CN117081588A - 一种宽带低相噪捷变频率合成器及其信号合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种宽带低相噪捷变频率合成器及其信号合成方法；包括晶振，晶振通过功分器分别连接有梳谱产生电路、快速变频电路、锁相环电路；本发明通过控制梳谱电路的开关滤波器阵列可以选择出一个合适第二本振信号，其频率范围的选择直接决定最终频率合成器的输出频段，从而可以实现宽带、低相位噪声的微波信号；快速变频电路中的DDS受FPGA控制字作用，可产生快速细步进的射频信号。再与锁相环输出的信号进行混频，进而可以在某频点的基础上实现频率捷变。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽带低相噪捷变频率合成器及其信号合成方法。
背景技术
随着当代通信技术的发展，频率合成器在无线电的各个领域如现代通信、雷达、电视、遥控遥测、电子对抗及现代化仪器仪表等方面得到了日益广泛的应用，被喻为现代电子系统的“心脏”。因此，高性能的宽带低相噪捷变频率合成器技术变得尤为重要。早期的模拟频率合成是通过分频、倍频、混频的方法来得到一系列输出频率。频率合成器的应用很广泛，在现代通信、雷达及卫星领域都有涉略，其性能的优劣直接影响了系统的好坏。因此，针对频率合成技术的研究十分必要。频率合成器的切换速度决定了电子系统的响应速度。
现有的频率合成技术为模拟频率合成、直接数字频率合成、锁相频率合成。其中，模拟频率合成虽原理简单但存在电路复杂，尺寸规模太大的问题；直接数字频率合成可以实现频率快速捷变，但存在较大的输出杂散；锁相频率合成技术输出杂散较低，但频率切换速度慢。
如公开号为CN113162617B公开的一种低相噪X波段频率源及其调制方法，用梳状谱发生器产生的本振信号与锁相环频率合成器中的压控振荡器输出的X波段频率信号进行下变频，锁相环只需锁定该下变频频率(即第二频率信号)，即可让压控振荡器恒定输出高频频率的X波段频率信号，但其频率切换速度慢。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种宽带低相噪捷变频率合成器及其信号合成方法，能够实现宽带、低相噪、捷变频率的微波信号产生，通过控制DDS实现微波信号的快速变化，与锁相环电路产生的信号一起合成出一个捷变信号；通过开关滤波器将梳谱信号选出。最终通过混频器将梳谱输出的低相噪信号与捷变信号合成一路微波信号，最终通过控制输出端的开关滤波电路，可得到一个宽带、低相噪、捷变频率的微波信号。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种宽带低相噪捷变频率合成器；包括晶振，晶振通过功分器分别连接有梳谱产生电路、快速变频电路、锁相环电路；
所述快速变频电路包括DDS，DDS通过FPGA控制其输出频率形成中频信号，
所述锁相环电路包括一个锁相环，锁相环通过FPGA控制其产生第一本振信号；
所述梳谱产生电路包括梳状谱发生器和第一开关滤波列阵电路，梳状谱发生器产生梳状信号，第一开关滤波列阵电路通过FPGA从梳状信号中选出所需的谐波型号作为第二本振信号；
第二本振信号、中频信号、第一本振信号并输入到微波频率合成电路合成一路微波信号。
所述微波频率合成电路包括第一混频器，第一混频器输出端依次与第二滤波器、第三放大器、第二混频器、第三滤波器、第四放大器、第二开关滤波阵列连接，第一混频器的输入端接入中频信号和第一本振信号。
所述梳谱产生电路还包括第一放大器，第一放大器输入端与功分器连接，第一放大器输出端依次连接有梳状谱发生器、开关滤波列阵电路、倍频器、第一滤波器、第二放大器，第二放大器与第二混频器连接。
所述锁相环内集成有VCO，锁相环输出端连接有第四滤波器。
一种宽带低相噪捷变频率合成器的信号合成方法；
S1、晶振产生正弦波并通过功分器分为第一参考信号、第二参考信号、第三参考信号；
S2、第一参考信号通过第一放大器放大后由梳妆谱发生器产生若干梳妆谱信号；
S3、第一开关滤波阵列从若干梳妆谱信号中的单一点频信号，单一点频信号经倍频器倍频后滤波放大得到第二本振信号；
S4、FPGA控制DDS将第二路参考信号转换为窄带小步进信号作为中频输入信号；
S5、FPGA对锁相环的寄存器进行配置使锁相环产生S波段信号，S波段信号经过第四滤波器滤波后作为第一本振信号；
S6、第一混频器将中频输入信号和第二本振信号混频为预设的波段信号；
S7、第二混频其将预设波段信号和第一本振信号合成为目标微波信号。
所述晶振的相位噪声为-160dBc/Hz@1kHz。
所述倍频器相噪恶化公式为：PN＝PN0+20×logN+5dB。
所述锁相环产生的S波段信号相噪最大为-110dBc/Hz@1kHz。
所述DDS产生的中频信号相噪为-122dBc/Hz@1kHz。
本发明的有益效果在于：通过控制梳谱电路的开关滤波器阵列可以选择出一个合适第二本振信号，其频率范围的选择直接决定最终频率合成器的输出频段，从而可以实现宽带、低相位噪声的微波信号；快速变频电路中的DDS受FPGA控制字作用，可产生快速细步进的射频信号。再与锁相环输出的信号进行混频，进而可以在某频点的基础上实现频率捷变。
附图说明
图1是本发明的原理示意图；
图2是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
一种宽带低相噪捷变频率合成器；包括晶振，晶振通过功分器分别连接有梳谱产生电路、快速变频电路、锁相环电路；功分电路，通过对晶振参考信号进行功分三路处理，一路作为梳谱电路的输入信号，一路作为快速变频电路的输入信号，一路作为锁相环电路的输入信号。
快速变频电路将所述功分器输出的参考信号连接到直接数字频率合成器(DDS)的输入端，可编程阵列逻辑(FPGA)则通过控制DDS电路的接口完成DDS对输入/输出信号的驱动与匹配。通过FPGA编程控制DDS输出频率从而产生小步进的第一中频信号。DDS输出的信号作为中频信号，可实现捷变频。本发明的频率源中，DDS产生的中频信号频率由微控制单元发送的频率控制字所决定。即FPGA控制直接数字频率合成器，可以使其产生的中频频率迅速改变。由于中频信号可以快速变频，因此经过混频输出信号具有捷变频的特点。所述的频率合成器系统中，由于只有一个锁相环路，相比于多环系统，具有更短的频率锁定时间，进而加快了变频速度。
锁相环电路，将功分器输出的参考信号输入锁相环电路的鉴相器参考输入端，通过FPGA控制锁相环电路从而产生第一本振信号。
梳谱产生功分器输出的参考信号转换为与多组高次谐波信号，通过FPGA控制开关滤波器阵列快速选择所需要的谐波信号，作为第二本振信号；采用梳谱信号作为混频电路的第二本振信号，其具有低相噪的特点。第一本振信号是经过锁相环锁定信号输出频率不高，可以实现较低的相位噪声。最终输出混频信号的相位噪声相对于本振信号不会有太大的恶化。
实施例：
如图1和表1所示，本实施中采用的元器件为：
表1器件表
以产生X波段的信号为例，晶振产生100MHz的正弦波功分为三路，其中，第一路与梳谱产生电路的输入端连接，激励梳谱产生一系列梳状谱信号。通过控制开关滤波阵列1选出单一点频信号，经二倍频器倍频至需要的频点，再进行滤波放大最终作为混频器2的本振信号(LO2)；第二路与DDS快速变频信号发生电路的输入端链接，在FPGA的控制下产生窄带小步进信号作为混频器1的中频输入信号(IF1)。第三路与锁相环电路的输入端连接，通过FPGA配置其寄存器产生微波信号，再经滤波器4进行谐波过滤，最终输出作为混频器1的本振输入信号(LO1)。中频输入信号(IF1)、本振输入信号(LO1)经混频1混频后的信号经过滤波放大后作为混频器2的中频输入信号(IF2)。通过混频器将信号(IF2)、本振信号(LO2)合成出最终的微波信号，再经过滤波放大。
开关滤波组件能够选取出梳谱电路的第40谐波信号中的预设频段恰好处于4GHz，倍频后以便混频器将锁相环与快速变频合成的步进信号搬移至预设X波段中，从而生成所需的微波信号。在本发明中，选用参考分配单元的晶振相位噪声约为-160dBc/Hz@1kHz。
根据倍频器相噪恶化公式：PN＝PN0+20×logN+5dB，可得S梳状谱及滤波倍频后的本振信号(LO2)最差相噪约为-120dBc/Hz@1kHz。锁相环产生S波段的信号相噪最大为-110dBc/Hz@1kHz，DDS模块产生的中频信号相噪约为-122dBc/Hz@1kHz。
根据混频器的基本原理：混频输出信号的相噪主要由相噪差的一方决定。综上，梳谱产生电路所产生微波信号的相噪优于锁相环电路，锁相环产生S波段信号最差相噪约为-110dBc/Hz@1kHz。因此，S波段信号经过宽带混频后输出的X波段目标信号最差相噪约为-106dBc/Hz@1kHz。
本发明所提供的频率发生器不仅能够极大地降低信号相位噪声功能。通过FPGA控制字对DDS实现10MHz带宽内实现几百纳秒级的频点切换，控制锁相环电路实现几十微秒级的频点切换，通过对梳谱信号进行开关滤波可以实现频段快速装订，进而达到宽带的微波信号输出。
快速变频电路用于实现输出频率细步进的调整，该电路不局限于案例提供的DDS电路，可以理解该部分电路只要实现频率快速调整转换均被认为包含在本发明的保护范围内。
功分器用于微波信号的分流作用，不局限功分器件，所有实现微波信号分流，如：耦合器，T型结功分器等都被认为包含在本发明的保护范围内。
开关滤波阵列用于实现杂散抑制和频率筛选，不局限于实例电路的开关滤波阵列，只要能对信号实现谐波、杂散抑制的，均认为包含在本发明的保护范围内。
梳谱产生电路用于实现高相噪的射频信号，该电路不局限于案例提出的梳谱电路结构，可以理解该部分电路只要实现对梳谱产生的谐波信号快速选择并输出均被认为包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种宽带低相噪捷变频率合成器，其特征在于：包括晶振，晶振通过功分器分别连接有梳谱产生电路、快速变频电路、锁相环电路；
所述快速变频电路包括DDS，DDS通过FPGA控制其输出频率形成中频信号，
所述锁相环电路包括一个锁相环，锁相环通过FPGA控制其产生第一本振信号；
所述梳谱产生电路包括梳状谱发生器和第一开关滤波列阵电路，梳状谱发生器产生梳状信号，第一开关滤波列阵电路通过FPGA从梳状信号中选出所需的谐波型号作为第二本振信号；
第二本振信号、中频信号、第一本振信号并输入到微波频率合成电路合成一路微波信号。
2.如权利要求1所述的宽带低相噪捷变频率合成器，其特征在于：所述微波频率合成电路包括第一混频器，第一混频器输出端依次与第二滤波器、第三放大器、第二混频器、第三滤波器、第四放大器、第二开关滤波阵列连接，第一混频器的输入端接入中频信号和第一本振信号。
3.如权利要求1所述的宽带低相噪捷变频率合成器，其特征在于：所述梳谱产生电路还包括第一放大器，第一放大器输入端与功分器连接，第一放大器输出端依次连接有梳状谱发生器、开关滤波列阵电路、倍频器、第一滤波器、第二放大器，第二放大器与第二混频器连接。
4.如权利要求1所述的宽带低相噪捷变频率合成器，其特征在于：所述锁相环内集成有VCO，锁相环输出端连接有第四滤波器。
5.一种宽带低相噪捷变频率合成器的信号合成方法，其特征在于：
S1、晶振产生正弦波并通过功分器分为第一参考信号、第二参考信号、第三参考信号；
S2、第一参考信号通过第一放大器放大后由梳妆谱发生器产生若干梳妆谱信号；
S3、第一开关滤波阵列从若干梳妆谱信号中的单一点频信号，单一点频信号经倍频器倍频后滤波放大得到第二本振信号；
S4、FPGA控制DDS将第二路参考信号转换为窄带小步进信号作为中频输入信号；
S5、FPGA对锁相环的寄存器进行配置使锁相环产生S波段信号，S波段信号经过第四滤波器滤波后作为第一本振信号；
S6、第一混频器将中频输入信号和第二本振信号混频为预设的波段信号；
S7、第二混频其将预设波段信号和第一本振信号合成为目标微波信号。
6.如权利要求5所述的宽带低相噪捷变频率合成器的信号合成方法，其特征在于：所述晶振的相位噪声为-160dBc/Hz@1kHz。
7.如权利要求5所述的宽带低相噪捷变频率合成器的信号合成方法，其特征在于：所述倍频器相噪恶化公式为：PN＝PN0+20×logN+5dB。
8.如权利要求5所述的宽带低相噪捷变频率合成器的信号合成方法，其特征在于：所述锁相环产生的S波段信号相噪最大为-110dBc/Hz@1kHz。
9.如权利要求5所述的宽带低相噪捷变频率合成器的信号合成方法，其特征在于：所述DDS产生的中频信号相噪为-122dBc/Hz@1kHz。
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| CN202311099208.9A CN117081588A (zh) | 2023-08-29 | 2023-08-29 | 一种宽带低相噪捷变频率合成器及其信号合成方法 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117650783A (zh) * | 2024-01-30 | 2024-03-05 | 成都世源频控技术股份有限公司 | 一种小型化捷变频合成电路 |
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2023
- 2023-08-29 CN CN202311099208.9A patent/CN117081588A/zh active Pending
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| CN117650783B (zh) * | 2024-01-30 | 2024-04-19 | 成都世源频控技术股份有限公司 | 一种小型化捷变频合成电路 |
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