CN107147390B - 一种宽带快速频率综合装置 - Google Patents

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    • H03L7/18Indirect frequency synthesis, i.e. generating a desired one of a number of predetermined frequencies using a frequency- or phase-locked loop using a frequency divider or counter in the loop

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Abstract

本发明公开了一种宽带快速频率综合装置,包括依次连接的参考电路、鉴相器、预置补偿网络、环路滤波器和压控振荡器以及连接压控振荡器和鉴相器的分频器,鉴相器、预置补偿网络和分频器由控制器控制,参考电路向鉴相器输入参考频率,控制器用于根据目标频率计算分频器的分频比;根据分频比控制分频器进行分频以使得压控振荡器的输出频率从当前频率切换至目标频率;根据分频比和输出频率的变化幅度对预置补偿网络和鉴相器进行控制,以使得输出频率从当前频率切换至目标频率时环路带宽保持在预设范围内。通过上述方式,本发明能够在任意频率间切换时保证系统稳定性。

Description

一种宽带快速频率综合装置
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域,特别是涉及一种宽带快速频率综合装置。
背景技术
频率综合器是通信系统、雷达系统和电子站系统中的核心部件,随着技术的发展,对频率综合器的各项指标都提出更高的要求,输出频率范围、频率切换时间和相位噪声一致性是其中的重要指标。常规的频率综合器一般采用直接频率合成的方式来实现,其具有体积大,价格贵且很难实现宽带输出等问题,可以在一定程度上实现切换时间的缩短,如增大环路带宽、提高鉴相电荷泵电流等,但是当输出频率超过一个倍频程时,常规的频率综合器存在局限性,而且容易造成在超宽带内任意频点之间切换时引起环路带宽变换过大导致系统失锁的问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种宽带快速频率综合装置,能够在任意频率间切换时保证系统稳定性。
为解决上述技术问题,本发明采用的一个技术方案是:提供一种宽带快速频率综合装置,包括参考电路、鉴相器、预置补偿网络、环路滤波器、压控振荡器、分频器和控制器,所述参考电路、鉴相器、预置补偿网络、环路滤波器和压控振荡器依次连接,所述压控振荡器、分频器和鉴相器依次连接构成反馈环路,所述控制器与鉴相器、预置补偿网络和分频器相连,所述参考电路向鉴相器输入参考频率,所述控制器用于根据目标频率计算所述分频器的分频比;根据所述分频比控制所述分频器进行分频以使得所述压控振荡器的输出频率从当前频率切换至目标频率;根据所述分频比和所述输出频率的变化幅度对所述预置补偿网络和鉴相器进行控制,以使得所述输出频率从当前频率切换至目标频率时环路带宽保持在预设范围内;其中,所述压控振荡器的输出频率满足如下公式:
Fvco=Fref×N
其中,Fvco为输出频率,Fref为参考频率,N为分频器的分频比;
所述环路带宽满足如下公式:
Figure BDA0001277031600000021
其中,Fx为环路带宽,Kφ为鉴相器的频率变化斜率或者增益常数,Z_cp(S)为预置补偿网络在拉普拉斯变化下的传递函数,Z_lf(S)为环路滤波器在拉普拉斯变化下的传递函数,Kvco为压控振荡器的压控灵敏度。
优选的,还包括电阻分压预置网络,所述电阻分压预置网络连接在环路滤波器和压控振荡器之间,所述控制器还与电阻分压预置网络相连,所述控制器还用于在控制所述分频器进行分频的同时根据所述分频比控制所述电阻分压预置网络改变加置于所述压控振荡器的调谐电压以减少频率锁定时间;其中,所述环路带宽满足如下公式:
Figure BDA0001277031600000022
其中,Z_re(S)为电阻分压预置网络在拉普拉斯变化下的传递函数。
优选的,如果所述鉴相器为电荷泵式鉴相器,则Kφ∝Icp,其中,Icp为鉴相器的输出电流。
优选的,还包括混频器,所述混频器连接在分频器和压控振荡器之间,所述混频器用于对所述输出频率和混频频率进行混频后输入到分频器。
本发明的有益效果是:区别于现有技术的情况,本发明在当进行频率切换时,控制器根据待切换的目标频率计算分频器的分频比,再根据分频比控制所述分频器进行分频,并根据分频比和输出频率的变化幅度对预置补偿网络和鉴相器进行控制,从而使得环路带宽保持在较小的范围内,环路带宽变化较小,相位余量也会保持相对恒定,而系统稳定性主要由相位余量大小决定,从而能够在任意频率间切换时保证系统稳定性。
附图说明
图1是本发明第一实施例的宽带快速频率综合装置的原理示意图。
图2是本发明第二实施例的宽带快速频率综合装置的原理示意图。
图3是第一实施例和第二实施例的宽带快速频率综合装置的频率切换时间测试结果图。
图4是常规频率综合器和图2所示的宽带快速频率综合装置的环路带宽和相位余量在频率切换前后的测试结果图。
图5是常规频率综合器和图2所示的宽带快速频率综合装置的相位噪声在频率切换前后的测试结果图。
图6是本发明第三实施例的宽带快速频率综合装置的原理示意图。
具体实施例
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,所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例,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。
参阅图1,是本发明第一实施例的宽带快速频率综合装置的原理示意图。本实施例的宽带快速频率综合装置包括参考电路101、鉴相器102、预置补偿网络103、环路滤波器104、压控振荡器105、分频器106和控制器107。参考电路101、鉴相器102、预置补偿网络103、环路滤波器104、压控振荡器105依次连接,压控振荡器105、分频器106和鉴相器102依次连接构成反馈环路,控制器107与鉴相器102、预置补偿网络103和分频器106相连。
具体而言,参考电路101与鉴相器102的参考输入端连接,鉴相器102的输出端与预置补偿网络103的输入端相连,预置补偿网络103的输出端与环路滤波器104的输入端连接,环路滤波器104的输出端与压控振荡器105的输入端相连,压控振荡器105的射频输出端与分频器106的输入端相连,分频器106的输出端与鉴相器102的射频反馈端连接。
参考电路101向鉴相器102输入参考频率以使得鉴相器102对参考频率进行鉴相,控制器107用于根据目标频率计算分频器106的分频比;根据分频比控制分频器106进行分频以使得压控振荡器105的输出频率从当前频率切换至目标频率;根据分频比和输出频率的变化幅度对预置补偿网络103和鉴相器102进行控制,以使得输出频率从当前频率切换至目标频率时环路带宽保持在预设范围内。
其中,压控振荡器的输出频率满足如下公式:
Fvco=Fref×N(1)
其中,Fvco为输出频率,Fref为参考频率,N为分频器的分频比。
环路带宽满足如下公式:
Figure BDA0001277031600000041
其中,Fx为环路带宽,Kφ为鉴相器102的频率变化斜率或者增益常数,Z_cp(S)为预置补偿网络103在拉普拉斯变化下的传递函数,Z_lf(S)为环路滤波器104在拉普拉斯变化下的传递函数,Kvco为压控振荡器105的压控灵敏度。
假设当压控振荡器105的输出频率Fvco由A变为2A时,由公式(1)可知,参考频率Fref不变,输出频率Fvco增加一倍,则分频器106的分频比N也将增加一倍。而压控振荡器105的压控灵敏度Kvco的值也是一个和输出频率Fvco相关的变量,因此,根据输出频率的变化幅度可以确定压控灵敏度Kvco的值。而传递函数Z_lf(S)是一个定值,那么分频比N、压控灵敏度Kvco和传递函数Z_lf(S)是已知量,而环路带宽Fx的变化范围也是预设范围,那么要保证环路带宽Fx保持在预设范围,由公式(2)可知,可以计算出频率变化斜率或者增益常数Kφ与传递函数Z_cp(S)的值,按照频率变化斜率或者增益常数Kφ对鉴相器102进行控制以及按照传递函数Z_cp(S)对预置补偿网络103进行控制,就能够使得输出频率Fvco从当前频率切换至目标频率时环路带宽保持在预设范围内。
当输出频率Fvco变化较小时,系统相位余量也会保持相对恒定,而系统稳定性主要由相位余量大小决定。按照设计,相位余量在35°到55°之间时,系统稳定性最高,当相位余量大于55°或者小于35°时,系统会出现失锁,因此,在本实施例中,可以将预设范围设定为使相位余量保持在35°到55°之间。
参阅图2,是本发明第二实施例的宽带快速频率综合装置的原理示意图。本实施例的宽带快速频率综合装置具有与第一实施例的宽带快速频率综合装置相同的技术特征,不同之处在于,本实施例的宽带快速频率综合装置在第一实施例的宽带快速频率综合装置基础上还包括电阻分压预置网络108,电阻分压预置网络108连接在环路滤波器104和压控振荡器105之间,控制器107还与电阻分压预置网络108相连。具体问言,环路滤波器104的输出端与电阻分压预置网络108的输入端连接,电阻分压预置网络108的输出端和压控振荡器105的输入端连接。
控制器107还用于在控制分频器106进行分频的同时根据分频比控制电阻分压预置网络108改变加置于压控振荡器105的调谐电压以减少频率锁定时间。
其中,环路带宽满足如下公式:
Figure BDA0001277031600000051
其中,Z_re(S)为电阻分压预置网络108在拉普拉斯变化下的传递函数。
如第一实施例所述,如果压控振荡器105的输出频率Fvco由A变为2A时,压控振荡器105的输出频率Fvco将变化一个倍频程,那么压控振荡器105输入端的电压(即调谐电压)的变化范围在15~20倍之间,即当输出频率Fvco为A时,调谐电压为V_A伏,输出频率Fvco为2A时,调谐电压为V_2A伏,其中V_2A与V_A的比值在15~20之间。而压控振荡器105的输出频率Fvco是与加置于压控振荡器105输入端的调谐电压相关的,因此,通过在控制分频器106进行分频时控制电阻分压预置网络108对调谐电压进行电压预置,可以加快频率锁定速度,进而减少频率锁定时间。
具体而言,控制器107根据分频比N确定调谐电压的变化倍数,进而根据变化倍数确定电阻分压预置网络108的传递函数Z_re(S),那么分频比N、压控灵敏度Kvco、传递函数Z_lf(S)和传递函数Z_re(S)都是已知量,而环路带宽Fx的变化范围也是预设范围,那么要保证环路带宽Fx保持在预设范围,由公式(3)可知,可以计算出频率变化斜率或者增益常数Kφ与传递函数Z_cp(S)的值,按照频率变化斜率或者增益常数Kφ对鉴相器102进行控制以及按照传递函数Z_cp(S)对预置补偿网络103进行控制,就能够使得输出频率Fvco从当前频率切换至目标频率时环路带宽保持在预设范围内。
本实施例的宽带快速频率综合装置由于采用了电阻分压预置网络108,与第一实施例相比,在保证系统稳定性的基础上,能够将频率切换时间由百us量级提高到几us量级。如图3所示,图中,图(a)是第一实施例的宽带快速频率综合装置的频率切换时间测试结果图,从图中可以看出,频率切换时间在200us左右,图(b)是第二实施例的宽带快速频率综合装置的频率切换时间测试结果图,从图中可以看出,频率切换时间在5us左右。
本实施例的宽带快速频率综合装置能够在进行输出频率快速切换时,保证提高相环稳定性和相位噪声一致性。在某个测试中,如图4所示,图中,图(a)是压控振荡器的输出频率为A时,环路带宽和相位余量的测试曲线图,图(b)是压控振荡器的输出频率为2A时,没有引入预置补偿网络的常规频率综合器所测得的环路带宽和相位余量的测试曲线图,图(c)是压控振荡器的输出频率为2A时,本实施例的宽带快速频率综合装置所测得的环路带宽和相位余量的测试曲线图,根据图中所示,常规频率综合器和本实施例的宽带快速频率综合装置的测试结果对比如下表所示:
Figure BDA0001277031600000061
Figure BDA0001277031600000071
由此可见,本实施例的宽带快速频率综合装置由于采用了预置补偿网络103,环路带宽仅改变了18kHz,相位余量仅改变了1.4°,并且相位余量位于35°到55°的范围内,而常规频率综合器的环路带宽改变了80kHz,相位余量改变了20.2°,并且远远低于35°。
如图5所示,图中,图(a)是压控振荡器的输出频率为A和2A时,没有引入预置补偿网络的常规频率综合器所测得的相位噪声的测试曲线对比图,图(b)是压控振荡器的输出频率为A和2A时,本实施例的宽带快速频率综合装置所测得的相位噪声的测试曲线对比图。图中,细曲线对应输出频率为A的测试结果,粗曲线对应输出频率为2A的测试结果,由图可知,没有引入预置补偿网络的常规频率综合器的相位噪声在频率切换前后突变较严重,相位噪声一致性差,而本实施例的宽带快速频率综合装置的相位噪声在频率切换前后几乎没有变化,具有良好的相位噪声一致性。
需要注意的是,考虑到鉴相器102可以选用电荷泵形式,则在本实施例中,如果鉴相器102为电荷泵式鉴相器,则Kφ∝Icp,其中,Icp为鉴相器102的输出电流。在这种情况下,需要将公式(3)中的频率变化斜率或者增益常数Kφ替换为输出电流Icp来对鉴相器102进行控制。
参阅图6,是本发明第三实施例的宽带快速频率综合装置的原理示意图。本实施例的宽带快速频率综合装置具有与第二实施例的宽带快速频率综合装置相同的技术特征,不同之处在于,本实施例的宽带快速频率综合装置在第二实施例的宽带快速频率综合装置基础上还包括混频器109,混频器109连接在分频器106和压控振荡器105之间,混频器109用于对输出频率和混频频率进行混频后输入到分频器106。具体而言,压控振荡器106的射频输出端与混频器109的射频输入端连接,混频器109的中频输出端与分频器106的输入端相连。
通过上述方式,本发明实施例的宽带快速频率综合装置在当进行频率切换时,控制器根据待切换的目标频率计算分频器的分频比,再根据分频比控制所述分频器进行分频,并根据分频比和输出频率的变化幅度对预置补偿网络和鉴相器进行控制,从而使得环路带宽保持在较小的范围内,环路带宽变化较小,相位余量也会保持相对恒定,而系统稳定性主要由相位余量大小决定,从而能够在任意频率间切换时保证系统稳定性。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种宽带快速频率综合装置,其特征在于,包括参考电路、鉴相器、预置补偿网络、环路滤波器、压控振荡器、分频器和控制器,所述参考电路、鉴相器、预置补偿网络、环路滤波器和压控振荡器依次连接,所述压控振荡器、分频器和鉴相器依次连接构成反馈环路,所述控制器与鉴相器、预置补偿网络和分频器相连,所述参考电路向鉴相器输入参考频率,所述控制器用于根据目标频率计算所述分频器的分频比;根据所述分频比控制所述分频器进行分频以使得所述压控振荡器的输出频率从当前频率切换至目标频率;根据所述分频比和所述输出频率的变化幅度对所述预置补偿网络和鉴相器进行控制,以使得所述输出频率从当前频率切换至目标频率时环路带宽保持在预设范围内;
其中,所述压控振荡器的输出频率满足如下公式:
Fvco=Fref×N
其中,Fvco为输出频率,Fref为参考频率,N为分频器的分频比;
所述环路带宽满足如下公式:
Figure FDA0001277031590000011
其中,Fx为环路带宽,Kφ为鉴相器的频率变化斜率或者增益常数,Z_cp(S)为预置补偿网络在拉普拉斯变化下的传递函数,Z_lf(S)为环路滤波器在拉普拉斯变化下的传递函数,Kvco为压控振荡器的压控灵敏度。
2.根据权利要求1所述的宽带快速频率综合装置,其特征在于,还包括电阻分压预置网络,所述电阻分压预置网络连接在环路滤波器和压控振荡器之间,所述控制器还与电阻分压预置网络相连,所述控制器还用于在控制所述分频器进行分频的同时根据所述分频比控制所述电阻分压预置网络改变加置于所述压控振荡器的调谐电压以减少频率锁定时间;
其中,所述环路带宽满足如下公式:
Figure FDA0001277031590000021
其中,Z_re(S)为电阻分压预置网络在拉普拉斯变化下的传递函数。
3.根据权利要求1或2所述的宽带快速频率综合装置,其特征在于,如果所述鉴相器为电荷泵式鉴相器,则Kφ∝Icp,其中,Icp为鉴相器的输出电流。
4.根据权利要求1或2所述的宽带快速频率综合装置,其特征在于,还包括混频器,所述混频器连接在分频器和压控振荡器之间,所述混频器用于对所述输出频率和混频频率进行混频后输入到分频器。
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