一種低相位噪聲的鎖相環(huán)電路及其實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及頻率合成領(lǐng)域，特別涉及一種低相位噪聲的鎖相環(huán)電路，還涉及一種低相位噪聲的鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]頻率合成器的使用范圍非常廣，如應(yīng)用于雷達(dá)、通信、導(dǎo)航等領(lǐng)域，是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的重要組成部分。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，各類電子系統(tǒng)對(duì)頻率合成器的性能指標(biāo)要求也越來越高，如對(duì)頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、相位噪聲、雜散、頻率分辨率等多種指標(biāo)提出了更高的要求。
[0003]其中，相位噪聲是決定頻率合成器性能的一個(gè)關(guān)鍵因素，低相位噪聲性能能夠改良雷達(dá)的改善因子，提高雷達(dá)強(qiáng)背景環(huán)境下檢測(cè)信號(hào)的能力；能夠改善電子系統(tǒng)的信噪比，增加信道之間的隔離度，降低臨近信道之間的相互干擾。
[0004]目前主要的頻率合成技術(shù)有:直接頻率合成技術(shù)、鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)和直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)。
[0005]直接頻率合成技術(shù)一般由一個(gè)或者幾個(gè)高穩(wěn)定、高純度的晶體參考源，通過倍頻、分頻和混頻技術(shù)進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算，產(chǎn)生各種頻率，再通過電子開關(guān)對(duì)所需要的頻率進(jìn)行選擇輸出。
[0006]鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)主要由壓控振蕩器、鑒相器、可變分頻器和環(huán)路濾波器組成。壓控振蕩器的輸出信號(hào)經(jīng)可變分頻器后在鑒相器內(nèi)與參考信號(hào)比相。當(dāng)壓控振蕩器發(fā)生頻率漂移時(shí)，鑒相器輸出的控制電壓也隨之變化，從而使壓控振蕩器頻率始終鎖定在N倍的參考頻率上。
[0007]直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)是一種將先進(jìn)的數(shù)字處理理論與方法引入信號(hào)合成領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)，其主要由五部分組成:參考時(shí)鐘、相位累加器、正弦查找表、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器。直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)的基本工作原理是根據(jù)正弦函數(shù)的產(chǎn)生，從相位角度出發(fā)，用不同的相位給出不同的電壓幅度，經(jīng)過低通濾波器平滑處理就可以得到所需波形。
[0008]在現(xiàn)有的窄帶鎖相環(huán)電路中，常用的鎖相環(huán)方案大多采用集成鎖相環(huán)芯片和專用VCO來組建，其具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗小等特點(diǎn)，但是由于采用單環(huán)鎖相方式，相位噪聲無法達(dá)到較好的效果。
[0009]直接頻率合成技術(shù)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本高、研制調(diào)試?yán)щy，難以抑制非線性效應(yīng)而引入的雜波干擾，具有非常高的雜散信號(hào)。
[0010]鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)采用輸出信號(hào)分頻之后的信號(hào)作為反饋信號(hào)，并與參考信號(hào)進(jìn)行混頻，混頻之后的信號(hào)作為鑒相器的輸入信號(hào)，信號(hào)的相位噪聲指標(biāo)較差。
[0011]直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)受限于器件可用的最高時(shí)鐘頻率，輸出頻率上限不高無法產(chǎn)生射頻波段的輸出信號(hào)頻率，此技術(shù)中必不可少的DAC器件的使用使得它的輸出信號(hào)中產(chǎn)生了比較多的雜散信號(hào)，影響信號(hào)質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種低相位噪聲的鎖相環(huán)電路及其實(shí)現(xiàn)方法，采用直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)和鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)相混合的方案，3.25GHz射頻波段的相位噪聲能達(dá)到-130dBc/HZ@10kHZ，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。
[0013]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0014]—種低相位噪聲的鎖相環(huán)電路，包括:控制單元、電源模塊、參考信號(hào)、第一功分器、第一帶通濾波器、第一混頻器、低通濾波器、微波放大器、鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、第二功分器、第二帶通濾波器、第一射頻放大器、第三功分器、第三帶通濾波器、第二混頻器、第四帶通濾波器、直接數(shù)字式頻率合成電路、射頻變壓器、第五帶通濾波器、第二射頻放大器、第六帶通濾波器、第三射頻放大器；
[0015]控制單元根據(jù)壓控振蕩器的輸出頻率計(jì)算出直接數(shù)字式頻率合成電路和鑒相器的分頻比，并控制直接數(shù)字式頻率合成電路和鑒相器各自的輸出信號(hào)以調(diào)控壓控振蕩器的輸出頻率；
[0016]電源模塊為鎖相環(huán)電路的各個(gè)部件提供直流電壓；
[0017]第一功分器將參考信號(hào)分成2路；
[0018]第一帶通濾波器用于抑制參考信號(hào)的雜散和噪聲；
[0019]第一混頻器對(duì)輸入信號(hào)下變頻，將參考信號(hào)的二次諧波與壓控振蕩器反饋信號(hào)進(jìn)行差頻，產(chǎn)生的差頻信號(hào)作為鑒相器的一路參考輸入信號(hào)；
[0020]低通濾波器用來濾除第一混頻器混頻之后多余的高頻信號(hào)分量；
[0021]微波放大器對(duì)第一混頻器混頻之后的信號(hào)進(jìn)行功率放大；
[0022]環(huán)路濾波器對(duì)鑒相器的輸出電壓進(jìn)行濾除；
[0023]壓控振蕩器輸出頻率為鎖相環(huán)最終的輸出頻率；
[0024]第二功分器將壓控振蕩器的輸出分成兩路，一路作為第一混頻器的反饋輸入信號(hào)，另一路作為壓控振蕩器的輸出信號(hào)；
[0025]第二帶通濾波器濾除壓控振蕩器輸出信號(hào)中的雜散分量；
[0026]第一射頻放大器放大壓控振蕩器輸出信號(hào)的功率，以使第一混頻器輸出正確的鑒相頻率；
[0027]第三功分器將參考信號(hào)分成2路；
[0028]第三帶通濾波器對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行濾波和噪聲抑制；
[0029]第二混頻器將參考信號(hào)和直接數(shù)字式頻率合成電路輸出的信號(hào)進(jìn)行上變頻操作，產(chǎn)生的信號(hào)作為鑒相器的參考輸入信號(hào)；
[0030]第四帶通濾波器濾除參考信號(hào)中的雜散分量并抑制噪聲信號(hào)；
[0031]直接數(shù)字式頻率合成電路的輸出信號(hào)作為第二混頻器的輸入信號(hào)；
[0032]射頻變壓器除了用于阻抗匹配，還對(duì)其輸入信號(hào)進(jìn)行功率放大并抑制近端雜散；
[0033]第五帶通濾波器濾除直接數(shù)字式頻率合成電路輸出信號(hào)中的雜散分量；
[0034]第二射頻放大器放大直接數(shù)字式頻率合成電路輸出信號(hào)的功率；
[0035]第六帶通濾波器濾除上變頻信號(hào)之外的高頻和低頻信號(hào)；
[0036]第三射頻放大器對(duì)第二混頻器混頻輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大。
[0037]可選地，所述鎖相環(huán)電路由2塊PCB板組成；控制單元和電源模塊在一塊PCB板上，剩余部件組成鎖相環(huán)路在另一塊PCB板上，兩塊PCB板通過穿心電容相連接。
[0038]可選地，所述鎖相環(huán)路的PCB板通過開槽口與腔體連接。
[0039]可選地，在所述鎖相環(huán)路PCB板的屏蔽蓋板上增加吸波材料。
[0040]可選地，信號(hào)的輸出端口通過SMA電纜連接器相連，并增加導(dǎo)電膠。
[0041]本發(fā)明還提出了一種低相位噪聲的鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方法，
[0042]首先接通電源，根據(jù)設(shè)置的頻率值計(jì)算出需要的直接數(shù)字式頻率合成電路的分頻比和鑒相器中的計(jì)數(shù)器值，并將控制信號(hào)傳送到直接數(shù)字式頻率合成電路和鑒相器，完成控制程序的初始配置；
[0043]參考信號(hào)的二次諧波與壓控振蕩器的輸出信號(hào)在第一混頻器中進(jìn)行下變頻操作，產(chǎn)生的信號(hào)作為鑒相器的反饋參考信號(hào)；
[0044]鑒相器的另一路輸入信號(hào)由直接數(shù)字式頻率合成電路的輸出信號(hào)和參考信號(hào)上變頻得到；
[0045]通過帶通濾波器和低通濾波器對(duì)信號(hào)中多余的雜散信號(hào)進(jìn)行濾除并且對(duì)噪聲進(jìn)行抑制，提高信號(hào)頻譜的純度，降低環(huán)路噪聲；
[0046]通過射頻放大器和微波放大器，保證各個(gè)信號(hào)的功率達(dá)到混頻器和鑒相器的要求。
[0047]可選地，控制單元根據(jù)壓控振蕩器的輸出頻率計(jì)算出直接數(shù)字式頻率合成電路和鑒相器相應(yīng)的分頻比，并控制直接數(shù)字式頻率合成電路和鑒相器各自的輸出信號(hào)以調(diào)控壓控振蕩器的輸出頻率；
[0048]電源模塊為鎖相環(huán)電路各個(gè)部件提供直流電壓；
[0049]第一功分器將參考信號(hào)分成2路；
[0050]第一帶通濾波器用于抑制參考信號(hào)的雜散和噪聲；
[0051]第一混頻器對(duì)輸入信號(hào)下變頻，將參考信號(hào)的二次諧波與壓控振蕩器反饋信號(hào)進(jìn)行差頻，產(chǎn)生的差頻信號(hào)作為鑒相器的一路參考輸入信號(hào)；
[0052]低通濾波器濾除第一混頻器混頻之后多余的高頻信號(hào)分量；
[0053]微波放大器對(duì)第一混頻器混頻之后的信號(hào)進(jìn)行功率放大；
[0054]環(huán)路濾波器對(duì)鑒相器的輸出電壓進(jìn)行濾除；
[0055]壓控振蕩器輸出頻率為鎖相環(huán)最終的輸出頻率；
[0056]第二功分器將壓控振蕩器的輸出分成兩路，一路作為第一混頻器的反饋輸入信號(hào)，另一路作為壓控振蕩器的輸出信號(hào)；
[0057]第二帶通濾波器濾除壓控振蕩器輸出信號(hào)中的雜散分量；
[0058]第一射頻放大器放大壓控振蕩器輸出信號(hào)的功率，以使第一混頻器輸出正確的鑒相頻率；
[0059]第三功分器將參考信號(hào)分成2路；
[0060]第三帶通濾波器對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行濾波和噪聲抑制；