CN210986084U - 一种频率合成器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于无线电通信领域,具体涉及一种频率合成器,包括参考信号产生电路、主锁相环、本振信号产生电路以及第一功分器,参考信号产生电路通过第一功分器分别连接主锁相环和本振信号产生电路,主锁相环与本振信号产生电路相连。本实用新型具有在产生高频频率源的同时,还兼具降低相位噪声的功能。
Description
技术领域
本实用新型属于无线电通信领域领域,具体涉及一种频率合成器。
背景技术
锁相环频率合成器是一种将输入的高稳定度、低相位噪声的参考信号转变成不同频率并且与该参考信号有特定相位关系的电子设备。一般情况下,参考信号的频率在几MHz到一两百MHz之间。在各种高性能、大动态范围频率变换、数字通信系统以及雷达系统中,相位噪声是一个限制参考信号频率的主要因素。在实际变频过程中,本振信号的边带噪声会直接转换成强干扰中频信号的边带噪声,并落入中频带宽内,从而淹没了有用的中频信号。这种影响在高选择性和大动态范围接收机中是非常明显的,因为本振信号的边带噪声电平决定了接收机的性能;在数字通信系统中,载波信号的相位噪声还影响载波跟踪精度和数字调制系统的误码率;在雷达系统中,发射信号的边带噪声也会对接收机造成干扰。随着5G、卫星通信以及雷达工作频率的不断升高,所需频率源的频率也在不断升高。常用的高频频率源都是基于低频晶体振荡器产生的,目前频率合成的主要方法是直接式与间接式,无论直接式或者间接式都会使用倍频方案。但是倍频方案会使相位噪声恶化,其理论值为其中,n为倍频系数。到了微波频段,倍频系数往往达到100到1000甚至更大,对晶体振荡器,倍频会使得相位噪声恶化40dB~60dB。可见倍频方案对相位噪声要求很高的应用场合难以满足要求。因此需要倍频以外的新方法来产生高频率且相位噪声较低的频率源。
实用新型内容
为解决上述问题,本实用新型提供了一种频率合成器,该频率合成器具有在产生高频频率源的同时,还兼具降低相位噪声的功能。
为了实现上述目的,本实用新型采用如下技术方案:
一种频率合成器,包括参考信号产生电路、主锁相环、本振信号产生电路以及第一功分器,参考信号产生电路通过第一功分器分别连接主锁相环和本振信号产生电路,主锁相环与本振信号产生电路相连。
优选地,参考信号产生电路包括第一晶体振荡器、第二功分器、第一环路、第一带通滤波器、第一放大器、第二环路、第三功分器、第三环路、第二放大器以及第二带通滤波器,第一晶体振荡器经第二功分器后有两路输出,一路经第一环路、第一带通滤波器以及第一放大器与第三环路相连,另一路经第二环路和第三功分器与第三环路相连;第三环路经第二放大器和第二带通滤波器与第一功分器相连。
优选地,第一环路包括第一混频器、第一环路滤波器以及第二晶体振荡器,第一混频器的一路输出经第一环路滤波器与第二晶体振荡器相连,第二晶体振荡器反馈给第一混频器;第一混频器与第二功分器相连;第一混频器的另一路输出连接第一带通滤波器。
优选地,第二环路包括第二混频器、第二环路滤波器以及第三晶体振荡器,第二混频器经第二环路滤波器与第三晶体振荡器连接,第三晶体振荡器反馈给第二混频器;第二混频器与第二功分器相连;第三晶体振荡器与第三功分器相连。
优选地,第三环路包括第三混频器、第三放大器、第三带通滤波器、第四混频器、第三环路滤波器以及第四晶体振荡器,第三混频器经第三放大器和第三带通滤波器与第四混频器相连,第四混频器经第三环路滤波器和第四晶体振荡器反馈给第三混频器;第三混频器与第三功分器相连;第四混频器与第二放大器相连。
优选地,主锁相环包括鉴频鉴相器、第四环路滤波器、压控振荡器、第四带通滤波器、第五混频器、第五带通滤波器、第四放大器以及第六带通滤波器,鉴频鉴相器经第四环路滤波器和压控振荡器与第四带通滤波器相连,压控振荡器经第五混频器、第五带通滤波器、第四放大器以及第六带通滤波器反馈给鉴频鉴相器;鉴频鉴相器与第一功分器相连;第五混频器与本振信号产生电路相连;第四带通滤波器输出信号。
优选地,本振信号产生电路包括倍频器、第七带通滤波器、第五放大器以及第八带通滤波器,倍频器经第七带通滤波器和第五放大器与第八带通滤波器相连;倍频器与第一功分器相连;第八带通滤波器与主锁相环相连。
优选地,第三功分器选用输出两路有90°相位差的功分器。
优选地,倍频器选用1/f噪声低的倍频器。
优选地,倍频器选用肖特基势垒二极管、晶体三极管或场效应晶体管。
与现有技术相比,本实用新型的有益效果是:
1)第一晶体振荡器输出信号作为参考信号产生电路的输入信号,经第二功分器有两路输出,一路经第一环路、第一带通滤波器以及第一放大器与第三环路相连,另一路经第二环路和第三功分器与第三环路相连;第三环路经第二放大器和第二带通滤波器与第一功分器相连,其中,第一放大器输出频率为第一晶体振荡器频率的2倍,第三晶体振荡器和第四晶体振荡器的输出频率均与第一晶体振荡器相同,最终从参考信号产生电路输出的频率为第一晶体振荡器的4倍,而不是采用倍频方案时的20*log(4),其相位噪声恶化10*log(4),因此,采用此种方式的连接可以在提高参考信号产生电路输出频率的同时对相位噪声改善10*log(4)。以此类推,用此种方法产生的N倍频信号时,其相位噪声恶化10*log(N)。
2)第四混频器输出的差频信号为直流控制信号,该信号与输入的两路信号频率相位相关,由于输入的两路信号均是采用锁相结构,这两路信号都锁定到同一路参考晶振,确保了第二晶体振荡器、第三晶体振荡器以及第四晶体振荡器的频率均与第一晶体振荡器的频率完全相同,从而保证了最终输出信号近端没有因为混频而引入杂散信号。
附图说明
图1为本实用新型的总框图;
图2为参考信号产生电路;
图3为本振信号产生电路;
图4为主锁相环;
其中,A-参考信号产生电路、B-主锁相环、C-本振信号产生电路、1A-第一环路、2A-第二环路、3A-第三环路、01-第一晶体振荡器、02-第二功分器、03-第二混频器、04-第一混频器、05-第一带通滤波器、06-第一放大器、07-第一环路滤波器、08-第二晶体振荡器、09-第二环路滤波器、10-第三晶体振荡器、11-第三功分器、12-第三混频器、13-第三放大器、14-第三带通滤波器、15-第四晶体振荡器、16-第四混频器、17-第二放大器、18-第二带通滤波器、19-第一功分器、20-鉴频鉴相器、21-第四环路滤波器、22-压控振荡器、23-第六带通滤波器、24-第四放大器、25-第五带通滤波器、26-第五混频器、27-倍频器、28-第七带通滤波器、29-第五放大器、30-第八带通滤波器、31-第四带通滤波器、32-第三环路滤波器。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的及优点更加清楚明白,以下结合实施例对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。
实施例1:
如图1所示,本实用新型提出了一种基于锁相环技术的频率合成器。该频率合成器由参考信号产生电路A、主锁相环B、本振信号产生电路C以及第一功分器19组成,参考信号产生电路A通过第一功分器19分别连接主锁相环B和本振信号产生电路C,主锁相环B与本振信号产生电路C相连。参考信号产生电路A的输出信号经第一功分器19后作为主锁相环B的参考输入,最终从主锁相环B输出。其中,参考信号产生电路A的输出信号经第一功分器19后还作为本振信号产生电路C的输入信号,此输入信号反馈给主锁相环(B)。
其中,第一晶体振荡器01输出信号作为参考信号产生电路A的输入信号,参考信号产生电路A的输出信号为第一晶体振荡器01频率的4倍,其相位噪声恶化10*log(4),而不是采用倍频方案时的20*log(4),采用此方法可以提高参考信号频率,同时使相位噪声改善10*log(4)。
对锁相环,环路带宽以内平坦部分相位噪声由鉴相器决定,可由下面的公式确定:
其中,Φout(fout)为输出信号频率相位噪声,ΦPLL-FOM为鉴相器归一化噪底,fpfd为鉴相频率,fout为输出信号频率。从上面的公式可以看出,输出信号频率与鉴相信号频率的比值对最终输出信号频率的相位噪声影响最大。对于锁相环环路带宽以内平坦部分相位噪声而言,提高输出信号频率相位噪声的方法是提高鉴相频率,降低分频比N(N=fout/fpfd)。对同一输出频率,鉴相频率提高一倍,分频比降低一倍,相位噪声提高3dB。
环路平坦部分以内近端的相位噪声主要由参考信号的相位噪声决定,因为鉴相在近端的噪声功率谱密度要远低于晶振在近端的噪声功率。本实用新型采用的方案不是直接倍频,而是采用混频方案提高参考信号频率。该方法把参考频率提高一倍,相位噪声恶化10*log(2)=3dB,相对于倍频相位噪声恶化20*10log(2)=6dB,相位噪声改善了3dB。对相位噪声的恶化为10*log(f2/f1),f2/f1为输出频率与输入频率之比。该实用新型对锁相环环路内平坦部分、平坦部分以内的近端相位噪声都有明显的改善。
如图1所示,第一晶体振荡器01作为参考信号产生电路A的主参考信号,经过第二功分器02输出两路信号,一路作为第一环路1A的参考信号,另外一路作为第二环路2A的参考信号,使第二晶体振荡器08和第三晶体振荡器10分别锁定到第一晶体振荡器01。第一混频器04起鉴频鉴相器与混频作用,与第一环路滤波器07和第二晶体振荡器08构成第一环路1A,使第二晶体振荡器08锁定,输出与第一晶体振荡器01相同的频率。其中,第一混频器04输出差频信号与和频信号,差频信号经过第一环路滤波器07放大后作用于第二晶体振荡器08;和频信号经过第一带通滤波器05和第一放大器06放大后进入第四混频器16。第一放大器06输出频率是第一晶体振荡器01频率的2倍,这里的2倍频不是通过倍频方法实现的,是经过第一混频器04相加得到的,与此同时,输出信号的噪声功率谱密度也会相加,其相位噪声恶化只有3dB,相比2倍频方案优化了3dB。第二环路2A的作用是使第三晶体振荡器10锁定到第一晶体振荡器01。第三晶体振荡器10输出信号一路作为第二环路2A的反馈信号,另一路则经过第三功分器11,作为第三混频器12的输入。第二混频器03作为鉴频鉴相器,第三晶体振荡器10最终输出频率与第一晶体振荡器01相同。第三功分器11输出的信号进入第三混频器12,此处的第三功分器11选用输出两路有90°相位差的功分器,第三混频器12的另外一路输入信号由第四晶体振荡器15产生,具体为从第四混频器16中输出的一路信号经第三环路滤波器32和第四晶体振荡器15反馈给第三混频器12。第四晶体振荡器15的频率与第一晶体振荡器01频率相同。第三晶体振荡器10输出频率与第四晶体振荡器15输出频率经过第三混频器12后相加,输出和频信号,此和频信号频率为第一晶体振荡器01频率的2倍。此和频信号经过第三放大器13的放大和第三带通滤波器14的滤波后进入第四混频器16,第四混频器16输出差频信号与和频信号,和频信号经过第二放大器17的放大和第二带通滤波器18的滤波后输出,此输出频率为第一晶体振荡器01频率的4倍。其中,第四混频器16输出的差频信号经第三环路滤波器32和第四晶体振荡器15后反馈给第三混频器12。
其中,第一混频器04与第二混频器03输出的和频信号由于噪声功率相加,噪声功率谱密度也会相加,所以相对于第一晶体振荡器01,第一混频器04与第二混频器03输出的和频信号的相位噪声增加了3dB。同理,第二级的第四混频器16输出的和频信号也是由于噪声功率相加,使噪声功率谱密度增加了3dB。最终从参考信号产生电路A输出的信号频率为第一晶体振荡器01频率的4倍,与此同时,最终的相位噪声增加了6dB,比倍频方案优化了6dB。以此类推,用此种方法产生的N倍频信号相位噪声恶化10*log(N)。
第四混频器16输出的差频信号为直流控制信号,该信号与输入的两路信号频率相位相关,由于输入的两路信号均是采用锁相结构,这两路信号都锁定到同一路参考晶振,确保了第二晶体振荡器08、第三晶体振荡器10以及第四晶体振荡器15的频率与第一晶体振荡器01的频率完全相同。这也保证了最终输出信号的近端没有因为混频而引入的杂散信号。
参考信号产生电路A的信号经过19功分器,一路输出到本振信号产生电路C,用来产生环内混频用的本振信号,该信号经过倍频器27、第七带通滤波器28、第五放大器29以及第八带通滤波器30滤波后输入主锁相环B。此处的倍频器27是单级倍频器,中间加滤波放大电路,具体使用根据实际频率需要进行频率规划。倍频器27应选择基波谐波抑制好的倍频器。一般的2倍频器对基波、三次谐波抑制只有10dB~20dB,低谐波2倍频器对基波谐波的抑制可以达到20dB~30dB,甚至更高。此外,选择1/f噪声低的倍频器,如肖特基势垒二极管、晶体三极管、场效应晶体管(FET)等,这类倍频器在1KHz处的噪底能达到-169dBc/Hz。第五放大器29也应选择附加相位噪声低的低相位噪声放大器,可选择GaAs pHMET放大器,该类低相位噪声放大器在X波段,偏离主频1KHz时的相位噪声可以达到-145dBc/Hz,甚至更低。
参考信号产生电路A的信号经过19功分器,输出的另外一路参考信号作为鉴频鉴相器20的输入,经第四环路滤波器21后进入压控振荡器22,压控振荡器22输出信号与本振信号产生电路产生信号进入第五混频器26混频后,经第五带通滤波器25、第四放大器24以及第六带通滤波器23后进入鉴频鉴相器20的射频端口进行鉴相。鉴频鉴相器20输出的控制信号经过第四环路滤波器21后,调谐压控振荡器22产生所需频率。压控振荡器22输出信号经过第四带通滤波器31滤波后输出。第四带通滤波器31主要滤除压控振荡器谐波、混频器泄露过来的本振信号以及中频泄露信号。第五带通滤波器25主要作用是滤除混频后产生的交调信号及本振信号,第四放大器24将混频滤波后的信号放大到适当的功率,第六带通滤波器23滤除第四放大器24的谐波及第五带通滤波器25与第五混频器26产生的交调,防止锁相环错锁。
实施例2:
与实施例1不同的是,本实施例中的倍频器27还可以是多级倍频器。
实施例3:
与实施例1不同的是,本实施例中的本振信号产生电路C也可以用参考信号产生电路A同样的方法。
对于以上所有实施例,下面分析该实用新型对相位噪声的改善。输出信号4GHz,混频本振信号2.4GHz,第一晶体振荡器01、第二晶体振荡器08、第三晶体振荡器10以及第四晶体振荡器15分别为100MHz。其相位噪声为:-132dBc/Hz@100Hz;-160dBc/Hz@1kHz;-175dBc/Hz@10kHz;-175dBc/Hz@100kHz;-175dBc/Hz@1MHz第一功分器19输入到鉴频鉴相器20的400MHz信号相位噪声为-126dBc/Hz@100Hz;-154dBc/Hz@1kHz;-169dBc/Hz@10kHz;-169dBc/Hz@100kHz;-169dBc/Hz@1MHz。下面列表对鉴相器、参考频率、混频本振信号、输出信号相位噪声一一分析。
表1本实用新型各部分相位噪声分析
表2参考信号采用倍频方案各部分相位噪声分析
表3 100MHz参考各部分相位噪声分析
从数据分析可以看出,本实用新型提出的方法可以明显降低锁相环输出信号环路带宽以内的相位噪声,尤其是近端1kHz以内的相位噪声。与传统锁相环比较,相位噪声在100Hz处改善10.5dB,1kHz到100kHz改善14dB。与使用倍频方案的参考信号产生电路对比,相位噪声在100Hz处改善9dB,在1kHz处改善5.5dB。
Claims (10)
1.一种频率合成器,其特征在于:包括参考信号产生电路(A)、主锁相环(B)、本振信号产生电路(C)以及第一功分器(19),所述参考信号产生电路(A)通过所述第一功分器(19)分别连接所述主锁相环(B)和所述本振信号产生电路(C),所述主锁相环(B)与所述本振信号产生电路(C)相连。
2.如权利要求1所述的频率合成器,其特征在于:所述参考信号产生电路(A)包括第一晶体振荡器(01)、第二功分器(02)、第一环路(1A)、第一带通滤波器(05)、第一放大器(06)、第二环路(2A)、第三功分器(11)、第三环路(3A)、第二放大器(17)以及第二带通滤波器(18),所述第一晶体振荡器(01)经第二功分器(02)后有两路输出,一路经所述第一环路(1A)、第一带通滤波器(05)以及第一放大器(06)与所述第三环路(3A)相连,另一路经所述第二环路(2A)和第三功分器(11)与所述第三环路(3A)相连;所述第三环路(3A)经第二放大器(17)和第二带通滤波器(18)与所述第一功分器(19)相连。
3.如权利要求2所述的频率合成器,其特征在于:所述第一环路(1A)包括第一混频器(04)、第一环路滤波器(07)以及第二晶体振荡器(08),所述第一混频器(04)的一路输出经第一环路滤波器(07)与所述第二晶体振荡器(08)相连,所述第二晶体振荡器(08)反馈给所述第一混频器(04);所述第一混频器(04)与所述第二功分器(02)相连;所述第一混频器(04)的另一路输出连接所述第一带通滤波器(05)。
4.如权利要求2所述的频率合成器,其特征在于:所述第二环路(2A)包括第二混频器(03)、第二环路滤波器(09)以及第三晶体振荡器(10),所述第二混频器(03)经所述第二环路滤波器(09)与所述第三晶体振荡器(10)连接,所述第三晶体振荡器(10)反馈给所述第二混频器(03);所述第二混频器(03)与所述第二功分器(02)相连;所述第三晶体振荡器(10)与所述第三功分器(11)相连。
5.如权利要求2所述的频率合成器,其特征在于:所述第三环路(3A)包括第三混频器(12)、第三放大器(13)、第三带通滤波器(14)、第四混频器(16)、第三环路滤波器(32)以及第四晶体振荡器(15),所述第三混频器(12)经所述第三放大器(13)和所述第三带通滤波器(14)与所述第四混频器(16)相连,所述第四混频器(16)经所述第三环路滤波器(32)和所述第四晶体振荡器(15)反馈给所述第三混频器(12);所述第三混频器(12)与所述第三功分器(11)相连;所述第四混频器(16)与所述第二放大器(17)相连。
6.如权利要求1所述的频率合成器,其特征在于:所述主锁相环(B)包括鉴频鉴相器(20)、第四环路滤波器(21)、压控振荡器(22)、第四带通滤波器(31)、第五混频器(26)、第五带通滤波器(25)、第四放大器(24)以及第六带通滤波器(23),所述鉴频鉴相器(20)经所述第四环路滤波器(21)和所述压控振荡器(22)与所述第四带通滤波器(31)相连,所述压控振荡器(22)经所述第五混频器(26)、第五带通滤波器(25)、第四放大器(24)以及第六带通滤波器(23)反馈给所述鉴频鉴相器(20);所述鉴频鉴相器(20)与所述第一功分器(19)相连;所述第五混频器(26)与所述本振信号产生电路(C)相连;所述第四带通滤波器(31)输出信号。
7.如权利要求1所述的频率合成器,其特征在于:所述本振信号产生电路(C)包括倍频器(27)、第七带通滤波器(28)、第五放大器(29)以及第八带通滤波器(30),所述倍频器(27)经所述第七带通滤波器(28)和所述第五放大器(29)与所述第八带通滤波器(30)相连;所述倍频器(27)与所述第一功分器(19)相连;所述第八带通滤波器(30)与主锁相环(B)相连。
8.如权利要求2所述的频率合成器,其特征在于:所述第三功分器(11)选用输出两路有90°相位差的功分器。
9.如权利要求7所述的频率合成器,其特征在于:所述倍频器(27)选用1/f噪声低的倍频器。
10.如权利要求7所述的频率合成器,其特征在于:所述倍频器(27)选用肖特基势垒二极管、晶体三极管或场效应晶体管。
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CN114844619A (zh) * | 2022-05-13 | 2022-08-02 | 南京尤尼泰信息科技有限公司 | 基于卫星导航信号的频率信号产生装置和方法 |
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- 2020-01-19 CN CN202020120260.3U patent/CN210986084U/zh active Active
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
GR01 | Patent grant | ||
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