CN105577177B - 一种局部频偏相位噪声可控的频率源 - Google Patents

一种局部频偏相位噪声可控的频率源 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种局部频偏相位噪声可控的频率源，该频率源包括：现场可编程门阵列、数据存储器、数字信号处理器和数模转换器；现场可编程门阵列，根据外部控制指令生成有色噪声控制指令；数字信号处理器，根据有色噪声控制指令生成有色噪声数字信号，并将有色噪声数字信号发送至数据存储器；现场可编程门阵列，还向数据存储器发出数据调用指令，调取出有色噪声数字信号，并根据有色噪声数字信号生成包含有色相位噪声信息的幅度控制信号；数模转换器，对包含有色相位噪声信息的幅度控制信号进行数模转换，生成局部频偏相位噪声可控的频率源的输出信号。本发明实现了频率源输出信号相位噪声幅度的准确控制。

Description

一种局部频偏相位噪声可控的频率源
技术领域
本发明涉及频率源相位噪声技术领域。更具体地，涉及一种局部频偏相位噪声可控的频率源。
背景技术
频率源作为武器系统的重要组成部分，其相位噪声是一项非常关键的技术指标，直接影响现代电子系统的性能。在现代接收机中，大动态、高选择性、宽带捷变频等都受到相位噪声限制，尤其在复杂电磁环境下，本振信号的相位噪声直接影响混频过程中弱小有用信号的提取；在现代通信系统中，相位噪声不仅影响误码率和载频跟踪精度，还影响通信接收机信道内、外性能测量。
在通信设施、接收机、雷达等电子系统的研制、测试与性能评估领域，尤其是在复杂现场环境下，除了正常的系统老化引起的性能恶化外，其他如振动、加速度、温度变化、电磁干扰等现场环境，都会使电子系统对频率源相位噪声的指标要求发生变化，从而影响电子系统的整体性能，甚至不能正常工作。目前，由于缺少有效的量化评估手段，无法准确标定不同环境条件下频率源相位噪声对电子系统性能指标的影响，也无法准确提出不同环境条件下电子系统频率源相位噪声的具体技术指标要求。为了保证电子系统的性能指标，除了可能的理论分析外，主要有两种解决途径：一种方法是通过反复试验完成设计、测试、性能评估等各项工作，这不仅增加了研制成本，而且延长了研制周期；另一种方法是对频率源相位噪声指标提出极为严格的要求，这很容易导致“过设计”，增加系统设备的复杂度和研制难度，并为此付出很大代价，如成本、功耗、体积、重量、研制周期等等。
在相位噪声测试系统计量校准领域，传统校准方法是多套相位噪声测量系统对同一个标准频率的晶振测试，然后将测试结果进行比对，由于晶振相位噪声的瞬时变化，其重复性在±3dB之内，比对的误差较大，给用户的判断带来很大的困难。另外，在相位噪声测量系统中，由于待测信号相噪类型的不同和相噪水平的不同会引起相噪测量系统中的低噪声放大器、噪声数据采集和近载频环路滤波器等部分表现出差异，导致最终的测量结果出现较大偏差。
因此，为量化电子系统在频率源不同相位噪声条件下的性能评估，明确电子系统对频率源相位噪声指标的具体要求，实现相位噪声测试系统在不同相位噪声水平下的准确计量校准，进行相位噪声动态调制技术研究，研制局部频偏相位噪声可控的频率源具有重要意义。
目前，频率源载波信号相位噪声调制主要是通过模拟电路的方法实现，包括环路注入法和载波调制法，对数字实现方法的研究很少。
环路注入法是在锁相环的环路内加入噪声，直接用模拟噪声源调制振荡器或压控振荡器。虽然锁相环技术和白噪声源技术已经比较成熟，但输出信号相位噪声受到压控振荡器压控灵敏度以及环路带宽的约束，不仅需要较长的锁定时间和较大的噪声动态功率范围，而且难以做到较高的频率分辨力和控制精度，也难以模拟有色噪声曲线。
载波调制法是用相位调制器在相位锁定的压控振荡器输出端调制载波信号。这种方法将噪声电压注入到相位调制器，相位调制器将噪声电压转化为相位噪声，增加噪声电压就会增加相位噪声的调制幅度。这种相位调制方式对锁相环的环路带宽没有限制，所以为了获得更短的锁定时间，环路带宽可以尽可能宽。其另一个优点就是相位噪声的分布与压控振荡器的压控灵敏度无关，而是由相位调制度决定，具有与调制噪声功率谱密度分布一样的波形。这种方法的缺点是噪声电压都是采用模拟电路产生，难以实现对噪声电压幅度和形状的准确控制，也就难以实现频率源局部频偏相位噪声的准确控制。
因此，需要提供一种控制精度高的局部频偏相位噪声可控的频率源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种局部频偏相位噪声可控的频率源，解决现有频率源局部频偏相位噪声控制精度不高的问题。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种局部频偏相位噪声可控的频率源，该频率源包括：现场可编程门阵列、数据存储器、数字信号处理器和数模转换器；
所述现场可编程门阵列，根据外部控制指令生成有色噪声控制指令；
所述数字信号处理器，根据所述有色噪声控制指令生成有色噪声数字信号，并将所述有色噪声数字信号发送至所述数据存储器；
所述现场可编程门阵列，还向所述数据存储器发出数据调用指令，调取出所述有色噪声数字信号，并根据所述有色噪声数字信号生成包含有色相位噪声信息的幅度控制信号；
所述数模转换器，对所述包含有色相位噪声信息的幅度控制信号进行数模转换，生成局部频偏相位噪声可控的频率源的输出信号。
优选地，所述数据存储器为直接静态数据存储器。
优选地，所述数字信号处理器包括：白噪声产生模块、多个数字滤波器、指令解析模块和有色噪声产生模块；
所述白噪声产生模块，采用伪随机码序列的方式产生白噪声数字信号，并将所述白噪声数字信号分别发送至所述多个数字滤波器；
所述指令解析模块，将所述有色噪声控制指令解析成控制数据，并将所述控制数据分别发送至所述多个数字滤波器；
所述多个数字滤波器，分别根据所述控制数据对所述白噪声数字信号进行数字滤波处理；
所述有色噪声产生模块，根据多路经数字滤波处理后的白噪声数字信号产生有色噪声数字信号，并将所述有色噪声数字信号发送至所述数据存储器。
优选地，所述现场可编程门阵列包括：控制模块、频率控制模块、相位控制模块、数字混频器和幅度控制数据存储模块；
所述控制模块，完成对外部控制指令的解析，生成频率控制指令并将其发送至所述频率控制模块，生成有色噪声控制指令并将其发送至所述数字信号处理器，生成数据调用指令并将其发送至所述数据存储器；
所述频率控制模块，根据所述频率控制指令生成频率控制信号；
所述相位控制模块，根据所述频率控制信号生成相位控制信号；
所述数字混频器，将所述相位控制信号与所述有色噪声数字信号进行数字混频，生成包含局部频偏相位噪声控制信息的频率源相位控制信号；
幅度控制数据存储模块，根据所述包含局部频偏相位噪声控制信息的频率源相位控制信号查表得到包含有色相位噪声信息的幅度控制信号。
优选地，所述现场可编程门阵列还包括：寄存器，暂存所述相位控制模块向所述数字混频器发送的相位控制信号。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明解决了频率源局部频偏相位噪声控制精度不高的问题。实现了在局部频偏相位噪声可控频率源领域的技术突破，为量化电子系统在频率源不同相位噪声条件下的性能评估，明确电子系统对频率源相位噪声指标的具体要求，实现相位噪声测试系统在不同相位噪声水平下的准确计量校准奠定了坚实的技术基础。
(2)本发明采用数字方法以及高速数字器件对噪声源进行准确赋形，并对载波信号相位噪声进行了准确有色调制，实现了载波信号相位噪声形状的准确控制，可任意设置，突破了相位噪声只有一种或固定几种调制形式的限制。
(3)本发明采用数字方法以及高速数字器件对噪声源的输出信号幅度可进行精确控制，从而实现了频率源输出信号相位噪声幅度的准确控制，可任意设定，幅度控制分辨率可达0.1dB，达到先进水平。其幅度调整动态范围可达40dB以上。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出局部频偏相位噪声可控的频率源的示意图。
图2示出局部频偏相位噪声可控的频率源中数字信号处理器的示意图。
图3示出局部频偏相位噪声可控的频率源中现场可编程门阵列的示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例提供的局部频偏相位噪声可控的频率源，包括：现场可编程门阵列(FPGA)、数据存储器(SDRAM)、数模转换器(DAC)和数字信号处理器(DSP)；
其连接关系为：
现场可编程门阵列分别与直接静态数据存储器、数模转换器、数字信号处理器连接，数字信号处理器与直接静态数据存储器连接；
其信号走向为：
现场可编程门阵列根据外部控制指令生成有色噪声控制指令，并将有色噪声控制指令发送至数字信号处理器；数字信号处理器根据有色噪声控制指令生成有色噪声数字信号，并将有色噪声数字信号发送至数据存储器存储；相位噪声调制时，现场可编程门阵列向数据存储器发出数据调用指令，快速取出有色噪声数字信号，并根据有色噪声数字信号生成包含有色相位噪声信息的幅度控制信号；最后，包含有色相位噪声信息的幅度控制信号通过数模转换器转换为局部频偏相位噪声可控的频率源的输出信号。
其中
数据存储器为直接静态数据存储器。
如图2所示，数字信号处理器采用数字滤波成形技术生成有色噪声数字信号，包括：白噪声产生模块、数字滤波器组、指令解析模块和有色噪声产生模块；
白噪声产生模块，采用伪随机码序列的方式产生白噪声数字信号，送至数字滤波器组；
指令解析模块，将现场可编程门阵列发送的有色噪声控制指令解析成相应的控制数据，并发送至数字滤波器组，实现对数字滤波器组中各个无限冲激响应(IIR)滤波器频率响应曲线的准确控制；
数字滤波器组，包括多个数字滤波器，每个数字滤波器均根据控制数据对白噪声信号进行数字滤波处理，实现对白噪声信号功率谱密度的准确控制；
有色噪声产生模块，对经数字滤波器组数字滤波处理后的多路白噪声数字信号进行求和运算，生成功率谱密度按有色噪声控制指令输出的有色噪声数字信号，并将其送至直接数字静态存储器存储。
如图3所示，现场可编程门阵列采用直接数字频率合成技术生成局部频偏相位噪声可控频率源的相位控制数据，包括：控制模块、频率控制模块、相位控制模块、数字混频器和幅度控制数据存储模块；
控制模块，完成对外部控制指令的解析，生成频率控制指令并将频率控制指令发送至频率控制模块，生成有色噪声控制指令并将有色噪声控制指令发送至数字信号处理器，生成数据调用指令并将数据调用指令发送至直接静态数据存储器；
频率控制模块，根据频率控制指令生成频率控制信号，并将频率控制信号发送至相位控制模块；
相位控制模块，根据频率控制信号生成相位控制信号，并将相位控制信号发送至数字混频器；
数字混频器，将相位控制信号与数字信号处理器生成的有色噪声数字信号进行数字混频，生成包含局部频偏相位噪声控制信息的频率源相位控制信号；
幅度控制数据存储模块，根据包含局部频偏相位噪声控制信息的频率源相位控制信号查表得到包含有色相位噪声信息的幅度控制信号。
现场可编程门阵列还包括寄存器，暂存相位控制模块向数字混频器发送的相位控制信号。
本实施例提供的局部频偏相位噪声可控的频率源基于数字信号处理技术实现了有色噪声数字信号的产生，运用数字混频法实现了有色噪声信息在数字域的叠加，采用直接数字频率合成方式实现了载波信号的相位噪声调制，最终实现了频率源局部频偏相位噪声的可控输出。
本实施例提供的局部频偏相位噪声可控的频率源已成功应用于相位噪声可调宽带标准参考源中。根据本实施例提供的局部频偏相位噪声可控的频率源所产生的100MHz～200MHz基带信号，可以实现整个频偏范围内绝对相位噪声的可控输出，可设局部频偏相位噪声点数不少于6个，局部频偏相位噪声类型不少于f－3、f－2、f－1、f－0等4种，可调整动态范围为10dB至50dB，误差±2dB，调整准确度为0.2dB。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种局部频偏相位噪声可控的频率源，其特征在于，该频率源包括：现场可编程门阵列、数据存储器、数字信号处理器和数模转换器；
所述现场可编程门阵列，根据外部控制指令生成有色噪声控制指令；
所述数字信号处理器，根据所述有色噪声控制指令生成有色噪声数字信号，并将所述有色噪声数字信号发送至所述数据存储器；
所述现场可编程门阵列，还向所述数据存储器发出数据调用指令，调取出所述有色噪声数字信号，并根据所述有色噪声数字信号生成包含有色相位噪声信息的幅度控制信号；
所述数模转换器，对所述包含有色相位噪声信息的幅度控制信号进行数模转换，生成局部频偏相位噪声可控的频率源的输出信号。
2.根据权利要求1所述的局部频偏相位噪声可控的频率源，其特征在于，所述数据存储器为直接静态数据存储器。
3.根据权利要求1所述的局部频偏相位噪声可控的频率源，其特征在于，所述数字信号处理器包括：白噪声产生模块、多个数字滤波器、指令解析模块和有色噪声产生模块；
所述白噪声产生模块，采用伪随机码序列的方式产生白噪声数字信号，并将所述白噪声数字信号分别发送至所述多个数字滤波器；
所述指令解析模块，将所述有色噪声控制指令解析成控制数据，并将所述控制数据分别发送至所述多个数字滤波器；
所述多个数字滤波器，分别根据所述控制数据对所述白噪声数字信号进行数字滤波处理；
所述有色噪声产生模块，根据多路经数字滤波处理后的白噪声数字信号产生有色噪声数字信号，并将所述有色噪声数字信号发送至所述数据存储器。
4.根据权利要求1所述的局部频偏相位噪声可控的频率源，其特征在于，所述现场可编程门阵列包括：控制模块、频率控制模块、相位控制模块、数字混频器和幅度控制数据存储模块；
所述控制模块，完成对外部控制指令的解析，生成频率控制指令并将其发送至所述频率控制模块，生成有色噪声控制指令并将其发送至所述数字信号处理器，生成数据调用指令并将其发送至所述数据存储器；
所述频率控制模块，根据所述频率控制指令生成频率控制信号；
所述相位控制模块，根据所述频率控制信号生成相位控制信号；
所述数字混频器，将所述相位控制信号与所述有色噪声数字信号进行数字混频，生成包含局部频偏相位噪声控制信息的频率源相位控制信号；
幅度控制数据存储模块，根据所述包含局部频偏相位噪声控制信息的频率源相位控制信号查表得到包含有色相位噪声信息的幅度控制信号。
5.根据权利要求4所述的局部频偏相位噪声可控的频率源，其特征在于，所述现场可编程门阵列还包括：寄存器，暂存所述相位控制模块向所述数字混频器发送的相位控制信号。
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