CN107332559B - 一种高纯甚高频信号的生成装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种高纯甚高频信号的生成装置，包括：低噪声参考源、功率分配器、直接数字频率合成器、混频器、单刀双掷开关、高通滤波器、低通滤波器、单刀双掷开关、可编程分频器；本发明基于直接数字频率合成器(简称DDS)，通过与一个高纯参考信号先混频、再分频的方法在保证相噪和频率分辨率优点的情况下，优化杂散抑制指标，扩展DDS电路的应用范围。本发明通过灵活的设置DDS和可编程分频器的分频比以及选择混频的方向，信号输出的频率可达几百兆赫兹，选择较小的分频比甚至可达吉赫兹，相对于传统的频率合成方式，本发明的合成信号在相位噪声和杂散抑制指标非常优异的情况下，频率范围由原来的几十兆赫兹扩展到几百兆赫兹。
Description
技术领域
本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种高纯甚高频信号的生成装置，还涉及一种高纯甚高频信号的生成方法。
背景技术
信号分析仪本振的相位噪声和频率分辨率决定着信号分析仪整机的相位噪声水平和频率分辨的技术指标，而这两项指标是体现分析仪分析微弱信号能力的重要指标。信号分析仪调谐本振的鉴相参考信号的最小步进频率决定着信号分析仪的频率分辨率。因为信号分析仪的相噪指标肯定不会比参考信号的指标更好，鉴相参考信号的相噪水平是信号分析仪的相位噪声指标的一个限制因素。提高信号分析仪本振的相位噪声，是信号分析仪研发中不断的追求。
为了提高相位噪声指标，首先需要有一个相噪水平更好的、满足频率分辨率要求的、频率更高的鉴相参考信号。现有可以产生的低相位噪声、高频率分辨率、低杂散寄生信号频率均为几十兆赫兹，已经难以满足当前高性能信号分析仪对鉴相参考信号的要求。
小数(锁相)环是以压控振荡器(简称VCO)为振荡源的锁相环，如图1所示的经典小数锁相环结构，压控振荡器(VCO)输出信号经过小数分频之后，与固定的参考信号进行鉴相，鉴相输出经过环路积分后加到VCO的调谐端，控制VCO的振荡频率，实现小数环的锁定。分频之后的信号要比分频之前的信号相位噪声更好，假设分频比是N，分频之后理论上相位噪声会降低20logN。小数环本身的相位噪声水平和寄生杂散并不能满足高性能测量仪器的要求，需要经过分频进一步降低相噪水平后才可以。小数环VCO的振荡频率也就是小数环的工作频率为几百兆赫兹到几吉赫兹，分频后超低相位噪声、低杂散、高分辨率的信号频率一般为几十兆赫兹；如果通过降低分频比提高频率，则相噪和寄生水平变差。
因此，采用小数锁相环再分频的方法，为使相位噪声指标满足要求，分频比一般要几十次，分频优化了相位噪声同时限制了输出信号的频率范围。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明提出一种高纯甚高频信号的生成装置及方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种高纯甚高频信号的生成装置，包括：低噪声参考源、功率分配器、直接数字频率合成器、混频器、单刀双掷开关、高通滤波器、低通滤波器、单刀双掷开关、可编程分频器；
低噪声参考源，用于提供相位噪声和寄生指标优异的高纯参考信号，高纯参考信号输入到功率分配器；
功率分配器，实现信号功率的均衡分配，将高纯参考信号一分为二，一路作为直接数字频率合成器的参考输入，另一路作为混频器的上变频本振信号；
直接数字频率合成器实现信号的分频，分频比为小数或者整数，频率分辨率可达pHz级；
混频器，实现高纯参考本振与直接数字频率合成器输出信号的混频，混频输出进入单刀双掷开关；
第一单刀双掷开关，实现混频器中频信号的开关选择，进入到两路不同的滤波器；
高通滤波器，实现上变频中频信号的滤波选择输出；
低通滤波器，实现下变频中频信号的滤波选择输出；
第二单刀双掷开关，实现信号通路的开关选择，选择来自两路不同滤波器信号其中的一路，输出至可编程分频器；
可编程分频器，通过设置可编程分频器的分频比，实现信号可编程的整数分频输出。
可选地，频率合成方程为：
FOUT＝(FR±FDDS)/N
FDDS＝FR/N.F
上述式中，FOUT为频率合成输出的信号，FR为高纯参考信号；FDDS为直接数字频率合成器分频输出的信号，频率范围为0～0.4*FR；N.F为直接数字频率合成器的分频比，可以是小数也可以是整数；N为可编程分频器的分频比，为正整数。
可选地，所述分频比N选1～17的整数。
本发明还提出了一种高纯甚高频信号的生成方法，包括以下步骤：
步骤一：设置外部参考源，提供低相位噪声的高纯参考信号FR；
步骤二：功率分配器将参考信号一分为二，一路作为直接数字频率合成器的参考输入，另一路作为混频器的本振；
步骤三：设置直接数字频率合成器工作状态，使之工作在所需分频比下，产生低相位噪声的分频输出信号FDDS，进入到混频器；
步骤四：混频器将两路信号混频，产生变频输出信号(FR±FDDS)；
步骤五：通过第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关选择不同的信号通路，选择FR+FDDS或者FR-FDDS，输入到可编程分频器9；
步骤六：设置可编程分频器的分频比，得到分频输出信号FOUT。
可选地，频率合成方程为：
FOUT＝(FR±FDDS)/N
FDDS＝FR/N.F
上述式中，FOUT为频率合成输出的信号，FR为高纯参考信号；FDDS为直接数字频率合成器分频输出的信号，频率范围为0～0.4*FR；N.F为直接数字频率合成器的分频比，可以是小数也可以是整数；N为可编程分频器的分频比，为正整数。
可选地，所述分频比N选1～17的整数。
本发明的有益效果是：
(1)通过灵活的设置DDS和可编程分频器的分频比以及选择混频的方向，信号输出的频率可达几百兆赫兹，选择较小的分频比甚至可达吉赫兹，相对于传统的频率合成方式，本发明的合成信号在相位噪声和杂散抑制指标非常优异的情况下，频率范围由原来的几十兆赫兹扩展到几百兆赫兹。
(2)突破了高纯信号生成的频率范围限制，在保证超低相位噪声、超高频率分辨率和低寄生杂散的情况下，频率范围由几十兆赫兹扩展到几百兆赫兹。
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为经典小数环结构原理框图；
图2为本发明的高纯甚高频信号生成装置原理框图。
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。
传统的参考信号产生方案采用小数锁相环再分频方法实现。小数锁相环具有较高的频率分辨率，可达1mHz。小数锁相环的频率范围通常为几百兆赫兹，高的可达吉赫兹，但是相位噪声水平无法满足仪器要求，需要通过分频改善。为使相位噪声指标满足要求，分频比一般要几十次，分频优化了相位噪声同时限制了输出信号的频率范围。在保证相噪指标情况下，小数锁相环输出的频率一般为几十兆赫兹。
在保证相噪、杂散和分辨率指标的情况下，提高鉴相频率是高性能锁相环发展的需求。本发明提出了一种高纯甚高频信号的生成装置及方法，可以保证信号的相位噪声、杂散和频率分辨率指标情况下，生成频率为几十到几百兆赫兹的高纯甚高频信号。
下面结合说明书附图对本发明的高纯甚高频信号的生成装置及方法进行详细说明。
直接数字频率合成器(DDS)产生的信号在频率范围、相位噪声和频率分辨率等指标上具有很大的优势，制约应用范围的主要因素在于DDS寄生杂散指标差。本发明基于DDS，通过与一个高纯参考信号先混频、再分频的方法在保证相噪和频率分辨率优点的情况下，优化杂散抑制指标，扩展DDS电路的应用范围。
根据信号噪声传递的理论推导可知，分频可以优化信号的相位噪声和寄生杂散指标，假设分频比为N，分频之后信号的相位噪声和杂散抑制将比原信号的相应指标优化20logN。如果在DDS输出信号的基础上直接分频，分频输出的信号频率将大大降低，为此，本发明提出了一种将DDS输出信号上变频，变频输出再分频的方法，此方法产生的信号相位噪声和频率分辨率依然很好，杂散抑制指标优化的同时，信号频率可以扩展到几百兆赫兹。
如图2所示，本发明的高纯甚高频信号的生成装置包括：低噪声参考源1、功率分配器2、直接数字频率合成器3、混频器4、单刀双掷开关5、高通滤波器6、低通滤波器7、单刀双掷开关8、可编程分频器9。
低噪声参考源1，用于提供相位噪声和寄生指标优异的高纯参考信号，高纯参考信号输入到功率分配器2。
功率分配器2，实现信号功率的均衡分配，将高纯参考信号一分为二，一路作为直接数字频率合成器3的参考输入，另一路作为混频器4的上变频本振信号。
直接数字频率合成器3，实现信号的高分辨率、低相位噪声的分频。
混频器4，实现高纯参考本振与直接数字频率合成器3输出信号的混频，混频输出进入单刀双掷开关5。
单刀双掷开关5，实现混频器4中频信号的开关选择，进入到两路不同的滤波器。
高通滤波器6，实现上变频中频信号的滤波选择输出。
低通滤波器7，实现下变频中频信号的滤波选择输出。
单刀双掷开关8，实现信号通路的开关选择，选择来自两路不同滤波器信号其中的一路，输出至可编程分频器9。
可编程分频器9，实现信号的可编程分频输出，分频比可选1～17的整数，此过程实现输出信号的相位噪声和寄生指标的优化。
本发明的频率合成方程为：
FOUT＝(FR±FDDS)/N
FDDS＝FR/N.F
上述式中，FOUT为频率合成输出的信号，FR为高纯参考信号；FDDS为直接数字频率合成器分频输出的信号，频率范围为0～0.4*FR；N.F为直接数字频率合成器的分频比，可以是小数也可以是整数；N为可编程分频器的分频比，为正整数。
下面给出高纯甚高频信号的生成装置的一个优选实施例，该实施例中，低噪声参考源1的频率为2.4GHz，输出高纯参考信号到功率分配器2。功率分配器2将高纯参考信号一分为二，一路作为直接数字频率合成器3的参考输入，另一路作为混频器4的上变频本振信号，功率分配器2为印制板微带线功率分配器。直接数字频率合成器3型号为AD9915BCPZ，最高时钟频率为2.5GHz，最高输出信号频率为1GHz，频率调谐分辨率可达135pHz。混频器4的混频输出进入单刀双掷开关5，混频器型号为ADE-35MH+。单刀双掷开关5实现混频器4中频信号的开关选择，进入到两路不同的滤波器，所述单刀双掷开关5的型号为HMC349AMS8GE。高通滤波器6截止频率为2.4GHz，优选地，所述高通滤波器6为印制板微带线滤波器。低通滤波器7截止频率为2.4GHz，优选地，所述低通滤波器7为印制板微带线滤波器。单刀双掷开关8实现信号通路的开关选择，选择来自两路不同滤波器信号其中的一路，输出至可编程分频器9，优选地，所述单刀双掷开关8的型号为HMC349AMS8GE。可编程分频器9实现信号的可编程分频输出，分频比可选1～17的整数，优选地，所述可编程分频器9型号为HMC705LP4E。
本发明中的高纯甚高频信号频率合成流程包括以下步骤：
步骤一：设置外部参考源，提供低相位噪声的高纯参考信号FR。
步骤二：功率分配器将参考信号一分为二，一路作为直接数字频率合成器的参考输入，另一路作为混频器的本振。
步骤三：设置直接数字频率合成器(AD9915BCPZ)工作状态，使之工作在所需分频比下，产生低相位噪声的分频输出信号FDDS，进入到混频器。
步骤四：混频器将两路信号混频，产生变频输出信号(FR±FDDS)。
步骤五：通过单刀双掷开关5和单刀双掷开关8选择不同的信号通路，选择FR+FDDS或者FR-FDDS，输入到可编程分频器9。
步骤六：设置可编程分频器9的分频比，得到分频输出信号FOUT。
根据频率合成理论，混频器在混频的过程中将完成信号相位噪声和杂散信号的传递。本发明中使用的是基波混频，相位噪声的短板在参考本振信号，在高性能微波测量仪器中，该信号频偏10kHz的相噪指标典型值可达-134dBc/Hz；信号杂散的短板在DDS输出的信号，根据该芯片提供的技术指标，窄带杂散抑制指标优于-95dBc。分频将优化相位噪声和杂散抑制指标，假设需要合成信号FOUT的频率为300MHz，参考信号FR为2.4GHz，设置DDS分频比使输出信号FDDS频率为600MHz。设置单刀双掷开关选择所需的2.4GHz高通滤波器通路，选择出信号FR+FDDS，设置可编程分频器分频比N为10。根据上述分析可知，合成信号FOUT的相位噪声可估算为-134dBc/Hz-20log10＝-154dBc/Hz，杂散抑制可估算为-95dBc-20log10＝-115dBc。相位噪声和杂散抑制的指标均可以满足高性能分析仪的要求。
由上述计算可以看出，本发明可以通过灵活的设置DDS和可编程分频器的分频比以及选择混频的方向，信号输出的频率可达几百兆赫兹，选择较小的分频比甚至可达吉赫兹。相对于传统的频率合成方式，本发明合成信号在相位噪声和杂散抑制指标非常优异的情况下，频率范围由原来的几十兆赫兹扩展到几百兆赫兹。
本发明的优点是突破了高纯信号生成的频率范围限制，在保证超低相位噪声、超高频率分辨率和低寄生杂散的情况下，频率范围由几十兆赫兹扩展到几百兆赫兹。此装置和方法可用到高性能的锁相环电路中，作为鉴相参考信号或者下变频本振，有利于锁相环实现更低的相位噪声和简化锁相环电路结构。
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 (6)
1.一种高纯甚高频信号的生成装置，其特征在于，包括：低噪声参考源、功率分配器、直接数字频率合成器、混频器、单刀双掷开关、高通滤波器、低通滤波器、单刀双掷开关、可编程分频器；
低噪声参考源，用于提供相位噪声和寄生指标优异的高纯参考信号，高纯参考信号输入到功率分配器；
功率分配器，实现信号功率的均衡分配，将高纯参考信号一分为二，一路作为直接数字频率合成器的参考输入，另一路作为混频器的上变频本振信号；
直接数字频率合成器实现信号的分频输出，分频比为小数或者整数；
混频器，实现高纯参考本振与直接数字频率合成器输出信号的混频FR±FDDS，混频输出进入第一单刀双掷开关；
第一单刀双掷开关，实现混频器中频信号的开关选择，进入到两路不同的滤波器；
高通滤波器，实现上变频中频信号的滤波选择输出；
低通滤波器，实现下变频中频信号的滤波选择输出；
第二单刀双掷开关，实现信号通路的开关选择，选择来自两路不同滤波器信号其中的一路，输出至可编程分频器；
可编程分频器，实现信号可编程的整数分频输出FOUT，分频比为正整数。
2.如权利要求1所述的一种高纯甚高频信号的生成装置，其特征在于，频率合成方程为：
FOUT＝(FR±FDDS)/N
FDDS＝FR/N.F
上述式中，FOUT为频率合成输出的信号，FR为高纯参考信号；FDDS为直接数字频率合成器分频输出的信号，频率范围为0～0.4*FR；N.F为直接数字频率合成器的分频比，是小数或者整数；N为可编程分频器的分频比，为正整数。
3.如权利要求2所述的一种高纯甚高频信号的生成装置，其特征在于，所述分频比N选1～17的整数。
4.一种高纯甚高频信号的生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：设置外部参考源，提供低相位噪声的高纯参考信号FR；
步骤二：功率分配器将参考信号一分为二，一路作为直接数字频率合成器的参考输入，另一路作为混频器的本振；
步骤三：设置直接数字频率合成器工作状态，使之工作在所需分频比下，产生低相位噪声的分频输出信号FDDS，进入到混频器；
步骤四：混频器将两路信号混频，产生变频输出信号FR±FDDS；
步骤五：通过第一单刀双掷开关实现混频器中频信号的开关选择，进入到两路不同的滤波器，通过第二单刀双掷开关实现信号通路的开关选择，选择来自两路不同滤波器信号其中的一路，选择FR+FDDS或者FR-FDDS，输入到可编程分频器；
步骤六：设置可编程分频器的分频比，得到分频输出信号FOUT。
5.如权利要求4所述的一种高纯甚高频信号的生成方法，其特征在于，频率合成方程为：
FOUT＝(FR±FDDS)/N
FDDS＝FR/N.F
上述式中，FOUT为频率合成输出的信号，FR为高纯参考信号；FDDS为直接数字频率合成器分频输出的信号，频率范围为0～0.4*FR；N.F为直接数字频率合成器的分频比，是小数或者整数；N为可编程分频器的分频比，为正整数。
6.如权利要求5所述的一种高纯甚高频信号的生成方法 ，其特征在于，所述分频比N选1～17的整数。
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