一种基于双环混频的低相噪带宽频率合成方法及系统与流程

本发明涉及射频频率合成技术，具体是一种基于双环混频的低相噪带宽频率合成方法及系统。该方法及系统提升宽带频率合成的综合性能水平。

背景技术：

频率合成是将具有低相噪，高精度和高稳定度的参考基准源经过混频、倍频、分频等信号处理进行数学意义上的加、减、乘、除等四则运算产生大量具有同样精确度与稳定度的频率合成信号。频率合成器是决定电子系统性能的关键设备，在通信、雷达、制导、电子测量仪器和电子对抗中发挥着日益重要作用。低相位噪声、小频率步进和宽频段输出已经成为频率合成发展的主要趋势。

锁相环技术（PLL）是最重要、应用最广泛的频率合成方式，且发展非常迅速。典型的锁相基带信号产生单元由数字鉴相器﹑分频器加模拟环路滤波、压控振荡器组成混合锁相环构成，通过对PLL中的VCO输出进行可编程的数字分频后再进行鉴相，完成闭环控制输出。其优点是具有较宽的频率范围，良好的寄生抑制性能，而且输出频率易于程控，使用方便灵活。但单一锁相环在小频率步进和低相位噪声、低杂散抑制方面还很难完全兼顾，数字鉴相器还存在鉴相信号泄露等缺陷，影响输出信号频谱纯度，在很多较高要求的应用场合还不能满足要求。

随着现代电子设备综合性能的提升，对频率源的关键指标要求越来越高，比如要求实现更宽的频率带宽、更低的相位噪声、更低的杂散水平，且同时具备较小的频率步进。 但单一锁相环在很多较高要求的应用场合还不能满足要求。

技术实现要素：

针对现有技术中的单一锁相环在很多较高要求的应用场合还不能满足要求的技术问题，本发明公开了一种基于双环混频的低相噪带宽频率合成方法及系统。

本发明的技术方案如下：

本发明公开了一种基于双环混频的低相噪带宽频率合成方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、针对参考信号产生两路同源基准参考信号，两路同源基准参考信号分别输入倍频梳线信号产生单元和锁相基带信号产生单元；所述倍频梳线信号产生单元接收外部输入的基准参考信号，并应用基准参考信号产生宽带、低相噪的梳状谱信号；锁相基带信号产生单元接收外部输入的基准参考信号，基准参考信号通过锁相基带信号产生单元产生低频、小步进的锁相基带信号；步骤二、将步骤一产生的梳状谱信号和锁相基带信号进行混频，然后经过分段滤波放大处理后，最终形成宽带、小步进、低相噪的频率合成信号输出。最终完成宽带、小步进、低相噪频率合成信号输出。较传统单环锁相频率源相位噪声优化15dB以上。

更进一步地，上述梳状谱信号的产生具体包括以下的步骤：通过倍频器、梳线发生器产生高次谐波分量，经过分段滤波取出合适的频率分量。

更进一步地，上述锁相基带信号产生单元包括鉴相器、滤波器和振荡器（比如压控振荡器），所述鉴相器、滤波器和压控振荡器依序连接形成反馈回路，压控振荡器的输出反馈给鉴相器。

更进一步地，上述产生两路同源基准参考信号具体包括以下的步骤：将参考信号进行滤波、放大、功分处理后，产生两路同源高纯度的基准参考信号。

本发明还公开了一种基于双环混频的低相噪带宽频率合成系统，其具体包括参考信号功分放大单元、倍频梳线信号产生单元、锁相基带信号产生单元和混频开关滤波单元；所述参考信号功分放大单元用于针对参考信号产生两路同源基准参考信号，两路同源基准参考信号分别输入倍频梳线信号产生单元和锁相基带信号产生单元；所述倍频梳线信号产生单元用于接收外部输入的基准参考信号，并应用基准参考信号产生宽带、低相噪的梳状谱信号；所述锁相基带信号产生单元用于接收外部输入的基准参考信号，基准参考信号通过锁相基带信号产生单元产生低频、小步进的锁相基带信号；所述混频开关滤波单元用于将梳状谱信号和锁相基带信号进行混频，然后经过分段滤波放大处理后，最终形成宽带、小步进、低相噪的频率合成信号输出。

通过采用以上的技术方案，本发明的有益效果为：本发明利用了混频器在频率合成过程中低频信号的信号纯度和相位噪声不受明显影响情况下搬移到中高频的特点，通过产生频综基带信号和梳谱频率组合，构建锁相环+环外混频电路，经过混频与滤波处理，实现宽带小步进频率信号产生输出。有效解决锁相单环电路在宽带频率信号合成时在小频率步进、低相位噪声和低杂散水平等各项指标不易兼顾的问题，全面提升宽带频率源的综合指标特性。

本发明在传统单锁相环电路结构基础上大幅提升频率合成信号的相位噪声性能，同时兼顾较小的频率分辨率，同时保持良好的杂散抑制能力，显著提升宽带频率合成信号的综合性能水平，可为变频通道提供纯度好、高质量的本振信号。尤其针对Ku及以上工作频段的频率合成器，效果更加显著：与工作相同频段的单环锁相频率源相比，在相同10MHz频率步进情况下，相位噪声优化15dB以上，且杂散抑制能力提高10dB以上，整体改善效果非常明显。

附图说明

图1是倍频梳线信号产生单元电路结构。

图2是锁相基带信号产生单元电路结构。

图3是混频开关滤波单元电路结构。

图4是基于双环混频的低相噪宽带频率合成电路结构。

具体实施方式

下面结合说明书附图，详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的实现步骤如下：

步骤一、基准参考信号通过直接多次倍频后产生高频宽带、等间隔、超低相噪的梳状谱信号。该部分电路原理如图1所示。通过发挥梳状谱信号在高频段的优良频谱特性，保证最终合成信号具备较低的相位噪声能力。该步骤可以采用梳状谱信号发生电路完成，梳状谱信号发生电路用于接收外部输入的基准参考信号，并应用基准参考信号产生包含有高次谐波分量信号的梳状谱信号。

步骤二、基于锁相基带信号产生单元结构产生低频小步进的基带信号，该部分电路原理如图2所示。锁相基带电路通过数字鉴相器、有源滤波器、VCO构建单环锁相典型结构，通过频段合理设计与分配，产生L波段小步进锁相基带，保证最终合成信号的小步进频率分辨力能力。基准参考信号通过锁相基带信号产生单元产生低频、小步进的锁相基带信号。

步骤三、将上述两部分信号进行混频，经过分段滤波放大处理后最终形成宽带频率合成信号输出。电路原理如图3所示。

在频率合成技术领域，宽频段、低相位噪声、小频率步进等各项特性相互牵制和制约，采用锁相单环或梳状谱信号倍频等单一技术体制不可能兼顾各项指标均达到最优；而通过合理设计综合采用上述两种频率合成方法，则使得研制各项指标优异的频率合成器成为可能。本发明利用了混频器在信号变频过程中具有较独特的特性；比如，两个信号经过混频器进行混频后，混频输出信号的频率分布是两个输入信号各种算术运算组合；输出信号的频率步进取决于输入两个信号频率步进的较小者；相位噪声取决于输入两个信号相位噪声较差者；杂散抑制则取决于混频器的交调特性和输出端滤波的处理。

该步骤中充分利用了混频技术在信号变频过程的这一独特作用，步骤一产生的高频段、大步进、较低相噪的梳状谱信号和步骤二产生的低频段、小步进、低相噪的锁相基带信号通过混频巧妙地进行了频谱搬移，使得最终合成的信号兼具混频前两者的优点，即宽带、高频段、小步进、低相噪、低杂散等各项指标的优良特性，解决了采用单一锁相技术或梳状谱信号产生技术合成频率信号时在实现宽带高频段、小频率步进和低相位噪声等指标不可兼顾的矛盾。

在混频过程中，针对混频后信号的滤波处理较为重要，因为混频过程实现了对输入信号进行频谱搬移的同时，也产生了较多交调杂散信号，滤波效果的好坏决定了输出信号的杂散抑制水平和能力。在本发明中，专门设置了开关滤波器组和带通滤波器两级滤波的方式：第一级是开关滤波器组，采用了高Q值腔体滤波器进行设计，具有工作频率高、带宽窄、带外抑制能力高等特点，根据分段混频方案进行滤波器的分段设计，并通过开关分路和合路，主要滤除输出频点相邻梳状谱本振泄露和近端混频交调信号；第二级针对最终输出的Ku频段设计带通滤波器，主要滤除输出频点远端混频交调，弥补开关滤波器组在远端抑制能力的不足，从而提升最终合成信号在全频段优良的低杂散特性。

本发明在传统单锁相环电路结构基础上大幅提升频率合成信号的相位噪声性能，同时兼顾较小的频率分辨率，同时保持良好的杂散抑制能力，显著提升宽带频率合成信号的综合性能水平，可为变频通道提供纯度好、高质量的本振信号。尤其针对Ku及以上工作频段的频率合成器，效果更加显著：与工作相同频段的单环锁相频率源相比，在相同10MHz频率步进情况下，相位噪声优化15dB以上，且杂散抑制能力提高10dB以上，整体改善效果非常明显。

完整的基于双环混频的低相噪宽带频率合成方法电路结构如图4所示。主要有参考信号功分放大单元、倍频梳线信号产生单元、锁相基带信号产生单元和混频开关滤波单元等几个电路单元构成，共同组成了基于环外混频的双环锁相频率合成的基本电路结构。

1）参考信号功分放大单元电路将参考信号进行滤波、放大、功分处理，产生两路同源高纯度基准参考信号。

2）倍频梳线信号产生单元以直接倍频方式，通过倍频器、梳线发生器等多级组合，产生高次谐波分量，经过分段滤波取出合适的频率分量，供后级混频使用。参考信号经高次倍频后可产生高质量梳谱信号，保证了输出信号良好的相位噪声特性。

3）锁相基带信号产生单元通过使用数字鉴相器、有源环路滤波器、VCO共同构建了锁相基带电路，实现了以参考信号为基准，L波段10MHz频率步进的频综锁相基带信号产生，频综锁相基带信号即锁相基带信号，其特点是频段低、步进小、相噪特性好。

4）混频开关滤波单元将上述锁相基带、倍频梳线频率组合信号进行混频，设置分段开关滤波器，经分段滤波、放大后，最终完成宽带、小步进、低相噪频率合成信号输出。

例如，采用本发明方法研制了以产生Ku频段10MHz步进宽带本振源，输出相位噪声优于-90dBc@1KHz；较传统单环锁相频率源相位噪声优化15dB以上，同时杂散抑制能力保持在60dBc以上，较传统单环锁相频率源优化10dB以上，本振源整体性能水平显著提升，较好地满足了工程应用需要。

上述的实施例中所给出的系数和参数，是提供给本领域的技术人员来实现或使用发明的，发明并不限定仅取前述公开的数值，在不脱离发明的思想的情况下，本领域的技术人员可以对上述实施例作出种种修改或调整，因而发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。