CN109245763B - 一种近载频低相位噪声频率合成器 - Google Patents

一种近载频低相位噪声频率合成器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种近载频低相位噪声频率合成器，包括顺次连接的三极管倍频器、滤波器、三极管放大器和锁相环电路；由三极管倍频器输入10MHz参考信号并进行低噪声倍频；滤波器对倍频信号进行窄带滤波；三极管放大器对滤波后的信号进行放大；锁相环电路包括顺次连接的鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和分频器；鉴相器接收来自三极管放大器放大后的信号并与来自分频器的射频反馈信号进行鉴相；环路滤波器对鉴相器输出的电压误差信号进行低通滤波后作为控制信号送入压控振荡器的电压控制端；压控振荡器输出射频信号。本发明的三极管倍频器既提高了参考频率，又减少了对载波信号1Hz处相位噪声的恶化，锁相环电路具有更低的近载频1Hz相位噪声基底。

Description

一种近载频低相位噪声频率合成器
技术领域
本发明属于无线通讯技术领域，具体涉及一种近载频低相位噪声频率合成器。
背景技术
频率合成器是指基于一个或多个高性能基准参考源信号，通过硬件电路和软件算法实现对频率的数学变换，产生一系列新的与基准参考源信号具有相同准确度和稳定度的离散频率信号的系统。频率合成器通常为电子通讯收发设备提供高性能本振信号，其性能的优劣直接影响整个电子系统质量的好坏。锁相环技术是实现频率合成器的一种方法，一个用于实现频率合成器的典型锁相环电路通常由输入参考源、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、分频器等构成，如图1所示。
相位噪声是衡量频率合成器性能的重要指标，它是频率合成器短期频率稳定度的频域表征，其物理表现为在输出信号附近由各种随机噪声引起的信号瞬时频率或相位起伏。相位噪声通常定义为在某一给定偏移载频频率处1Hz带宽内的噪声功率与信号载波功率的比值，其与偏离载波频率偏移的曲线如图2所示。该曲线由多个区域拟合而成，各区域的斜率为1/fx，x＝0对应于“白”相位噪声区域(斜率＝0dB/10倍)，x＝1对应于“闪烁”相位噪声区域(斜率＝–20dB/10倍)，还存在x＝2、3、4的区域，这些区域依次出现，愈来愈接近载波频率。
在无线通信系统中，频率合成器的相位噪声会直接影响系统指标，具体地讲，宽带相位噪声会导致系统整体信噪比下降，而近载频相位噪声则会“污损”多个频率仓中的基波信号，从而降低系统整体频谱分辨率。在常规无线通信设备中，主要关注频率合成器在偏离载波10Hz～1MHz处的相位噪声，而在某类特殊通信系统中，由于其通讯距离极远、测速测距精度要求极高，对频率合成器在偏离载波1Hz处的近载频相位噪声指标提出了高要求。在常规通信系统中，对频率合成器无此项指标要求，也未见相关报道。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种近载频低相位噪声频率合成器。
本发明所采用的技术方案为：
一种近载频低相位噪声频率合成器，包括顺次连接的三极管倍频器、滤波器、三极管放大器和锁相环电路；
三极管倍频器的输出端连接滤波器的输入端，滤波器的输出端连接三极管放大器的输入端；
所述三极管倍频器的输入端输入10MHz参考信号并对该10MHz参考信号进行低噪声倍频；
所述滤波器对三极管倍频器输出的倍频信号进行窄带滤波；
所述三极管放大器对滤波器滤波后输出的信号进行放大；
所述锁相环电路包括顺次连接的鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和分频器；
鉴相器的输入端连接三极管放大器的输出端，鉴相器的输出端连接环路滤波器的输入端，环路滤波器的输出端连接压控振荡器的电压控制端，压控振荡器的输出端连接分频器的输入端，分频器的输出端连接鉴相器的输入端，由此构成锁相环电路；
所述鉴相器接收来自三极管放大器放大后的信号并与来自分频器的射频反馈信号进行鉴相；
所述环路滤波器对鉴相器输出的电压误差信号进行低通滤波后作为控制信号送入压控振荡器的电压控制端；
所述压控振荡器输出射频信号。
为提高锁相环电路的鉴相频率，采用三极管倍频器对输入10MHz参考信号进行倍频，三极管工作在非线性状态，产生丰富谐波分量，实现低噪声倍频功能，通过谐振电路选取所需倍频信号。采用此方法既提高了参考频率，又得益于三极管的低噪声特性，减少了对载波信号1Hz处相位噪声的恶化。
作为优选，所述滤波器采用晶体滤波器。
在三极管倍频器之后采用晶体滤波器，实现频率选择和对参考信号的噪声优化，相对于传统LC滤波器，晶体滤波器的带宽可以做得更窄，实现对10kHz以外的相位噪声改善20dB。
进一步地，所述晶体滤波器采用高Q石英晶体谐振器构成的带通滤波器。由于晶体滤波器采用高Q石英晶体谐振器构成的带通滤波器，具有很高的品质因数，同时带宽可以做得很窄，过渡带陡峭，阻带衰减高。
利用晶体滤波器的窄带滤波特性，可以滤除倍频引入的非50MHz杂散分量；利用晶体滤波器的陡峭的过渡带特性，对参考信号偏离载波10kHz外的相位噪声的滤波优化，可以改善相位噪声20dB以上。
进一步地，所述晶体滤波器的中心频率为50MHz，带宽为3～5kHz。三极管倍频器产生的10MHz倍频输出信号送入中心频率50MHz的晶体滤波器，带宽为3～5kHz，对10kHz外抑制优于20dB。
作为优选，所述鉴相器采用电压型鉴相器，并且该电压型鉴相器输出双路差分误差电压信号。
相对于目前主流锁相环电路采用的电荷泵型鉴相器，虽然器件手册均未给出近载频1Hz处的相位噪声基底，但经充分试验表明，电压型鉴相器具有更低的近载频1Hz相位噪声基底，相比于电荷泵型鉴相器，电压型鉴相器在1Hz处噪声基底好10dB以上。
目前电荷泵型鉴相器输出信号为单端口鉴相误差电流Icp，经过有源环路滤波器得到压控电压Vt。经过大量试验数据表明，电荷泵型鉴相器在@1Hz处的近载频相位噪声水平较差，而电压型锁相环在@1Hz处的近载频相位噪声明显优于电荷泵型鉴相器。
进一步地，所述环路滤波器为有源积分环路低通滤波器。电压型鉴相器输出双路差分误差电压信号，经过有源积分环路低通滤波器得到压控电压Vt。
具体地，所述三极管倍频器包括三极管Q1、电阻R3、电容C2、电阻R1、电阻R2、电阻R4、电感L1和电感L2，三极管Q1的B极输入10MHz参考信号且C极倍频输出；
电阻R3连接于三极管Q1的B极和C极之间，电容C2的一端与三极管Q1的C极连接且另一端作为倍频输出端，三极管Q1的C极通过电感L2连接电源Vcc，电源Vcc与地之间连接有相互串联的电阻R1和电阻R2，三极管Q1的E极通过电阻R4与地连接，电感L1的一端与三极管Q1的B极连接且另一端连接于电阻R1和电阻R2之间。
所述电阻R3还串联有隔直电容C3，三极管Q1的B极还连接有隔直电容C1，电阻R4还并联有电容C4。
输入10MHz参考信号经过隔直电容C1从三极管Q1的B极进入，C极倍频输出。电阻R3和电容C2构成了负反馈回路，实现电路稳定并提供了增益调节，通过改变电阻R3的大小，可以改变倍频增益。电阻R1、电阻R2和电阻R4提供电路的直流工作点，电感L1和电感L2起到了射频扼流的作用。
三极管倍频器的原理是利用低噪声三极管的非线性效应，PN结的非线性电阻产生谐波，C类放大器输出调谐到N倍的输入频率上。低次倍频具有单向性、隔离性好，正增益的特点。
另外，所述环路滤波器包括芯片N2，芯片N2设有输入端口-IN和+IN分别接收电压型鉴相器输出的双路差分误差电压信号，双路差分误差电压信号还分别通过第一RC滤波线路和第二RC滤波线路输入芯片N2的输入端口-IN和+IN；
所述第一RC滤波线路包括电阻R20和电容C20，第二RC滤波线路包括电阻R21和电容C21。
进一步地，所述芯片N2的输入端口+IN还连接有相互串联的电阻R23和电容C23，芯片N2的输入端口-IN还通过相互串联的电阻R22和电容C23与芯片N2的输出端OUT连接，芯片N2的输出端OUT还连接有第三RC滤波线路，该第三RC滤波线路包括电阻R24和电容C24。
本发明的有益效果为：
本发明为提高锁相环电路的鉴相频率，采用三极管倍频器对输入10MHz参考信号进行倍频，三极管工作在非线性状态，产生丰富谐波分量，实现低噪声倍频功能，通过谐振电路选取所需倍频信号。采用此方法既提高了参考频率，又得益于三极管的低噪声特性，减少了对载波信号1Hz处相位噪声的恶化。
本发明在三极管倍频器之后采用晶体滤波器，实现频率选择和对参考信号的噪声优化，相对于传统LC滤波器，晶体滤波器的带宽可以做得更窄，实现对10kHz以外的相位噪声改善20dB。
本发明采用数字电压型鉴相器，相对于目前主流锁相环电路采用的电荷泵型鉴相器，虽然器件手册均未给出近载频1Hz处的相位噪声基底，但经充分试验表明，电压型鉴相器具有更低的近载频1Hz相位噪声基底，相比于电荷泵型鉴相器，电压型鉴相器在1Hz处噪声基底好10dB以上。
附图说明
图1为传统锁相环方案的频率合成器电路框图。
图2为相位噪声与偏离载波频率偏移的曲线图。
图3为本发明-实施例近载频低相位噪声频率合成器电路框图。
图4为本发明-实施例中三极管倍频器电路图。
图5为本发明-实施例中晶体滤波器幅频响应曲线。
图6为传统的电荷泵型鉴相器采用的有源环路滤波器电路图。
图7为本发明-实施例电压型鉴相器采用的有源积分环路低通滤波器电路图。
图中：01-三极管倍频器；02-晶体滤波器；03-三极管放大器；04-电压型鉴相器；05-环路滤波器；06-压控振荡器；07-分频器。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。
如图3-5、7所示，本实施例的一种近载频低相位噪声频率合成器，包括顺次连接的三极管倍频器01、滤波器02、三极管放大器03和锁相环电路。
三极管倍频器01的输入端输入10MHz参考信号并对该10MHz参考信号进行低噪声倍频，三极管倍频器01的输出端连接滤波器02的输入端。
为提高锁相环电路的鉴相频率，采用三极管倍频器对输入10MHz参考信号进行倍频，三极管工作在非线性状态，产生丰富谐波分量，实现低噪声倍频功能，通过谐振电路选取所需倍频信号。采用此方法既提高了参考频率，又得益于三极管的低噪声特性，减少了对载波信号1Hz处相位噪声的恶化。
滤波器02采用晶体滤波器02，对三极管倍频器01的输出倍频信号进行窄带滤波，晶体滤波器02的输出端连接三极管放大器03的输入端，滤波后的输出信号送入三极管放大器03进行放大。
晶体滤波器02采用高Q石英晶体谐振器构成的带通滤波器。
晶体滤波器02的中心频率为50MHz，带宽为3～5kHz，对10kHz外抑制优于20dB，用于倍频信号带外相位噪声的滤波优化。
在三极管倍频器01之后采用晶体滤波器02，实现频率选择和对参考信号的噪声优化，相对于传统LC滤波器，晶体滤波器02的带宽可以做得更窄，实现对10kHz以外的相位噪声改善20dB。
本实施例中，锁相环电路包括顺次连接的鉴相器04、环路滤波器05、压控振荡器06和分频器07。
鉴相器04的输入端连接三极管放大器03的输出端，鉴相器04的输出端连接环路滤波器05的输入端，环路滤波器05的输出端连接压控振荡器06的电压控制端，压控振荡器06的输出端连接分频器07的输入端，分频器07的输出端连接鉴相器04的输入端，由此构成锁相环电路。
三极管放大器03放大后的信号送入鉴相器04，与来自分频器07的射频反馈信号进行鉴相，然后由鉴相器04的输出端输出电压误差信号，经过环路滤波器05进行低通滤波后作为控制信号送入压控振荡器06的电压控制端，实现电路的锁定，由压控振荡器06输出射频信号，即频率合成信号。
在本实施例中，鉴相器04采用电压型鉴相器04。
相对于目前主流锁相环电路采用的电荷泵型鉴相器，虽然器件手册均未给出近载频1Hz处的相位噪声基底，但经充分试验表明，电压型鉴相器具有更低的近载频1Hz相位噪声基底，相比于电荷泵型鉴相器，电压型鉴相器在1Hz处噪声基底好10dB以上。
本实施例中，电压型鉴相器04输出双路差分误差电压信号。
本实施例中，环路滤波器05为有源积分环路低通滤波器。
本实施例中，三极管倍频器01如图4所示，三极管倍频器01的原理是利用低噪声三极管的非线性效应，PN结的非线性电阻产生谐波，C类放大器输出调谐到N倍的输入频率上。低次倍频具有单向性、隔离性好，正增益的特点。
三极管倍频器01包括三极管Q1、电阻R3、电容C2、电阻R1、电阻R2、电阻R4、电感L1和电感L2。
其中，三极管Q1的B极输入10MHz参考信号且C极倍频输出，电阻R3连接于三极管Q1的B极和C极之间，电容C2的一端与三极管Q1的C极连接且另一端作为倍频输出端，三极管Q1的C极通过电感L2连接电源Vcc，电源Vcc与地之间连接有相互串联的电阻R1和电阻R2,三极管Q1的E极通过电阻R4与地连接，电感L1的一端与三极管Q1的B极连接且另一端连接于电阻R1和电阻R2之间。
本实施例中，电阻R3还串联有隔直电容C3。
本实施例中，三极管Q1的B极还连接有隔直电容C1。
本实施例中，电阻R4还并联有电容C4。
输入10MHz参考信号经过隔直电容C1从三极管Q1的B极进入，C极倍频输出。电阻R3和电容C2构成了负反馈回路，实现电路稳定并提供了增益调节，通过改变电阻R3的大小，可以改变倍频增益。电阻R1、电阻R2和电阻R4提供电路的直流工作点，电感L1和电感L2起到了射频扼流的作用。
本电路输入参考信号10MHz，+10dBm，倍频后输出10MHz的各阶信号为：20MHz：-12dBm；30MHz：+12dBm；40MHz：0dBm；50MHz：6dBm；60MHz：0dBm；70MHz：+1dBm，通过后级的晶体滤波器02选取50MHz信号作为倍频参考信号输出。
图5为本发明中倍频后晶体滤波器的幅频响应曲线。三极管倍频器01产生的10MHz倍频输出信号送入中心频率50MHz的晶体滤波器02，带宽为3～5kHz，对10kHz外抑制优于20dB。
由于晶体滤波器02采用高Q石英晶体谐振器构成的带通滤波器，具有很高的品质因数，同时带宽可以做得很窄，过渡带陡峭，阻带衰减高。利用晶体滤波器的窄带滤波特性，可以滤除倍频引入的非50MHz杂散分量；利用晶体滤波器的陡峭的过渡带特性，对参考信号偏离载波10kHz外的相位噪声的滤波优化，可以改善相位噪声20dB以上。
经过晶体滤波器02后的50MHz倍频信号，送入电压型锁相环中，进行锁相频率合成。目前主流锁相环电路采用的是电荷泵型鉴相器，输出信号为单端口鉴相误差电流Icp，经过图6所示的有源环路滤波器得到压控电压Vt。经过大量试验数据表明，电荷泵型鉴相器在@1Hz处的近载频相位噪声水平较差，而电压型锁相环在@1Hz处的近载频相位噪声明显优于电荷泵型鉴相器。
图6为传统的电荷泵型鉴相器采用的有源环路滤波器电路图。
图7为本发明-实施例电压型鉴相器采用的有源积分环路低通滤波器电路图。
电压型鉴相器04具有两个差分脉冲电压输出端PD_U和PD_D，输出双路差分误差电压信号，经过有源积分环路低通滤波器得到压控电压Vt。
有源积分环路低通滤波器包括芯片N2，芯片N2设有输入端口-IN和+IN分别与电压型鉴相器04的差分脉冲电压输出端PD_U和PD_D连接，在本实施例中，芯片N2的输入端口-IN和+IN分别通过第一RC滤波线路和第二RC滤波线路与电压型鉴相器04的差分脉冲电压输出端PD_U和PD_D连接，其中，第一RC滤波线路包括电阻R20和电容C20，第二RC滤波线路包括电阻R21和电容C21。
本实施例中，芯片N2的输入端口+IN还连接有相互串联的电阻R23和电容C23。
本实施例中，芯片N2的输入端口-IN还通过相互串联的电阻R22和电容C23与芯片N2的输出端OUT连接。
本实施例中，芯片N2的输出端OUT还连接有第三RC滤波线路，该第三RC滤波线路包括电阻R24和电容C24。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种近载频低相位噪声频率合成器，其特征在于：包括顺次连接的三极管倍频器、滤波器、三极管放大器和锁相环电路；
所述三极管倍频器的输入端输入10MHz参考信号并对该10MHz参考信号进行低噪声倍频；
所述滤波器对三极管倍频器输出的倍频信号进行窄带滤波；
所述三极管放大器对滤波器滤波后输出的信号进行放大；
所述锁相环电路包括顺次连接的鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和分频器；
所述鉴相器接收来自三极管放大器放大后的信号并与来自分频器的射频反馈信号进行鉴相；
所述环路滤波器对鉴相器输出的电压误差信号进行低通滤波后作为控制信号送入压控振荡器的电压控制端；
所述压控振荡器输出射频信号；
所述三极管倍频器包括三极管Q1、电阻R3、电容C2、电阻R1、电阻R2、电阻R4、电感L1和电感L2，三极管Q1的B极输入10MHz参考信号且C极倍频输出；
电阻R3连接于三极管Q1的B极和C极之间，电容C2的一端与三极管Q1的C极连接且另一端作为倍频输出端，三极管Q1的C极通过电感L2连接电源Vcc，电源Vcc与地之间连接有相互串联的电阻R1和电阻R2，三极管Q1的E极通过电阻R4与地连接，电感L1的一端与三极管Q1的B极连接且另一端连接于电阻R1和电阻R2之间。
2.根据权利要求1所述的一种近载频低相位噪声频率合成器，其特征在于：所述滤波器采用晶体滤波器。
3.根据权利要求2所述的一种近载频低相位噪声频率合成器，其特征在于：所述晶体滤波器采用高Q石英晶体谐振器构成的带通滤波器。
4.根据权利要求2所述的一种近载频低相位噪声频率合成器，其特征在于：所述晶体滤波器的中心频率为50MHz，带宽为3～5kHz。
5.根据权利要求1所述的一种近载频低相位噪声频率合成器，其特征在于：所述鉴相器采用电压型鉴相器，并且该电压型鉴相器输出双路差分误差电压信号。
6.根据权利要求1所述的一种近载频低相位噪声频率合成器，其特征在于：所述环路滤波器为有源积分环路低通滤波器。
7.根据权利要求1所述的一种近载频低相位噪声频率合成器，其特征在于：所述电阻R3还串联有隔直电容C3，三极管Q1的B极还连接有隔直电容C1，电阻R4还并联有电容C4。
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