CN115765731A - 一种宽带低相位噪声混合频率合成装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带低相位噪声混合频率合成装置，可调高稳超低相噪参考时钟(1)，基于SRD梳状谱发生器(2)，功分器(3)顺序连接，功分器有两个输出端，其中一个输出端顺序串接时钟发生器(4)，直接数字频率合成器(5)，内插宽带锁相环(6)，另一个输出端接内插下混频本振发生器(7)，内插下混频本振发生器的输出端接内插宽带锁相环中的混频器，内插宽带锁相环的输出端为该宽带低相位噪声混合频率合成装置的输出端。本发明实现宽频带低相位噪声的频率合成器，具有低成本、低功耗、宽频带、输出频率范围可调、高分辨率、低相位噪声等优势，该频率合成方法可用于微波领域测试仪表、5G/6G通信系统中。

Description

一种宽带低相位噪声混合频率合成装置

技术领域

本发明涉及微波/毫米波无线通信技术领域，特别是涉及微波、毫米波通信测试仪表、5G和6G通信系统中。

背景技术

微波、毫米波测试仪表主要通信设备的关键指标进行测试，常见的有矢量信号源、频谱仪、矢量网络分析仪、信道模拟器等，随着5G商业化，6G技术探讨研究，这些测试仪器的性能对通信产品的测试至关重要。在这些通信测量仪表中，频率合成器的性能对测试仪表有着重要的影响。故研究宽频带、低相噪、高分辨率、小体积、低成本、低杂散的频率合成合成方法尤为重要。

频率合成是指以一个或数个参考频率为基准，在某一频段内，综合产生并输出多个工作频率点的过程。频率合成器可分为直接合成式和间接合成式，其中，直接合成技术还分为直接模拟频率合成技术和直接数字频率和成技术。直接模拟频率合成器获得的信号具有频率的长期和短期稳定度高、频率变换速度快等特点，但调试难度大，杂散抑制难。直接数字频率合成技术，采用了数字采样存储技术，具有精确的相位、频率分辨力，快速的转换时间等优点，但是输出频率上限不高。锁相频率合成技术是一种间接式合成器，它利用一个或者几个参考频率源，用锁相环把压控振荡器的频率锁定在一定频率输出范围上，由压控振荡器间接产生所需频率输出。这种方法优点是由于锁相环路相当于一个窄带跟踪滤波器，因此能很好地选择所需频率的信号，抑止杂散分量，避免了大量使用分段滤波器，有利于集成化和小型化。

发明内容

技术问题：本发明提出了一种宽带低相位噪声混合频率合成装置，其目的在于提出一种混合频率合成方法，将直接频率合成和间接频率合成的有点相结合，设计具有宽频带、低相噪、低功耗、小体积、高频率分辨率的特点，能满足微波、毫米波测试仪表和5G、6G通信系统的需求。

技术方案：本发明的宽带低相位噪声混合频率合成装置包括可调高稳超低相噪参考时钟，基于SRD梳状谱发生器，功分器、时钟发生器，直接数字频率合成器，DDS时内插宽带锁相环，内插下混频本振发生器；其中，可调高稳超低相噪参考时钟，基于SRD梳状谱发生器，功分器顺序连接，功分器有两个输出端，其中一个输出端顺序串接时钟发生器，直接数字频率合成器，DDS时内插宽带锁相环，另一个输出端接内插下混频本振发生器，内插下混频本振发生器的输出端接DDS时内插宽带锁相环中的混频器，DDS时内插宽带锁相环的输出端为该宽带低相位噪声混合频率合成装置的输出端。

所述可调高稳超低相噪参考时钟包括顺序串联连接的低相噪温补晶振、鉴相器、低通环路滤波器、声表压控振荡器、可编程分频器，分频器的输入端接声表压控振荡器的输出端，分频器的输出端接鉴相器的输入端，为所述混合频率合成装置提供频率可调低相位噪声时钟参考信号。

所述时钟发生器由第一滤波器，放大器，第二滤波器三级器件顺序级联而成，根据直接数字频率合成器时钟的需求滤除梳状谱输出的某次谐波，并进一步放大滤波，生成满足激励直接数字频率合成器所需的时钟信号。

内插宽带锁相环，其中，鉴相器、低通环路滤波器、宽带分段压控振荡器顺序连接，混频器的输入端接宽带分段压控振荡器的输出端，混频器的输出端接鉴相器的输入端；其中宽带分段压控振荡器其宽带的实现是通过多段压控振荡器合成的，这样使得压控振荡器具有宽频带特性的同事还具有低压控灵敏度k_v的特征，便于设计优良的锁相环路，进一步降低相位噪声。

所述内插下混频本振发生器由第一滤波放大组、第二滤波放大组、第三滤波放大组并行级联呈多路滤波器，通过第一一切多路开关接分频器，通过第二一切多路开关接混频器，每路滤波器分别对梳状谱输出的某次谐波进行滤波放大，依照系统的需求进行切换选取。

该宽带低相位噪声混合频率合成装置的带内相位噪声主要由可调高稳超低相噪参考时钟中的声表面波压控振荡器相噪特性和直接数字频率合成器的相噪特性共同决定的，带外相位噪声由宽带分段压控振荡器的相位噪声决定，当选择超低相位噪声声表压控振荡器、宽频带低相噪的直接数字频率合成器和高Q值、低k压控灵敏度系数特性的宽带压控振荡器时，就能实现宽频带低相噪混合频率合成装置。

所述的基于SRD梳状谱发生器，将来自可调高稳超低相噪参考时钟信号经过功放放大激励阶跃恢复二极管SRD，生成满足混合频率合成所需的直接数字频率合成器的时钟信号和用于内插下混频的本振信号，为了减小梳状谱发生器仿真设计和实际测试误差，对核心器件阶跃恢复二极管进行精确建模仿真，并进一步改进阶跃恢复二极管SRD非线性仿真模型。

所述直接数字频率合成器输出频率具有低相位噪声高分辨率的特性，实现频率合成低分辨率的特性，由基于SRD梳状谱发生器激励的内插下混频本振发生器激励混频器，实现传统锁相环分频器的功能，进一步降低分频器低噪高所带来相噪恶化的影响，从而保证宽带频率合成器低相位噪声的特性。

所述可编程分频器产生的输出频率激励梳状谱发生器，该激励信号的频率按照设计需求调整分频比。

该装置包括可调高稳超低相噪参考时钟提供频率可调时钟信号激励梳状谱发生器，再由功分器分别给直接数字频率合成器和内插宽带锁相环提供相应的参考时钟，由直接数字频率合成器DDS输出低分辨率低相位噪声的时钟信号作为内插宽带锁相环的参考信号，由内插下混频本振发生器产生下混频本振信号，从而实现输出宽带低相位噪声频率信号。

本发明将直接模拟频率合成技术、直接数字频率合成技术及间接频率合成技术的优点相结合，设计一种混合频率合成方法，取代传统仪表中的YIG振荡器，实现具有宽频带、低相噪、高分辨率、低功耗、低成本、低杂散、易于集成的优点。

有益效果：现有技术当中，宽带频率合成通常采用YIG来实现的，但是其功耗大、体积大、设计复杂，本发明所提出的混合频率合成方法，将直接模拟频率合成技术、直接数字频率合成技术和间接频率合成技术相的各自优点相结合，设计出宽带低相位噪声混合频率合成器，具有高性能、低成本、低功耗的特性，可以用于通信测量仪表和5G、6G通信系统中。

附图说明

图1为一种宽带混合频率合成方法实施框图；

图中有：可调高稳超低相噪参考时钟1、温补晶振101、鉴相器102、低通环路滤波器103、声表面波压控振荡器104、分频器105、可编程分频器106、基于SRD梳状谱发生器2、功分器3、时钟发生器4、第一滤波器401、放大器402、第二滤波器403、直接数字频率合成器5、内插宽带锁相环6、鉴相器601、低通环路滤波器602、宽带分段压控振荡器603、混频器604、内插下混频本振发生器7、第一一切多路开关701、第一滤波放大组702、第二滤波放大组703、第三滤波放大组704、第二一切多路开关705。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

实施例1

宽带混合频率合成实验装置主要由：可调高稳超低相噪参考时钟1、基于SRD梳状谱发生器2、功分器3、时钟发生器4、直接数字频率合成器5、内插宽带锁相环6、内插下混频本振发生器7所组成

可调高稳超低相噪参考时钟1为混合频率合成器提供频率可调低相位噪声时钟参考信号其包括温补晶振101、鉴相器102、低通环路滤波器103、声表面波压控振荡器104、分频器105、可编程分频器106组成。

该参考时钟经过基于SRD梳状谱发生器2分别激励直接数字频率合成器5和内插下混频本振发生器7，其中基于SRD梳状谱发生器2来自可调高稳超低相噪参考时钟1信号经过功放放大激励阶跃恢复二极管SRD，生成满足混合频率合成所需的直接数字频率合成器的时钟信号和用于内插下混频的本振信号，为了减小梳状谱发生器仿真设计和实际测试误差，对核心器件阶跃恢复二极管进行精确建模仿真，并进一步改进SRD非线性仿真模型。

基于SRD梳状谱发生器2所产生的梳状谱信号经过功分器3分别激励直接数字频率合成器5和内插下混频本振发生器7。

基于SRD梳状谱发生器2的一路输出给直接数字频率合成器5提供时钟，该时钟是由时钟发生器4产生的，主要包括由第一滤波器401、放大器402、第二滤波器403三级器件级联而成的，滤波器根据直接数字频率合成器5时钟的需求滤除梳状谱输出的某次谐波，并进一步放大滤波，生成满足激励直接数字频率合成器5所需的时钟信号。该时钟信号激励直接数字频率合成器5，产生内插宽带锁相换路所需的参考时钟，该参考时钟具有频率分辨率高、相位噪声优良的特点。

梳状谱的另一路输出激励内插下混频本振发生器7，其特征在于，所述内插下混频本振发生器是由两个一切多路开关即第一一切多路开关701、第二一切多路开关705，多路滤波放大组即第一滤波放大组702、第二滤波放大组703、第三滤波放大组704并行级联而成，每路滤波器分别对梳状谱输出的某次谐波进行滤波放大，依照系统的需求进行切换选取。滤波放大组的数量视系统的最终需求进行选择。

内插下混频本振发生器7的目的是用给内插宽带锁相环6提供本振信号，其中内插宽带锁相换路中的混频器604取代传统锁相环路的分频器，可以将分频器所带来分频比和分频器底噪恶化的相位噪声性能大大改善，整个内插宽带换路相位噪声带内是有直接数字频率合成器5的相位噪声决定的，带外是有宽带分段压控振荡器603的相位噪声决定的。

内插宽带锁相环由鉴相器601、低通环路滤波器602、宽带分段压控振荡器603、混频器604所组成，其中宽带分段压控振荡器603其宽带的实现是通过多段压控振荡器合成的，这样使得压控振荡器具有宽频带特性的同时还具有低压控灵敏度k_v的特征，便于设计优良的锁相环路，进一步降低相位噪声。

综上，本发明具有宽频带、低相噪、高分辨率、低功耗宽频带频率合成器的特点，支持微波、毫米波通信测量仪表，支持5G、6G通信系统。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种宽带低相位噪声混合频率合成装置，其特征在于，该装置包括可调高稳超低相噪参考时钟(1)，基于SRD梳状谱发生器(2)，功分器(3)、时钟发生器(4)，直接数字频率合成器(5)，DDS时内插宽带锁相环(6)，内插下混频本振发生器(7)；其中，可调高稳超低相噪参考时钟(1)，基于SRD梳状谱发生器(2)，功分器(3)顺序连接，功分器(3)有两个输出端，其中一个输出端顺序串接时钟发生器(4)，直接数字频率合成器(5)，DDS时内插宽带锁相环(6)，另一个输出端接内插下混频本振发生器(7)，内插下混频本振发生器(7)的输出端接DDS时内插宽带锁相环(6)中的混频器(604)，DDS时内插宽带锁相环(6)的输出端为该宽带低相位噪声混合频率合成装置的输出端。

2.根据权利要求1所述的宽带低相位噪声混合频率合成装置，其特征在于，所述可调高稳超低相噪参考时钟(1)包括顺序串联连接的低相噪温补晶振(101)、鉴相器(102)、低通环路滤波器(103)、声表压控振荡器(104)、可编程分频器(106)，分频器(105)的输入端接声表压控振荡器(104)的输出端，分频器(105)的输出端接鉴相器(102)的输入端，为所述混合频率合成装置提供频率可调低相位噪声时钟参考信号。

3.根据权利要求1所述的宽带低相位噪声混合频率合成装置，其特征在于所述时钟发生器(4)由第一滤波器(401)，放大器(402)，第二滤波器(403)三级器件顺序级联而成，根据直接数字频率合成器(5)时钟的需求滤除梳状谱输出的某次谐波，并进一步放大滤波，生成满足激励直接数字频率合成器(5)所需的时钟信号。

4.根据权利要求1所述的宽带低相位噪声混合频率合成装置，其特征在于内插宽带锁相环(6)，其中，鉴相器(601)、低通环路滤波器(602)、宽带分段压控振荡器(603)顺序连接，混频器(604)的输入端接宽带分段压控振荡器(603)的输出端，混频器(604)的输出端接鉴相器(601)的输入端；其中宽带分段压控振荡器(603)其宽带的实现是通过多段压控振荡器合成的，这样使得压控振荡器具有宽频带特性的同事还具有低压控灵敏度k_v的特征，便于设计优良的锁相环路，进一步降低相位噪声。

5.根据权利要求1所述的宽带低相位噪声混合频率合成装置，其特征在于所述内插下混频本振发生器(7)由第一滤波放大组(702)、第二滤波放大组(703)、第三滤波放大组(704)并行级联呈多路滤波器，通过第一一切多路开关(701)接分频器(105)，通过第二一切多路开关(705)接混频器(604)，每路滤波器分别对梳状谱输出的某次谐波进行滤波放大，依照系统的需求进行切换选取。

6.根据权利要求1所述的宽带低相位噪声混合频率合成装置，其特征在于，该宽带低相位噪声混合频率合成装置的带内相位噪声主要由可调高稳超低相噪参考时钟(1)中的声表面波压控振荡器(104)相噪特性和直接数字频率合成器(5)的相噪特性共同决定的，带外相位噪声由宽带分段压控振荡器(603)的相位噪声决定，当选择超低相位噪声声表压控振荡器(104)、宽频带低相噪的直接数字频率合成器(5)和高Q值、低k压控灵敏度系数特性的宽带压控振荡器时，就能实现宽频带低相噪混合频率合成装置。

7.根据权利要求1所述的宽带低相位噪声混合频率合成装置，其特征在于所述的基于SRD梳状谱发生器(2)，将来自可调高稳超低相噪参考时钟(1)信号经过功放放大激励阶跃恢复二极管SRD，生成满足混合频率合成所需的直接数字频率合成器(5)的时钟信号和用于内插下混频的本振信号，为了减小梳状谱发生器(2)仿真设计和实际测试误差，对核心器件阶跃恢复二极管进行精确建模仿真，并进一步改进阶跃恢复二极管SRD非线性仿真模型。

8.根据权利要求1所述的宽带低相位噪声混合频率合成装置，其特征在于，所述直接数字频率合成器(5)输出频率具有低相位噪声高分辨率的特性，实现频率合成低分辨率的特性，由基于SRD梳状谱发生器(2)激励的内插下混频本振发生器(7)激励混频器，实现传统锁相环分频器的功能，进一步降低分频器低噪高所带来相噪恶化的影响，从而保证宽带频率合成器低相位噪声的特性。

9.根据权利要求1所述的宽带低相位噪声混合频率合成装置，其特征在于，所述可编程分频器(106)产生的输出频率激励梳状谱发生器(2)，该激励信号的频率按照设计需求调整分频比。

10.根据权利要求1所述的宽带低相位噪声混合频率合成装置，其特征在于，该装置包括可调高稳超低相噪参考时钟(1)提供频率可调时钟信号激励梳状谱发生器(2)，再由功分器(3)分别给直接数字频率合成器(5)和内插宽带锁相环(6)提供相应的参考时钟，由直接数字频率合成器DDS输出低分辨率低相位噪声的时钟信号作为内插宽带锁相环的参考信号，由内插下混频本振发生器(7)产生下混频本振信号，从而实现输出宽带低相位噪声频率信号。

Images