一种宽带低相噪频率合成电路及方法与流程

本发明涉及频率合成，尤其涉及一种宽带低相噪频率合成电路及方法。

背景技术：

1、锁相环又叫间接频率合成技术，被广泛应用于射频微波电路与系统中，其典型原理图如图1所示，其中的n分频器可以集成或不集成在鉴相器内。

2、为获取更为获取更好的相位噪声指标，通常在图1所示的锁相环基础上增加混频器电路，形成环内混频锁相环电路，其典型的原理框图如图2所示。

3、环内混频锁相环优化相位噪声的原理是：内插一低相位噪声的信号，与压控振荡器输出信号进行混频，即下变频得到反馈信号，反馈信号与参考信号进行鉴相。其好处在于内插混频器降低了n分频器的n值(或者代替n分频器)，减少了环路倍频次数，进而优化了相位噪声。优化相位噪声的前提是：内插信号相位噪声优于输出信号的相位噪声。

4、现有的环内混频锁相环电路方案通常采用梳线谱发生器加开关滤波的方式产生内插信号，但此种方式使用的器件较多不易集成，方案复杂不易于小型化、低成本设计，缺乏频点配置的灵活性。另一种方式是采用锁相环产生内插信号，实现环内混频电路，多用于扩展频率合成的细步进功能，如《电子测量原理》(电子科技大学出版社，2002年)中所述，对相位噪声优化效果不明显。

技术实现思路

1、针对现有环内混频的技术的缺点，同时兼顾宽带、低相噪、低成本、小型化的频率源应用要求，本发明提出一种宽带低相噪频率合成电路及方法，创新地使用高鉴相频率锁相环做为辅环，产生可灵活配置的低相噪内插信号；结合环内混频技术，降低主锁相环环路n值，优化相位噪声；在获得具有优异相位噪声的宽带10～20ghz基带信号基础上，采用可变分频器对主锁相环产生的基带信号进行1/2/4/8/16/32/64可变分频，最终实现输出频率覆盖0.2～20ghz，全频段相位噪声优于-105dbc/hz@1khz的频率合成电路。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种宽带低相噪频率合成电路，包括参考倍频单元、主锁相环、辅锁相环、扩频单元以及控制单元，其中：

4、所述参考倍频单元被配置为将外部参考信号进行低附加相位噪声地放大并分为两路，其中一路作为第一参考信号fref输出至所述主锁相环，另一路经倍频和滤波后作为第二参考信号mfref输出至所述辅锁相环；

5、所述主锁相环被配置为通过第一压控振荡器产生第一输出信号fvco1并分为两路，其中一路输出至所述扩频单元；另一路作为本振信号flo与所述辅锁相环输出的射频信号frf进行混频得到中频信号fif，再经低通滤波后与第一参考信号fref进行实时鉴相，鉴相后输出的误差信息经环路滤波后控制第一压控振荡器使第一输出信号fvco1锁定至第一目标频率；

6、所述辅锁相环被配置为通过第二压控振荡器产生第二输出信号fvco2并分为两路，其中一路作为射频信号frf输出至所述主锁相环；另一路经预分频后与第二参考信号mfref进行实时鉴相，鉴相后输出的误差信息经过环路滤波后控制第二压控振荡器使射频信号frf锁定至第二目标频率；

7、所述控制单元被配置为接收外部指令，输出鉴相控制信号至所述主锁相环和辅锁相环进行鉴相控制，并输出分频控制信号至所述辅锁相环和扩频单元进行分频控制；

8、所述扩频单元被配置为对主锁相环产生的第一输出信号fvco1进行可变分频，扩大输出频率覆盖范围，得到目标输出信号fout。

9、进一步地，所述参考倍频单元包括依次连接的放大器、第一功分器、m倍频电路和第一滤波电路，所述放大器将外部参考信号进行低附加相位噪声地放大；所述第一功分器级联放大器，将放大后的外部参考信号分为两路，一路输出至主锁相环，作为第一参考信号fref；另一路输出至m倍频电路，将外部参考信号进行倍频；m倍频电路接第一滤波电路，第一滤波电路对倍频后的信号滤除无用的多次谐波，输出至辅锁相环，作为第二参考信号mfref。

10、进一步地，所述主锁相环包括首尾连接的第一鉴相器、第一环路滤波器、第一压控振荡器、第二功分器、混频器和低通滤波器，所述第一压控振荡器产生的第一输出信号fvco1经过第二功分器分为两路，一路输出至扩频单元；另一路作为本振信号frf输出至混频器，并与所述辅锁相环输出的射频信号frf进行混频得到中频信号fif；所述混频器输出的中频信号fif经过低通滤波器后在第一鉴相器中与第一参考信号fref实时比对；所述第一鉴相器输出的误差信息经过第一环路滤波器后控制第一压控振荡器使第一输出信号fvco1锁定至第一目标频率。

11、进一步地，所述辅锁相环包括首尾连接的第二鉴相器、第二环路滤波器、第二压控振荡器、第三功分器、第二可变n分频器，所述第二压控振荡器产生的第二输出信号fvco2经过第三功分器分为两路，一路作为射频信号frf输出至所述主锁相环的混频器射频端口；另一路输出至第二可变n分频器进行预分频，第二可变n分频器输出端接第二鉴相器；所述第二鉴相器对经预分频后的信号与第二参考信号mfref进行实时鉴相，鉴相后输出的误差信息经过第二环路滤波器后控制第二压控振荡器使射频信号frf锁定至第二目标频率。

12、进一步地，所述目标输出信号fout的计算方法包括：

13、

14、其中，r1为第一鉴相器的参考分频比，n1为第一鉴相器的反馈信号分频比，r2为第二鉴相器的参考分频比，n2为第二可变n分频器的分频比，n为第一可变n分频器的分频比。

15、进一步地，所述中频信号fif的频率为本振信号flo与射频信号frf的频率之差，其中射频信号frf的相位噪声优于第一鉴相器反馈信号的相位噪声；射频信号frf为a个点频，本振信号flo分为a段窄带信号，与射频信号frf的a个点频一一对应。

16、进一步地，所述第一鉴相器和第二鉴相器采用整数鉴相提高相位噪声。

17、进一步地，所述第二鉴相器的鉴相频率覆盖第二参考信号mfref的频率。

18、进一步地，所述低通滤波器的频带覆盖中频信号fif的最大值，即使是电路未锁定状态。

19、一种宽带低相噪频率合成方法，包括以下步骤：

20、步骤s1：所述宽带低相噪频率合成电路加电，初始化配置并输出初始频点；

21、步骤s2：所述控制单元接收外部指令输出第一目标频率和第二目标频率；

22、步骤s3：所述控制单元根据第一目标频率计算得到主锁相环的第一压控振荡器输出频率，并下发分频控制信号控制第一可变n分频器的分频比；

23、步骤s4：所述控制单元根据第二目标频率计算得到辅锁相环的第二压控振荡器输出频率，并下发分频控制信号控制第二可变n分频器的分频比；

24、步骤s5：所述控制单元根据目标输出信号fout的频率计算得到中频信号fif的频率，并下发鉴相控制信号控制第一鉴相器为相应工作状态，环路锁定后第一压控振荡器输出频率为第一目标频率的第一输出信号fvco1，所述宽带低相噪频率合成电路产生目标输出信号fout；

25、步骤s6：读取所述宽带低相噪频率合成电路的锁定状态并上报；

26、步骤s7：循环步骤s1至步骤s6，从而实现所述宽带低相噪频率合成电路的输出信号频率切换。

27、本发明的有益效果在于：

28、1、普通锁相环内插的环内混频电路对相噪优化效果有限，本发明引入m倍频电路，辅锁相环采用高频率整数鉴相，进一步优化相位噪声。

29、2、相比于梳线谱加开关滤波内插式的环内混频，本发明具有方案简单、成本低、易于小型化集成等优点。

30、3、本发明通过超低相噪基带信号结合扩频单元实现超宽带低相噪频率合成信号输出。

31、4、本发明采用控制单元结合软件算法优化，对主辅环分频比进行灵活配置，相位噪声指标最优化同时避免环路失锁、错锁等问题。