正弦波信号进行取样，当该正弦波信号的频率为参考信号的频率的整数倍，并保持正弦波信号与参考信号的相位同步，取样锁相鉴相器将输出一个稳定的直流电压给同轴介质压控振荡器CRO3(7)，实现同轴介质压控振荡器CRO3(7)锁定，作为混频电路的射频激励信号；
(3)混频电路(9)将该混频电路(9)的本振信号与同轴介质压控振荡器CRO3(7)的输出振荡信号进行混频得到中频信号送至数字锁相电路(2)；
(4)数字锁相电路为印制电路板，包括数字鉴相器和有源低通滤波器；数字鉴相器，根据分频比，对中频信号与功分器分配的另一路参考信号进行鉴频鉴相，经由有源低通滤波器进行低通滤波、放大后产生控制电压，该控制电压控制同轴介质压控振荡器CRO(5，6)的电调端，使CRO(5，6)根据外部的响应选频指令，稳定输出振荡信号；
(5)数字频率控制电路(1)响应输入的外部的响应选频指令，产生四路串口控制码，再根据数字鉴相器的四个串口控制字的时序，输出四路串口控制码送至数字锁相电路(2)中的数字鉴相器，控制数字鉴相器的分频比；
(6)开关电路(4)中安装继电器，通过外部的响应选频指令切换与响应选频指令对应频点的同轴介质压控振荡器CRO(5，6)供电，同轴介质压控振荡器CRO(5，6)产生振荡信号送至合成桥(8)的输入端，从而实现选择与外部的响应选频指令对应的频率的同轴介质压控振荡器CRO(5，6)工作；
(7)合成桥(8)采用微波分支线桥电路，包括输入端和两个输出端，合成桥(8)的输入端连接不同工作频点的同轴介质压控振荡器CRO(5，6)的输出，合成桥(8)将输入端输入的振荡信号分两路从两个输出端输出，合成桥(8)的一个输出端作为系统的输出，输出本振信号；合成桥(8)的另一个输出端作为混频电路(9)的本振信号。
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