CN115085818B - 一种用于激光器调制的零谐波宽频可调输出的射频信号源 - Google Patents

一种用于激光器调制的零谐波宽频可调输出的射频信号源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于激光器调制的零谐波宽频可调输出的射频信号源，包括参考射频源、USB通信芯片、FPGA控制器、第一DDS芯片、第二DDS芯片、第一带通滤波器、第二带通滤波器、第一射频放大器、第二射频放大器、第三带通滤波器、第四带通滤波器、混频器、低通滤波器和超低噪声电源模块。本发明可以实现从0MHz量级到100MHz量级的射频信号精确控制输出，且以任意频率输出时，输出信号仅包含设定输出的频率信号，无高次谐波分量和杂散信号，频谱纯净，可借助DDS芯片内置功能实现频率调制、幅度调制和相位调制等多种功能。

Description

一种用于激光器调制的零谐波宽频可调输出的射频信号源
技术领域
本发明涉及激光器频率调制技术领域，具体涉及一种用于激光器调制的零谐波宽频可调输出的射频信号源。
背景技术
激光器频率调制广泛应用于激光器的激光频率锁定，是激光频率标准中不可缺少的技术手段。激光频率锁定需要一个调制的射频信号源，将激光器频率进行调制正弦调制，调制后的激光经过超稳腔或者铷泡等产生带调制的共振谱线，共振谱线通过解调得到鉴频信号，鉴频信号经过伺服系统转换为激光器控制信号，将激光器频率锁定到共振谱线的顶点。对于不同类型和特性的激光器以及不同的锁定方式，用于激光器频率调制的射频信号频率范围从几十KHz到MHz，且需要优化调制信号的频率、幅度和相位确保误差信号的幅度达到最大。目前，基于DDS原理的数字调节射频信号源是激光器频率调制的主要信号源，其优点是输出频率范围广且频率调节精细，但在较低频率信号输出时，输出信号含有谐波分量，造成信号失真。失真的调制信号不仅会在电路中产生非线性效应，而且还会对共振谱线的解调产生额外的噪声，对激光频率锁定产生影响。商用射频源输出射频信号频率范围宽，但其谐波抑制的方式为采用微波开关对多组不同工作频段的射频滤波器进行切换，不仅结构复杂，而且尺寸大，难以集成，其谐波抑制通常只有数10dB，无法做到完全抑制谐波，而且在低频时，谐波分量十分丰富，信号失真严重。
发明内容
本发明的目的是在于针对现有宽频输出信号源在较低频率输出时存在谐波分量造成信号失真的问题，提供一种用于激光器调制的零谐波宽频可调输出的射频信号源。
本发明的上述目的通过以下技术手段实现：
一种用于激光器调制的零谐波宽频可调输出的射频信号源，包括参考射频源，参考射频源连接第一DDS芯片的参考输入端和第二DDS芯片的参考输入端，FPGA控制器分别连接USB通信芯片、第一DDS芯片的数字通信接口和第二DDS芯片的数字通信接口，第一DDS芯片输出的第一数字射频信号依次经过第一带通滤波器、第一射频放大器和第三带通滤波器后生成第一驱动射频信号并输入至混频器的LO本振端；第二DDS芯片输出的第二数字射频信号依次经过第二带通滤波器、第二射频放大器和第四带通滤波器后产生第二驱动射频信号输入至混频器的RF本振端；混频器的IF输出端经过低通滤波器后输出最终射频信号。
如上所述第一带通滤波器滤除第一数字射频信号中的谐波，第二带通滤波器滤除第二数字射频信号中的谐波。
如上所述第一驱动射频信号的频率为fLO，第二驱动射频信号的频率为fRF，混频器输出信号包括频率为fRF-fLO的下混频信号和频率为fRF+fLO的上混频信号，低通滤波器滤除本振泄露信号以及频率为fRF+fLO的上混频信号。
如上所述第一DDS芯片工作在单音模式，第二DDS芯片工作在单音模式或者键控频移模式。
如上所述超低电源模块所使用的外部适配器，其输出电压范围为9V至28V。
如上所述超低电源模块所使用的第一级电源芯片优选型号为LT8471，第二级电源芯片优选型号为LT3045。
如上所述参考射频源为第一DDS芯片和第二DDS芯片提供时钟参考，其输出频率为fref。
如上所述参考射频源可选择使用外部输入频率或内部预设频率。
如上所述第一DDS芯片和第二DDS芯片可编程配置为FSK、FM、AM和PM等多种工作模式。
如上所述第一DDS芯片和第二DDS芯片的输出频率不大于fref/2，优选输出频率不大于fref/3。
如上所述第一DDS芯片和第二DDS芯片优选使用单片双通道输出DDS芯片。
如上所述FPGA控制器用于接收并解析PC机发出的指令，根据指令内容对双通道DDS芯片输出信号的频率、幅度和相位进行编程调节，并实现频率键控频移(FSK)、相位调制(PM)、频率调制(FM)和幅度调制(AM)等功能的配置与控制。
如上所述USB通信芯片用于将USB协议下的指令转换为FPGA控制器可接收的指令。
如上所述USB通信芯片型号优选为CY7C68013A。
如上所述第一带通滤波器用于将第一DDS芯片输出信号进行带通滤波，滤除信号中的谐波分量和杂散分量，第三带通滤波器滤除第一射频放大器输出射频信号中的谐波和杂散分量。
如上所述第二带通滤波器用于将第二DDS芯片输出信号进行带通滤波，滤除信号中的谐波分量和杂散分量，第四带通滤波器滤除第二射频放大器输出射频信号中的谐波和杂散分量。
第一带通滤波器和第三带通滤波器具有完全相同的特性参数。
第二带通滤波器和第四带通滤波器具有完全相同的特性参数。
如上所述第一至第四带通滤波器优选为无源滤波器，滤波器类型优选为椭圆滤波器，滤波器阶数优选为7阶级或以上。
如上所述第一射频放大器和第二射频放大器用于将带通滤波后的射频信号进行放大，以驱动混频器正常工作。第一射频放大器和第二射频放大器增益固定不可调节。
如上所述第一射频放大器和第二射频放大器的型号优选为TRF37D73。
如上所述混频器用于对DDS输出两个通道的信号进行混频，LO本振端输入的信号为本振信号，RF本振端输入的信号为调节信号，IF输出端为输出信号，其包含上混频分量和下混频分量，以及LO本振端小幅度泄露信号分量。
如上所述混频器型号优选为ADE-4+。
如上所述低通滤波器用于对混频器IF输出端输出信号中的上混频分量和小幅度泄露信号分量进行滤波，仅保留下混频分量用作最终输出信号。
如上所述低通滤波器优选为无源滤波器，滤波器类型优选为椭圆滤波器、滤波器阶数优选为7阶及以上。
本发明具有的优点和积极效果是：
采用以上方案可以实现从0MHz量级到100MHz量级的射频信号输出，并且在该输出范围内输出信号频谱纯正，且均不含有输出信号的高次谐波分量，信号无失真。该射频信号源输出信号的频率、幅度以及相位可通过编程实现任意调节，并具备FSK、FM、AM和PM等多种功能。
本发明的射频信号不仅适用于激光器的频率调制，而且也适用于其他对射频信号谐波分量要求较高的应用场景。
附图说明
图1是本发明的系统原理框图；
图2是本发明的混频器输入输出频率变化示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施示例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的系统原理框图如图1所示。一种用于激光器调制的零谐波宽频可调输出的射频信号源，包括参考射频源1、USB通信芯片2、FPGA控制器3、第一DDS(直接数字频率合成)芯片4、第二DDS芯片5、第一带通滤波器6、第二带通滤波器7、第一射频放大器8、第二射频放大器9、第三带通滤波器10、第四带通滤波器11、混频器12、低通滤波器13和超低噪声电源模块14。
参考射频源1连接第一DDS芯片4的参考输入端和第二DDS芯片5的参考输入端。FPGA控制器3分别连接USB通信芯片2、第一DDS芯片4的数字通信接口和第二DDS芯片5的数字通信接口，第一DDS芯片4输出的第一数字射频信号41依次经过第一带通滤波器6、第一射频放大器8和第三带通滤波器10后，生成第一驱动射频信号101并输入至混频器12的LO本振端；第二DDS芯片5输出的第二数字射频信号51依次经过第二带通滤波器7、第二射频放大器9和第四带通滤波器11后，产生第二驱动射频信号111输入至混频器12的RF本振端；混频器12的IF输出端经过低通滤波器13后输出最终射频信号131，超低噪声电源模块14为参考射频源1、USB通信芯片2、FPGA控制器3、第一DDS芯片4、第二DDS芯片5、第一射频放大器8和第二射频放大器9提供相应规格的超低噪声电源。
本发明的工作原理为：当频率字位宽为N的DDS芯片输出为单音模式(Single ToneMode)时，输出的数字射频信号频率为f对应的频率控制字为M。有：
fref为DDS芯片参考频率，与前述参考射频源输出频率相同。
实际输出的信号中包含了频率为f的基波信号和频率为nf的谐波信号，n表示谐波的次数，其中n为正整数。当使用-3dB截止频率为fl至fh的带通滤波器进行滤波器时，满足nf＜fh条件的所有的谐波都将会和基波一并输出。而当带通滤波器满足fl＜f＜fh＜2f条件时，输出的信号则仅为基波而无谐波分量。当f的频率低至数百Hz甚至更低时，受制于低通滤波器的设计与加工的限制，不可避免的会输出谐波信号，而且频率越低，对滤波器的截止频率要求也越低，滤波器设计难度越大，滤波效果也越差，同时输出频率范围对应的减小。无法同时兼顾低频下射频信号的零谐波输出特性与高输出频率范围的特性。
当使用两片DDS芯片时，两个DDS芯片均工作在单音模式。每片DDS芯片输出的频率在数十MHz甚至达到百MHz时，经过带通滤波器以及放大滤波后，可以得到完全没有谐波和杂散的纯净的射频信号，即频率为fLO的第一驱动射频信号101和频率为fRF的第二驱动射频信号111。混频器12输出信号121的频率fIF满足以下公式：
fIF＝fRF×fLO
因此混频器12输出信号121包含两个频率的射频信号fRF+fLO和fRF-fLO。经过低通滤波器13后，保留频率为fRF-fLO的下混频信号，滤除频率为fRF+fLO的上混频信号后，就可以得到纯净无谐波的射频信号131。
以下使用fLO为100MHz，fRF为100MHz至180MHz可调节的信号为例对本发明方案进行详细说明。需要注意的是，此处使用的频率信号仅用于解释本发明，并不限定于本发明。
当fLO为100MHz时，第一带通滤波器6和第三带通滤波器10都采用中心频率为100MHz，-3dB带宽为5MHz的带通滤波器进行滤波，输出的射频信号仅含有100MHz的基波，当fRF为100MHz至180MHz时，第二带通滤波器7和第四带通滤波器11都采用中心频率为145MHz，-3dB带宽为100MHz的无源带通滤波器，即通带频率范围为95MHz到195MHz，显然，输出信号频率在100MHz到180MHz范围内时，输出的射频信号也仅含有该频率范围内设定频率的基波。
相应地，由于混频器12的LO本振端的第一驱动射频信号101和RF本振端的第二驱动射频信号111均不包含谐波，由混频器12的IF端输出信号121包含上混频信号的频率范围为200MHz至280MHz，下混频信号的频率范围为0MHz至80MHz。低通滤波器13采用-3dB截止频率为100MHz的低通滤波器，可以滤除上混频信号，保留下混频信号。因此最终输出信号131的频率范围为0MHz至80MHz，且无任何谐波分量。
进一步，LO本振端存在的本振泄露至IF本振端的、信号频率为100MHz的本振泄露信号也可以极大的衰减。
进一步，由于混频器输出下混频信号强度与RF输入端信号强度有关，因此可以通过改变第二DDS芯片5的输出信号幅度寄存器参数可以实现信号的幅度调节，同理，也可以调节第二DDS芯片5的相位寄存器参数实现信号131的相位变化。
进一步，将第二DDS芯片5的工作模式由单音模式变更为键控频移模式(FrequencyShift Key Mode)或调制模式(Modulation Mode)，对应地，输出信号同样具备了键控频移模式或调制模式。
本发明的具体操作过程为：当电源模块14使用直流9V到28V规格的电源适配器进行供电时，经过两级电源级联输出的方式分别产生FPGA控制器3使用的数字1.2V和数字3.3V电源、USB通信芯片2使用的数字3.3V电源、第一DDS芯片4和第二DDS芯片5使用的模拟1.8V和数字1.8V、3.3V电源、第一射频放大器8和第二射频放大器9使用的模拟5V电源。确保信号源各部分正常工作。
USB通信芯片2接收PC机发送的指令后，提示FPGA控制器3对第一DDS芯片4的频率寄存器、幅度寄存器和相位寄存器以及第二DDS芯片5的频率寄存器、幅度寄存器和相位寄存器进行编程，调节第一DDS芯片4和第二DDS芯片5输出射频信号的频率、幅度和相位参数，最终调节射频信号131输出信号的频率、幅度和相位。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种用于激光器调制的零谐波宽频可调输出的射频信号源，包括参考射频源（1），其特征在于，参考射频源（1）连接第一DDS芯片（4）的参考输入端和第二DDS芯片（5）的参考输入端，FPGA控制器（3）分别连接USB通信芯片（2）、第一DDS芯片（4）的数字通信接口和第二DDS芯片（5）的数字通信接口，第一DDS芯片（4）输出的第一数字射频信号（41）依次经过第一带通滤波器（6）、第一射频放大器（8）和第三带通滤波器（10）后生成第一驱动射频信号（101）并输入至混频器（12）的LO本振端；第二DDS芯片（5）输出的第二数字射频信号（51）依次经过第二带通滤波器（7）、第二射频放大器（9）和第四带通滤波器（11）后产生第二驱动射频信号（111）输入至混频器（12）的RF本振端；混频器（12）的IF输出端经过低通滤波器（13）后输出最终射频信号（131），
所述第一带通滤波器（6）滤除第一数字射频信号（41）中的谐波，第二带通滤波器（7）滤除第二数字射频信号（51）中的谐波，
所述第一驱动射频信号（101）的频率为固定频率f LO ，第二驱动射频信号（111）的频率为f RF ，第二驱动射频信号（111）为频率在一定范围内可调节的信号，第一带通滤波器（6）和第三带通滤波器（10）使得第一驱动射频信号（101）仅含有频率为f LO 的基波，第二带通滤波器（7）和第四带通滤波器（11）使得第二驱动射频信号（111）仅仅含有f RF 频率范围的基波，混频器（12）输出信号（121）包括频率为f RF - f LO 的下混频信号和频率为f RF + f LO 的上混频信号，低通滤波器（13）滤除本振泄露信号以及频率为f RF + f LO 的上混频信号，
通过改变第二DDS芯片（5）的幅度寄存器参数以及相位寄存器参数，以实现最终射频信号的幅度和相位调节，第一DDS芯片（4）工作在单音模式，第二DDS芯片（5）工作在单音模式或者键控频移模式。
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