本發(fā)明涉及射頻頻率合成技術(shù)，具體是一種基于雙環(huán)混頻的低相噪帶寬頻率合成方法及系統(tǒng)。該方法及系統(tǒng)提升寬帶頻率合成的綜合性能水平。

背景技術(shù)：

頻率合成是將具有低相噪，高精度和高穩(wěn)定度的參考基準(zhǔn)源經(jīng)過混頻、倍頻、分頻等信號(hào)處理進(jìn)行數(shù)學(xué)意義上的加、減、乘、除等四則運(yùn)算產(chǎn)生大量具有同樣精確度與穩(wěn)定度的頻率合成信號(hào)。頻率合成器是決定電子系統(tǒng)性能的關(guān)鍵設(shè)備，在通信、雷達(dá)、制導(dǎo)、電子測(cè)量?jī)x器和電子對(duì)抗中發(fā)揮著日益重要作用。低相位噪聲、小頻率步進(jìn)和寬頻段輸出已經(jīng)成為頻率合成發(fā)展的主要趨勢(shì)。

鎖相環(huán)技術(shù)（PLL）是最重要、應(yīng)用最廣泛的頻率合成方式，且發(fā)展非常迅速。典型的鎖相基帶信號(hào)產(chǎn)生單元由數(shù)字鑒相器﹑分頻器加模擬環(huán)路濾波、壓控振蕩器組成混合鎖相環(huán)構(gòu)成，通過對(duì)PLL中的VCO輸出進(jìn)行可編程的數(shù)字分頻后再進(jìn)行鑒相，完成閉環(huán)控制輸出。其優(yōu)點(diǎn)是具有較寬的頻率范圍，良好的寄生抑制性能，而且輸出頻率易于程控，使用方便靈活。但單一鎖相環(huán)在小頻率步進(jìn)和低相位噪聲、低雜散抑制方面還很難完全兼顧，數(shù)字鑒相器還存在鑒相信號(hào)泄露等缺陷，影響輸出信號(hào)頻譜純度，在很多較高要求的應(yīng)用場(chǎng)合還不能滿足要求。

隨著現(xiàn)代電子設(shè)備綜合性能的提升，對(duì)頻率源的關(guān)鍵指標(biāo)要求越來越高，比如要求實(shí)現(xiàn)更寬的頻率帶寬、更低的相位噪聲、更低的雜散水平，且同時(shí)具備較小的頻率步進(jìn)。 但單一鎖相環(huán)在很多較高要求的應(yīng)用場(chǎng)合還不能滿足要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的單一鎖相環(huán)在很多較高要求的應(yīng)用場(chǎng)合還不能滿足要求的技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種基于雙環(huán)混頻的低相噪帶寬頻率合成方法及系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明公開了一種基于雙環(huán)混頻的低相噪帶寬頻率合成方法，其具體包括以下的步驟：步驟一、針對(duì)參考信號(hào)產(chǎn)生兩路同源基準(zhǔn)參考信號(hào)，兩路同源基準(zhǔn)參考信號(hào)分別輸入倍頻梳線信號(hào)產(chǎn)生單元和鎖相基帶信號(hào)產(chǎn)生單元；所述倍頻梳線信號(hào)產(chǎn)生單元接收外部輸入的基準(zhǔn)參考信號(hào)，并應(yīng)用基準(zhǔn)參考信號(hào)產(chǎn)生寬帶、低相噪的梳狀譜信號(hào)；鎖相基帶信號(hào)產(chǎn)生單元接收外部輸入的基準(zhǔn)參考信號(hào)，基準(zhǔn)參考信號(hào)通過鎖相基帶信號(hào)產(chǎn)生單元產(chǎn)生低頻、小步進(jìn)的鎖相基帶信號(hào)；步驟二、將步驟一產(chǎn)生的梳狀譜信號(hào)和鎖相基帶信號(hào)進(jìn)行混頻，然后經(jīng)過分段濾波放大處理后，最終形成寬帶、小步進(jìn)、低相噪的頻率合成信號(hào)輸出。最終完成寬帶、小步進(jìn)、低相噪頻率合成信號(hào)輸出。較傳統(tǒng)單環(huán)鎖相頻率源相位噪聲優(yōu)化15dB以上。

更進(jìn)一步地，上述梳狀譜信號(hào)的產(chǎn)生具體包括以下的步驟：通過倍頻器、梳線發(fā)生器產(chǎn)生高次諧波分量，經(jīng)過分段濾波取出合適的頻率分量。

更進(jìn)一步地，上述鎖相基帶信號(hào)產(chǎn)生單元包括鑒相器、濾波器和振蕩器（比如壓控振蕩器），所述鑒相器、濾波器和壓控振蕩器依序連接形成反饋回路，壓控振蕩器的輸出反饋給鑒相器。

更進(jìn)一步地，上述產(chǎn)生兩路同源基準(zhǔn)參考信號(hào)具體包括以下的步驟：將參考信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、功分處理后，產(chǎn)生兩路同源高純度的基準(zhǔn)參考信號(hào)。

本發(fā)明還公開了一種基于雙環(huán)混頻的低相噪帶寬頻率合成系統(tǒng)，其具體包括參考信號(hào)功分放大單元、倍頻梳線信號(hào)產(chǎn)生單元、鎖相基帶信號(hào)產(chǎn)生單元和混頻開關(guān)濾波單元；所述參考信號(hào)功分放大單元用于針對(duì)參考信號(hào)產(chǎn)生兩路同源基準(zhǔn)參考信號(hào)，兩路同源基準(zhǔn)參考信號(hào)分別輸入倍頻梳線信號(hào)產(chǎn)生單元和鎖相基帶信號(hào)產(chǎn)生單元；所述倍頻梳線信號(hào)產(chǎn)生單元用于接收外部輸入的基準(zhǔn)參考信號(hào)，并應(yīng)用基準(zhǔn)參考信號(hào)產(chǎn)生寬帶、低相噪的梳狀譜信號(hào)；所述鎖相基帶信號(hào)產(chǎn)生單元用于接收外部輸入的基準(zhǔn)參考信號(hào)，基準(zhǔn)參考信號(hào)通過鎖相基帶信號(hào)產(chǎn)生單元產(chǎn)生低頻、小步進(jìn)的鎖相基帶信號(hào)；所述混頻開關(guān)濾波單元用于將梳狀譜信號(hào)和鎖相基帶信號(hào)進(jìn)行混頻，然后經(jīng)過分段濾波放大處理后，最終形成寬帶、小步進(jìn)、低相噪的頻率合成信號(hào)輸出。

通過采用以上的技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明利用了混頻器在頻率合成過程中低頻信號(hào)的信號(hào)純度和相位噪聲不受明顯影響情況下搬移到中高頻的特點(diǎn)，通過產(chǎn)生頻綜基帶信號(hào)和梳譜頻率組合，構(gòu)建鎖相環(huán)+環(huán)外混頻電路，經(jīng)過混頻與濾波處理，實(shí)現(xiàn)寬帶小步進(jìn)頻率信號(hào)產(chǎn)生輸出。有效解決鎖相單環(huán)電路在寬帶頻率信號(hào)合成時(shí)在小頻率步進(jìn)、低相位噪聲和低雜散水平等各項(xiàng)指標(biāo)不易兼顧的問題，全面提升寬帶頻率源的綜合指標(biāo)特性。

本發(fā)明在傳統(tǒng)單鎖相環(huán)電路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上大幅提升頻率合成信號(hào)的相位噪聲性能，同時(shí)兼顧較小的頻率分辨率，同時(shí)保持良好的雜散抑制能力，顯著提升寬帶頻率合成信號(hào)的綜合性能水平，可為變頻通道提供純度好、高質(zhì)量的本振信號(hào)。尤其針對(duì)Ku及以上工作頻段的頻率合成器，效果更加顯著：與工作相同頻段的單環(huán)鎖相頻率源相比，在相同10MHz頻率步進(jìn)情況下，相位噪聲優(yōu)化15dB以上，且雜散抑制能力提高10dB以上，整體改善效果非常明顯。

附圖說明

圖1是倍頻梳線信號(hào)產(chǎn)生單元電路結(jié)構(gòu)。

圖2是鎖相基帶信號(hào)產(chǎn)生單元電路結(jié)構(gòu)。

圖3是混頻開關(guān)濾波單元電路結(jié)構(gòu)。

圖4是基于雙環(huán)混頻的低相噪寬帶頻率合成電路結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟一、基準(zhǔn)參考信號(hào)通過直接多次倍頻后產(chǎn)生高頻寬帶、等間隔、超低相噪的梳狀譜信號(hào)。該部分電路原理如圖1所示。通過發(fā)揮梳狀譜信號(hào)在高頻段的優(yōu)良頻譜特性，保證最終合成信號(hào)具備較低的相位噪聲能力。該步驟可以采用梳狀譜信號(hào)發(fā)生電路完成，梳狀譜信號(hào)發(fā)生電路用于接收外部輸入的基準(zhǔn)參考信號(hào)，并應(yīng)用基準(zhǔn)參考信號(hào)產(chǎn)生包含有高次諧波分量信號(hào)的梳狀譜信號(hào)。

步驟二、基于鎖相基帶信號(hào)產(chǎn)生單元結(jié)構(gòu)產(chǎn)生低頻小步進(jìn)的基帶信號(hào)，該部分電路原理如圖2所示。鎖相基帶電路通過數(shù)字鑒相器、有源濾波器、VCO構(gòu)建單環(huán)鎖相典型結(jié)構(gòu)，通過頻段合理設(shè)計(jì)與分配，產(chǎn)生L波段小步進(jìn)鎖相基帶，保證最終合成信號(hào)的小步進(jìn)頻率分辨力能力?；鶞?zhǔn)參考信號(hào)通過鎖相基帶信號(hào)產(chǎn)生單元產(chǎn)生低頻、小步進(jìn)的鎖相基帶信號(hào)。

步驟三、將上述兩部分信號(hào)進(jìn)行混頻，經(jīng)過分段濾波放大處理后最終形成寬帶頻率合成信號(hào)輸出。電路原理如圖3所示。

在頻率合成技術(shù)領(lǐng)域，寬頻段、低相位噪聲、小頻率步進(jìn)等各項(xiàng)特性相互牽制和制約，采用鎖相單環(huán)或梳狀譜信號(hào)倍頻等單一技術(shù)體制不可能兼顧各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到最優(yōu)；而通過合理設(shè)計(jì)綜合采用上述兩種頻率合成方法，則使得研制各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)異的頻率合成器成為可能。本發(fā)明利用了混頻器在信號(hào)變頻過程中具有較獨(dú)特的特性；比如，兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過混頻器進(jìn)行混頻后，混頻輸出信號(hào)的頻率分布是兩個(gè)輸入信號(hào)各種算術(shù)運(yùn)算組合；輸出信號(hào)的頻率步進(jìn)取決于輸入兩個(gè)信號(hào)頻率步進(jìn)的較小者；相位噪聲取決于輸入兩個(gè)信號(hào)相位噪聲較差者；雜散抑制則取決于混頻器的交調(diào)特性和輸出端濾波的處理。

該步驟中充分利用了混頻技術(shù)在信號(hào)變頻過程的這一獨(dú)特作用，步驟一產(chǎn)生的高頻段、大步進(jìn)、較低相噪的梳狀譜信號(hào)和步驟二產(chǎn)生的低頻段、小步進(jìn)、低相噪的鎖相基帶信號(hào)通過混頻巧妙地進(jìn)行了頻譜搬移，使得最終合成的信號(hào)兼具混頻前兩者的優(yōu)點(diǎn)，即寬帶、高頻段、小步進(jìn)、低相噪、低雜散等各項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)良特性，解決了采用單一鎖相技術(shù)或梳狀譜信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)合成頻率信號(hào)時(shí)在實(shí)現(xiàn)寬帶高頻段、小頻率步進(jìn)和低相位噪聲等指標(biāo)不可兼顧的矛盾。

在混頻過程中，針對(duì)混頻后信號(hào)的濾波處理較為重要，因?yàn)榛祛l過程實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行頻譜搬移的同時(shí)，也產(chǎn)生了較多交調(diào)雜散信號(hào)，濾波效果的好壞決定了輸出信號(hào)的雜散抑制水平和能力。在本發(fā)明中，專門設(shè)置了開關(guān)濾波器組和帶通濾波器兩級(jí)濾波的方式：第一級(jí)是開關(guān)濾波器組，采用了高Q值腔體濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有工作頻率高、帶寬窄、帶外抑制能力高等特點(diǎn)，根據(jù)分段混頻方案進(jìn)行濾波器的分段設(shè)計(jì)，并通過開關(guān)分路和合路，主要濾除輸出頻點(diǎn)相鄰梳狀譜本振泄露和近端混頻交調(diào)信號(hào)；第二級(jí)針對(duì)最終輸出的Ku頻段設(shè)計(jì)帶通濾波器，主要濾除輸出頻點(diǎn)遠(yuǎn)端混頻交調(diào)，彌補(bǔ)開關(guān)濾波器組在遠(yuǎn)端抑制能力的不足，從而提升最終合成信號(hào)在全頻段優(yōu)良的低雜散特性。

本發(fā)明在傳統(tǒng)單鎖相環(huán)電路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上大幅提升頻率合成信號(hào)的相位噪聲性能，同時(shí)兼顧較小的頻率分辨率，同時(shí)保持良好的雜散抑制能力，顯著提升寬帶頻率合成信號(hào)的綜合性能水平，可為變頻通道提供純度好、高質(zhì)量的本振信號(hào)。尤其針對(duì)Ku及以上工作頻段的頻率合成器，效果更加顯著：與工作相同頻段的單環(huán)鎖相頻率源相比，在相同10MHz頻率步進(jìn)情況下，相位噪聲優(yōu)化15dB以上，且雜散抑制能力提高10dB以上，整體改善效果非常明顯。

完整的基于雙環(huán)混頻的低相噪寬帶頻率合成方法電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。主要有參考信號(hào)功分放大單元、倍頻梳線信號(hào)產(chǎn)生單元、鎖相基帶信號(hào)產(chǎn)生單元和混頻開關(guān)濾波單元等幾個(gè)電路單元構(gòu)成，共同組成了基于環(huán)外混頻的雙環(huán)鎖相頻率合成的基本電路結(jié)構(gòu)。

1）參考信號(hào)功分放大單元電路將參考信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、功分處理，產(chǎn)生兩路同源高純度基準(zhǔn)參考信號(hào)。

2）倍頻梳線信號(hào)產(chǎn)生單元以直接倍頻方式，通過倍頻器、梳線發(fā)生器等多級(jí)組合，產(chǎn)生高次諧波分量，經(jīng)過分段濾波取出合適的頻率分量，供后級(jí)混頻使用。參考信號(hào)經(jīng)高次倍頻后可產(chǎn)生高質(zhì)量梳譜信號(hào)，保證了輸出信號(hào)良好的相位噪聲特性。

3）鎖相基帶信號(hào)產(chǎn)生單元通過使用數(shù)字鑒相器、有源環(huán)路濾波器、VCO共同構(gòu)建了鎖相基帶電路，實(shí)現(xiàn)了以參考信號(hào)為基準(zhǔn)，L波段10MHz頻率步進(jìn)的頻綜鎖相基帶信號(hào)產(chǎn)生，頻綜鎖相基帶信號(hào)即鎖相基帶信號(hào)，其特點(diǎn)是頻段低、步進(jìn)小、相噪特性好。

4）混頻開關(guān)濾波單元將上述鎖相基帶、倍頻梳線頻率組合信號(hào)進(jìn)行混頻，設(shè)置分段開關(guān)濾波器，經(jīng)分段濾波、放大后，最終完成寬帶、小步進(jìn)、低相噪頻率合成信號(hào)輸出。

例如，采用本發(fā)明方法研制了以產(chǎn)生Ku頻段10MHz步進(jìn)寬帶本振源，輸出相位噪聲優(yōu)于-90dBc@1KHz；較傳統(tǒng)單環(huán)鎖相頻率源相位噪聲優(yōu)化15dB以上，同時(shí)雜散抑制能力保持在60dBc以上，較傳統(tǒng)單環(huán)鎖相頻率源優(yōu)化10dB以上，本振源整體性能水平顯著提升，較好地滿足了工程應(yīng)用需要。

上述的實(shí)施例中所給出的系數(shù)和參數(shù)，是提供給本領(lǐng)域的技術(shù)人員來實(shí)現(xiàn)或使用發(fā)明的，發(fā)明并不限定僅取前述公開的數(shù)值，在不脫離發(fā)明的思想的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)上述實(shí)施例作出種種修改或調(diào)整，因而發(fā)明的保護(hù)范圍并不被上述實(shí)施例所限，而應(yīng)該是符合權(quán)利要求書提到的創(chuàng)新性特征的最大范圍。