專利名稱：成本有效的低噪聲單環(huán)路合成器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用于電子裝置的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)，并且 更具體地，涉及用于測(cè)試微波和RF電路的低噪聲、高頻率周期信號(hào)的 合成。
背景技術(shù)：
對(duì)用于諸如蜂窩電話、尋呼機(jī)和無線個(gè)人數(shù)字助理(PDA)的消
費(fèi)類產(chǎn)品的高頻電子設(shè)備的改進(jìn)使得需要改進(jìn)電子測(cè)試。同時(shí)，向產(chǎn) 品制造商施加了降低測(cè)試成本的壓力。
高頻電子設(shè)備測(cè)試中的一個(gè)重要組件是微波合成器。如所公知的， "合成器"是生成具有可變頻率的測(cè)試信號(hào)的電子儀器。測(cè)試信號(hào)通 常是具有低噪聲的單頻"音調(diào)"?，F(xiàn)代的合成器包括可編程電子裝置，
所述可編程電子裝置在寬的頻率范圍上向合成器提供高的頻率分辨率。"微波合成器"是在微波頻帶，即1吉赫茲(109)或更高的鄰近 范圍中產(chǎn)生輸出信號(hào)的合成器。
用于高頻設(shè)備的常見類型的測(cè)試包括測(cè)量該設(shè)備產(chǎn)生的電子噪 聲。為了執(zhí)行該類型的測(cè)試，將被測(cè)試的設(shè)備，或者"DUT"連接到 測(cè)試系統(tǒng)，或者"測(cè)試儀"。該測(cè)試儀通常包括電源、微波合成器和
采樣儀器。在測(cè)試程序的控制下，測(cè)試儀激活電源以向DUT供電，使 合成器能夠?qū)⑤斎胄盘?hào)施加到DUT，并且使采樣儀器能夠測(cè)量來自 DUT的輸出信號(hào)。然后測(cè)量輸出信號(hào)上的噪聲，并且將測(cè)量的噪聲與 測(cè)試限度相比較以確定DUT的噪聲性能是否在測(cè)試限度內(nèi)。
對(duì)于許多高頻設(shè)備，來自DUT的輸出信號(hào)通常是施加到DUT的 輸入信號(hào)的函數(shù)。例如，如果輸入信號(hào)具有頻率FIN，則輸出通常也具 有頻率FIN，或者具有頻率FIN的倍數(shù)。準(zhǔn)確的輸入-輸出關(guān)系取決于 正在測(cè)試的設(shè)備的類型，但是輸入和輸出之間的某種數(shù)值關(guān)系幾乎總 是存在。事實(shí)上，由合成器產(chǎn)生的任何噪聲可以出現(xiàn)在輸出信號(hào)中。 由于不清楚正在測(cè)量的噪聲是由DUT產(chǎn)生的還是由合成器注入的，因 此該噪聲引起了 DUT的任何噪聲測(cè)量中的不確定性。
因此，合成器的噪聲是最重要的指標(biāo)。通過減少該噪聲，相應(yīng)地 減少測(cè)量的不確定性，并且提高測(cè)試質(zhì)量。
由于許多電子設(shè)備采用某種相位調(diào)制方案，因此特別關(guān)鍵的是， 合成器產(chǎn)生低相位噪聲。如所公知的，"相位噪聲"指的是由設(shè)備產(chǎn) 生的信號(hào)相位的變化。相位噪聲可以替代地被視為定時(shí)抖動(dòng)。
測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)人員己尋求開發(fā)具有低相位噪聲的微波合成器。他 們常常致力于開發(fā)由協(xié)調(diào)操作的多個(gè)可調(diào)節(jié)的鎖相環(huán)電路組成的合成器。圖1示出了常規(guī)多環(huán)路合成器100的示例。合成器100示出了具有三個(gè)環(huán)路的合成器；然而，應(yīng)當(dāng)理解，按照目標(biāo)應(yīng)用的需要，多環(huán)路設(shè)計(jì)可以包括更多或更少數(shù)目的環(huán)路。
在圖1的多環(huán)路合成器100中，主鎖相環(huán)102接收基帶輸入信號(hào)(^"^^^// )并且產(chǎn)生微波輸出信號(hào)(i FOLT)。主鎖相環(huán)102在
它的前向路徑中包括相位比較器110、環(huán)路濾波器/放大器112和VCO(壓控振蕩器)114，并且在它的反饋路徑中包括一連串混頻器116/120
和濾波器/放大器118/122。
提供附加的鎖相環(huán)104和106以生成附加的高頻信號(hào)。鎖相環(huán)104和106均包括相位比較器134/154、環(huán)路濾波器/放大器136/156、 VCO138/158和反饋分頻器140/160。提供輸入分頻器132/152以分別對(duì)來自時(shí)鐘源130的輸入信號(hào)進(jìn)行分頻。
鎖相環(huán)104和106的輸出耦合到主環(huán)路102中的混頻器116和120?；祛l器116和120連續(xù)地對(duì)RFOUT進(jìn)行下變頻，以產(chǎn)生更低頻率的反饋信號(hào)。相位檢測(cè)器110將相對(duì)低頻率的反饋信號(hào)與5fl^6^"/"相比較，并且環(huán)路102的操作往往迫使反饋信號(hào)達(dá)到等于^we6a"d/"的頻率。
為了對(duì)需要的輸出頻率i FOt/r編程，進(jìn)行粗調(diào)和細(xì)調(diào)。調(diào)節(jié)環(huán)路
104和106的分頻器132、 152、 140和160以建立粗略輸出頻率。例如，通過對(duì)直接數(shù)字合成設(shè)備(DDS)編程來調(diào)節(jié)5^""^//"以在分頻器進(jìn)行的粗頻率設(shè)定之間調(diào)諧。
多環(huán)路合成器100的許多設(shè)計(jì)特征促成了低相位噪聲。例如，時(shí)鐘源130通常是低噪聲的固定頻率參考，諸如晶體振蕩器。濾波器/放大器136和156通常具有長(zhǎng)的時(shí)間常數(shù)，用于減少注入到主環(huán)路102的混頻器116和120中的噪聲。主環(huán)路102通常不進(jìn)行分頻，這往往減少了噪聲放大。
然而，多環(huán)路設(shè)計(jì)100的明顯的益處是以成本為代價(jià)的。電路的元件計(jì)數(shù)是高的，并且需要許多濾波器。這些濾波器是昂貴的并且占用大量的空間。另外，由于多環(huán)路合成器100包括交互的多個(gè)反饋電
路，因此有時(shí)難于預(yù)測(cè)合成器100的建立時(shí)間。
所需要的是一種具有低相位噪聲，具有可預(yù)測(cè)的建立特性，并且構(gòu)建成本可以低于多環(huán)路設(shè)計(jì)的微波合成器。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例， 一種微波合成器，包括參考振蕩器，用于生成參考頻率；DDS調(diào)制電路，用于生成調(diào)制的DDS信號(hào)；以及
耦合到參考振蕩器和DDS調(diào)制電路的鎖相環(huán)電路，用于生成可變頻率
輸出信號(hào)。該鎖相環(huán)電路包括相位比較電路，該相位比較電路具有耦合到參考振蕩器的第一輸入、用于接收反饋信號(hào)的第二輸入、和輸出。該鎖相環(huán)電路進(jìn)一步包括可控振蕩器，該可控振蕩器具有耦合到相位比較電路的輸出的控制輸入和用于生成可變頻率輸出信號(hào)的輸出。另
外，該鎖相環(huán)電路包括混頻器電路，該混頻器電路具有耦合到DDS調(diào)制電路的第一輸入、耦合到可控振蕩器的輸出的第二輸入和耦合到相位比較電路的第二輸入的輸出。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例， 一種微波合成器包括相位比較電路，該相位比較電路具有用于接收參考頻率的第一輸入、用于接收反饋信號(hào)的第二輸入、和輸出。而且該微波合成器包括可控振蕩器，該可控振蕩器具有耦合到相位比較電路的輸出的控制輸入和用于生成可變頻率輸出信號(hào)的輸出。該微波合成器進(jìn)一步包括可編程分頻器，該可編程分頻器具有耦合到可控振蕩器的輸出的輸入和用于提供分頻信號(hào)的輸出。該微波合成器又包括混頻器電路，該混頻器電路具有適于接收調(diào)制信號(hào)的第一輸入、耦合到可編程分頻器的輸出的第二輸入和耦合到相位比較電路的第二輸入用于提供反饋信號(hào)的輸出。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的一實(shí)施例， 一種微波合成器包括用于生成參考頻率的參考振蕩器。該微波合成器包括多個(gè)倍頻單元，該倍頻單元耦合到參考振蕩器用于生成分別具有參考頻率的不同倍數(shù)的各自的
輸出信號(hào)。該微波合成器進(jìn)一步包括第一 DDS單元，該第一 DDS單
元具有耦合到多個(gè)倍頻單元的時(shí)鐘輸入和用于生成具有可編程頻率和
第一相位的第一DDS信號(hào)的輸出。另外，該微波合成器包括第二 DDS單元，該第二 DDS單元具有耦合到多個(gè)倍頻單元的時(shí)鐘輸入和用于生成具有可編程頻率和與第一相位不同的第二相位的第二 DDS信號(hào)的輸出。正交混頻器電路具有分別耦合到第一和第二DDS電路的輸出的第一和第二輸入、耦合到多個(gè)倍頻單元的第三輸入、和輸出。該微波合成器進(jìn)一步包括鎖相環(huán)電路，該鎖相環(huán)電路具有耦合到參考振蕩器的
第一輸入、耦合到正交混頻器電路的輸出的第二輸入和用于提供可變頻率輸出信號(hào)的輸出。


通過考慮隨后的描述和附圖，本發(fā)明的新穎特征將變得顯而易見，在附圖中
圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的多環(huán)路微波合成器的簡(jiǎn)化的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的微波合成器的簡(jiǎn)化的示意圖；圖3是可以在圖2的合成器中使用的頻率參考源的實(shí)施例的示意
圖4是可以在圖2的合成器中使用的用于生成高頻本地振蕩器(LO)的電路的實(shí)施例的示意圖5是可以在圖2的合成器中使用的用于生成正交DDS信號(hào)的DDS電路的實(shí)施例的示意圖6是用于接收?qǐng)D5所示的正交DDS信號(hào)的單邊帶上變頻器的實(shí)施例的示意圖7是圖2所示的主PLL電路的實(shí)施例的示意圖；圖8是示出用于對(duì)圖2的合成器編程的過程的流程圖9是示出用于使兩個(gè)DDS值抖動(dòng)以輸出與圖2電路中的兩個(gè)DDS值之間的值相對(duì)應(yīng)的頻率的過程的流程圖；以及
圖10是示出用于在圖2的合成器配置有圖5所示的正交DDS時(shí)校準(zhǔn)該合成器的過程的流程圖。
具體實(shí)施例方式
如本文通篇使用的，諸如"包括""含有"和"具有"的詞意在以開放的方式闡述事物的特定事項(xiàng)、元素或方面。除非進(jìn)行相反的特定說明，否則這些詞并不指示不能添加附加事項(xiàng)的封閉列表。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的說明性實(shí)施例的微波合成器200。微波合成器200包括參考振蕩器210、 DDS調(diào)制電路212、鎖相環(huán)電路214、輸出調(diào)理電路216和控制器260?？刂破?60向DDS調(diào)制電路212、鎖相環(huán)電路214和輸出調(diào)理電路216提供輸入并且自其接收輸出，用于控制這些電路并且可選地自這些電路讀取信息。
DDS調(diào)制電路212優(yōu)選地包括多個(gè)本地振蕩器220a-220n。每個(gè)本地振蕩器優(yōu)選地具有耦合到參考振蕩器210的輸入和用于提供信號(hào)的輸出，該信號(hào)的頻率是參考頻率的倍數(shù)。不同的本地振蕩器220a-220n的輸出頻率優(yōu)選地互不相同。本地振蕩器220a-220n耦合到一對(duì)選擇器222和224的輸入。每個(gè)選擇器222/224優(yōu)選地具有"n"個(gè)輸入，每個(gè)輸入用于n本地振蕩器中的一個(gè)。每個(gè)選擇器被配置成在控制器260的控制下將它的"n"個(gè)輸入處的信號(hào)中的一個(gè)信號(hào)傳送到它的輸出。選擇器222具有耦合到分頻器226的輸出，該分頻器226進(jìn)而具有連接到DDS電路228的時(shí)鐘輸入的輸出CXI DDS電路228具有耦合到混頻器230的第一輸入的輸出"2XS 0t/r。選擇器224具有耦合到混頻器230的第二輸入的輸出(丄O)。選擇器222和224優(yōu)選地用RF開關(guān)來實(shí)現(xiàn)?？蛇x擇的濾波器232可選地耦合到混頻器230的輸出。濾波器232優(yōu)選地可配置為低通濾波器或高通濾波器。濾波器232的輸出向鎖相環(huán)電路214傳送調(diào)制的DDS信號(hào)"AS1 ATOZ)。
鎖相環(huán)電路214包括相位比較器240、環(huán)路濾波器242和可控振蕩器244。優(yōu)選地在相位比較器240的輸入處提供交叉開關(guān)238。該交叉開關(guān)具有耦合到參考振蕩器的第一輸入和用于接收反饋信號(hào)的第二輸入。它還具有耦合到相位比較器240的第一和第二輸入的兩個(gè)輸出。交叉開關(guān)238具有兩個(gè)模式通過模式，其中輸入被直接傳遞到輸出(輸入1至輸出1并且輸入2至輸出2);以及交叉模式，其中輸入被交叉(輸入1至輸出2并且輸入2至輸出1)。交叉開關(guān)238可被提供為分立元件，或者它可以與相位比較器240集成。
交叉開關(guān)238允許相位比較器240的極性反轉(zhuǎn)。該能力為合成器200提供了用于鎖定的較大的靈活性。
鎖相環(huán)電路214還包括可編程分頻器246、混頻器248和低通濾波器250?？删幊谭诸l器246具有耦合到可控振蕩器244的輸出的輸入和耦合到混頻器248的第一輸入的輸出。混頻器248具有耦合到DDS調(diào)制電路的第二輸入，用于接收Z)Z^3/OD?；祛l器248具有耦合到低通濾波器250的輸出，低通濾波器250進(jìn)而具有耦合到交叉開關(guān)238的第二輸入的輸出。
鎖相環(huán)電路214的輸出i>H Of/r耦合到輸出調(diào)理電路216。該輸出調(diào)理電路包括一個(gè)或多個(gè)可編程分頻器252和濾波器組254。
微波合成器200優(yōu)選地與參考振蕩器210同步操作。在DDS調(diào)制電路212中，本地振蕩器220a-220n均從參考振蕩器210接收參考頻率F及EF并且產(chǎn)生輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)的頻率是參考頻率的倍數(shù)。操作選擇器222以從本地振蕩器220a-220n中的一個(gè)選擇輸出信號(hào)用于輸入到分頻器226。相似地，操作選擇器224以選擇本地振蕩器中的一個(gè)的輸出作為輸出信號(hào)，用于輸入到混頻器230。通過將選擇器222/224和分頻器226設(shè)置成需要的值，對(duì)DDS電 路228進(jìn)行編程以產(chǎn)生具有需要頻率的"ZW" Of/T。混頻器230將Z)Z)51
orr與來自選擇器224的z:o混頻。因此混頻器的輸出的頻率內(nèi)容通 常包括載波分量丄o以及相對(duì)于載波偏移Dzxs0f/r的頻率的上和下邊
帶?？蛇x擇的濾波器232優(yōu)選地對(duì)混頻器230的輸出濾波以選擇下邊
帶或上邊帶來得到z)zxsMaD，然后將該"zxy Afo/>傳遞到鎖相環(huán)電路
214。
在鎖相環(huán)電路214內(nèi)部，可控振蕩器244的輸出尸ZZ Orr提供微 波范圍內(nèi)的頻率?？删幊谭诸l器246降低這些頻率，并且混頻器248 對(duì)分頻器246的輸出進(jìn)行下變頻。因此混頻器248的輸出通常包括已 分頻的6^/r頻率以及偏移Z)Z^M6W的頻率的邊帶。低通濾波器 250對(duì)由混頻器230和248產(chǎn)生的較高混頻產(chǎn)物進(jìn)行濾波。由于低通濾 波器250提供反饋信號(hào)，因此環(huán)路的負(fù)反饋往往將混頻器248的下邊
帶驅(qū)動(dòng)到參考頻率/^￡F，并且因此往往將戶/:丄ot/r驅(qū)動(dòng)到預(yù)定的微 波頻率。然后尸丄丄ot/r的頻率可以按照需要分頻和濾波以產(chǎn)生任意低頻率。
代數(shù)上，依賴于濾波器232的設(shè)置，可以表示為
(丄o+D/xs 0t/r)或者ao-z)zxy of/r)。如果可編程分頻器246具
有分頻因子"并且交叉開關(guān)238被配置成它的通過模式，則相位比較 器240所鎖定的邊帶具有頻率
在合成器預(yù)先調(diào)諧并且配置成在低于il/0"的頻率下產(chǎn)生
orr)/z)時(shí)，交叉開關(guān)238允許環(huán)路保持負(fù)反饋并且鎖定。通過
將交叉開關(guān)238配置成它的交叉模式，相位比較器240所鎖定的邊帶 具有如下附加頻率由于反饋迫使每個(gè)上述表達(dá)式等于參考頻率，因此我們可以解出
PLL OUT以得到如下四種可能
尸丄ot/r-"Y丄o+z)z^ ot/r+7^ET9
尸丄丄of/r="*(XO-"zxy wr-F及，
顯而易見，適當(dāng)選擇D、 F及五F、丄0禾BD/xy orr的值可以得到 關(guān)于p丄/: ot/r的寬的頻率范圍，該頻率范圍轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)于微波合成器 200的寬的頻率范圍。
圖3示出了參考振蕩器210的說明性實(shí)施例。該振蕩器包括由系 統(tǒng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的鎖相環(huán)。該鎖相環(huán)包括相位-頻率檢測(cè)器310、環(huán)路濾波 器312和可控振蕩器314。如所公知的，相位-頻率檢測(cè)器是可以檢測(cè) 它的輸入信號(hào)之間的頻率以及相位的失配的一種類型的相位檢測(cè)器。 相位-頻率檢測(cè)器310具有接收系統(tǒng)時(shí)鐘的第一輸入和提供來自可控振 蕩器314的反饋信號(hào)的第二輸入。因此鎖相環(huán)提供系統(tǒng)時(shí)鐘的濾波的 和凈化的版本。
系統(tǒng)時(shí)鐘優(yōu)選地是分發(fā)到ATE系統(tǒng)中的不同設(shè)備的用于同步操作 的信號(hào)。系統(tǒng)時(shí)鐘可以是數(shù)字時(shí)鐘或模擬時(shí)鐘。準(zhǔn)確的頻率不是關(guān)鍵 的。環(huán)路濾波器312優(yōu)選地具有非常低的帶寬，用于對(duì)環(huán)路中的相位 噪聲進(jìn)行強(qiáng)濾波?？煽卣袷幤?14優(yōu)選地是壓控晶體振蕩器，諸如低 成本的陶瓷諧振器。
圖4示出了本地振蕩器(220a-220n中的任何本地振蕩器)的說明 性實(shí)施例。僅示出了單個(gè)振蕩器，但是電路拓?fù)浯砻總€(gè)振蕩器
17220a-220n。該本地振蕩器接收已濾波的時(shí)鐘信號(hào)F及五尸并且產(chǎn)生輸出 信號(hào)，該輸出信號(hào)的頻率是的倍數(shù)。該本地振蕩器被構(gòu)造為鎖 相環(huán)；然而，使用采樣相位檢測(cè)器410取代常規(guī)相位檢測(cè)器或相位-頻 率檢測(cè)器。如所公知的，采樣相位檢測(cè)器采用電容耦合到肖特基二極 管對(duì)混頻器的階躍恢復(fù)二極管。該階躍恢復(fù)二極管生成輸入?yún)⒖夹盘?hào) (這里是/^五F)的諧波，并且肖特基二極管對(duì)用作相位檢測(cè)器。采樣 相位檢測(cè)器可以選擇性地鎖定在諧波上并且使鎖相環(huán)能夠在不需要反 饋分頻器的情況下實(shí)現(xiàn)輸入?yún)⒖嫉念l率倍增。如所公知的，在基于采 樣相位檢測(cè)器的鎖相環(huán)中除去反饋分頻器不僅避免了分頻器的噪聲貢 獻(xiàn)，而且還避免了相位檢測(cè)器噪聲的倍增。因此在本地振蕩器220a-220n 中避免分頻器提高了性能。可以使用梳狀波生成器環(huán)路取代采樣相位 檢測(cè)器410。
圖5和6示出了 DDS電路228和混頻器230的實(shí)施例。該實(shí)施例 是特別優(yōu)選的，原因在于它的低成本、靈活性、并且易于集成在合成 器200中。該實(shí)施例利用通訊工業(yè)中對(duì)于解析處理信號(hào)，即正交處理 信號(hào)的趨勢(shì)。如所公知的，"正交"信號(hào)將任何頻率表示為一對(duì)九十 度相移的正弦曲線。 一個(gè)正弦曲線是同相的或者"I",而另一個(gè)是正 交的或者"Q"。
圖5示出了正交DDS電路。正交DDS電路包括一對(duì)DDS單元， 一個(gè)用于提供/信號(hào)并且一個(gè)用于提供2信號(hào)。每個(gè)DDS單元優(yōu)選地 包括相位-幅度轉(zhuǎn)換器514/544、 DAC (數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器)516/546、低 通濾波器518/548和輸出緩沖器520/550。出于經(jīng)濟(jì)考慮，可以在DDS 單元之間共享特定元件并且不需要復(fù)制。例如，僅需要提供單個(gè)相位 寄存器510、求和器512、頻率寄存器540和累加器542。
為了操作正交DDS電路，控制器260對(duì)相位寄存器510和頻率寄 存器540的值編程。在DDSCLK的每個(gè)周期中，累加器542將頻率寄 存器540的內(nèi)容與它已存儲(chǔ)的值相加，以產(chǎn)生與相位相對(duì)應(yīng)的增加的數(shù)字輸出值。該輸出被提供給相位-幅度轉(zhuǎn)換器514/544，相位-幅度轉(zhuǎn) 換器514/544將該增加的相位值轉(zhuǎn)換成數(shù)字幅度值。然后，dac 516/546 將該數(shù)字幅度值轉(zhuǎn)換為模擬電平。濾波器518/548使該電平平滑，并且 緩沖器520/550輸出/和2信號(hào)。通過使存儲(chǔ)在頻率寄存器540中的值 變化來使/和g的輸出頻率變化。
相位寄存器510和求和器512允許使/輸出的相位相對(duì)于0輸出 的相位偏移。通過將相位寄存器510編程到與90度相對(duì)應(yīng)的數(shù)字值， 在/和2之間建立90度的相位差。相似地，通過對(duì)相位寄存器編程以 減去90度，在/和q之間建立負(fù)90度相位差。
正交dds電路還提供用于移除/和g中的以及/和2之間的誤差 的機(jī)制。通過調(diào)節(jié)存儲(chǔ)在相位寄存器510中的值可以校正相位誤差。 使用由控制器260提供的模擬調(diào)節(jié)可以校正dac中的增益和偏移誤 差。正交dds電路優(yōu)選地用一對(duì)單片dds芯片來實(shí)現(xiàn)，或者用雙核 的單片dds來實(shí)現(xiàn)。
圖6示出了具有正交混頻器形式的混頻器230的優(yōu)選實(shí)現(xiàn)。正交 混頻器優(yōu)選地包括分相器610、第一和第二混頻器612和614、求和器 616和輸出緩沖器618。分相器610從選擇器224接收丄O信號(hào)并且輸 出丄0信號(hào)的兩個(gè)版本。每個(gè)版本具有與丄O信號(hào)相同的頻率，但是其 中一個(gè)版本相對(duì)于另一版本延遲90度。第一混頻器612使￡0的非移 相版本與/信號(hào)混頻，并且第二混頻器614使丄0的移相版本與0信號(hào) 混頻。求和器616使混頻器612和614的輸出組合以得到輸出信號(hào)， 其中對(duì)同相(i)分量求和并且拒絕正交分量(q)。因此求和器616
的輸出具有是丄o和dds輸出頻率Dzxy orr的和或差的頻率。在不
需要濾波的情況下抑制其他混頻產(chǎn)物。通過使/和0的相位反轉(zhuǎn)，可 以改變需要的和或差信號(hào)。因此，僅通過將相位寄存器510編程為加
上90度或者減去90度，就可以使正交混頻器輸出丄o+"zxy orr或者圖6所示正交混頻器還被稱為單邊帶上變頻器。單邊帶上變頻器 在微波和通訊領(lǐng)域中是公知的。在本申請(qǐng)中使用單邊帶上變頻器的優(yōu) 點(diǎn)在于，它提供了選擇用于傳遞到鎖相環(huán)電路214的需要邊帶(并且 因此選擇需要的頻率范圍)的簡(jiǎn)單方式。而且它極大地減少了對(duì)濾波
的需要。在使用單邊帶上變頻器時(shí)，通常可以除去來自圖2的可選擇 的濾波器232。
圖7示出了鎖相環(huán)電路214的實(shí)施例?？梢钥吹?，相位比較器240 已用相位-頻率檢測(cè)器740實(shí)現(xiàn)?？煽卣袷幤?44用YIG振蕩器實(shí)現(xiàn)。 分頻器246用可編程RF預(yù)分頻器746實(shí)現(xiàn)。混頻器748和低通濾波器 750與圖2的混頻器248和濾波器250相似。
相位-頻率檢測(cè)器(PFD) 740允許圖7的鎖相環(huán)在相對(duì)寬的頻率 范圍上獲取和鎖定，并且放松對(duì)YIG振蕩器預(yù)先調(diào)諧的需要。PFD在 相對(duì)低的頻率(額定100MHz)下操作。市售的廉價(jià)低噪聲單片PFD 在該頻率下使用。
YIG振蕩器744優(yōu)選地具有粗調(diào)諧和細(xì)調(diào)諧(FM)輸入。粗調(diào)諧 輸入優(yōu)選地由控制器260中的模擬電路控制，而細(xì)調(diào)諧輸入優(yōu)選地耦 合到環(huán)路濾波器/放大器742用于鎖定。
圖7的鎖相環(huán)電路優(yōu)選地包括用于對(duì)提供給PFD 740的反饋信號(hào) 采樣的采樣電路。該采樣電路包括開關(guān)736、 ADC (模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器) 752、捕獲存儲(chǔ)器754和DFT (數(shù)字傅立葉變換)單元756。在校準(zhǔn)操 作期間，開關(guān)736閉合并且使ADC 752獲取反饋信號(hào)的樣本。這些樣 本保存在捕獲存儲(chǔ)器754中，并且對(duì)存儲(chǔ)的樣本執(zhí)行離散傅立葉變換。 結(jié)果可被發(fā)送到控制器260用于分析。該能力允許直接測(cè)量并且可能 調(diào)節(jié)鎖相環(huán)電路的噪聲。
20此處描述的微波合成器200的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)基本上可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)變化。然而，在特定優(yōu)選的實(shí)施例中，F(xiàn)及五F的值額定是100 MHz。 本地振蕩器220a-220n的數(shù)目"n"是2。第一本地振蕩器生成1.8 GHz 并且第二本地振蕩器生成2.0 GHz。為了與優(yōu)選的和可用的DDS單元 兼容，分頻器226的分頻器值M優(yōu)選地是2。因此，D2XyCXJST的值可 以被配置成900 MHz或1.0 GHz。 DDS單元優(yōu)選地在100 MHz和300 MHz之間的范圍中可調(diào)諧，使DZXy AfOD可以在1.5 GHz禾卩2.3 GHz 之間變化，不存在間隙。YIG振蕩器744優(yōu)選地在6.4和12.8 GHz之 間的調(diào)諧范圍上操作，并且可編程RF預(yù)分頻器優(yōu)選地提供4、 5或6 的分頻比。小的分頻比確保保持低噪聲，同時(shí)仍然滿足"2W 的 完整范圍上的環(huán)路的反饋要求。在合成器200中使用的許多組件是市售的現(xiàn)貨。從Chelmsford, MA 的Hittite Microwave公司和Phoenix, AZ的ON Semiconductor公司可以 獲得適當(dāng)?shù)南辔?頻率檢測(cè)器。從Londonderry, NH的MicroMerics公司 和Sunnyvale, CA的Aeroflex/Metelics公司可以獲得采樣相位檢測(cè)器。 從Norwood, MA的Analog Devices公司可以獲得適當(dāng)?shù)腄DS電路。從 Analog Devices公司、Sunnyvale, CA的Maxim Integrated Products公司、 Dallas, TX 的 Texas Instruments 公司禾口 Milpitas， CA 的 Linear Technology公司可以購買單邊帶上變頻器。圖8示出了用于對(duì)微波合成器200編程以提供需要的輸出頻率的 過程。不需要按照所示順序來執(zhí)行步驟。在步驟810，合成器直接從用 戶或者從接入合成器的測(cè)試程序接受需要的輸出頻率。在步驟812，選 擇一個(gè)或多個(gè)本地振蕩器。出于靈活起見，優(yōu)選地獨(dú)立選擇本地振蕩 器220a-220n，用于提供"Z)S CX兀和IO。在步驟814,自單邊帶上變 頻器選擇邊帶。這通常通過將相位寄存器510編程成加上或減去90度 并且將交叉開關(guān)738配置成通過或交叉模式來實(shí)現(xiàn)。在步驟816，選擇 用于可編程RF預(yù)分頻器746的預(yù)分頻器值。在步驟818，對(duì)DDS頻 率編程。在步驟820配置輸出分頻器和濾波器，并且在步驟822對(duì)YIG振蕩器744進(jìn)行預(yù)先調(diào)諧以輸出在預(yù)期范圍內(nèi)的頻率。主要基于兩個(gè)因素來選擇本地振蕩器220a-220n、上或下邊帶和預(yù) 分頻器值。第一個(gè)因素是實(shí)現(xiàn)需要的輸出頻率的能力。并非所有配置 均可以實(shí)現(xiàn)所有需要的配置。第二個(gè)因素是寄生噪聲的最小化。合成 器200的優(yōu)點(diǎn)在于，在許多情況下，存在用于實(shí)現(xiàn)相同輸出頻率的不 同配置。在這些情況下，優(yōu)選地選擇得到最低噪聲，特別是最低相位 噪聲的配置。下面的指導(dǎo)可以用于將合成器200配置成使寄生噪聲最小化-1. 如果DDS OUT的頻率接近LO頻率中的一個(gè)的分諧波，則選 擇分諧波遠(yuǎn)離的LO頻率(例如，900 MHz或l GHz);2. 如果來自SSB上變頻器和/或混頻器248的較高階的混頻產(chǎn)物 引起了混頻器248的輸出處的近端(close-in)雜散，則執(zhí)行以下操作 中的一個(gè)a) 選擇用于預(yù)分頻器246的不同的比。b) 使交叉開關(guān)238的極性反轉(zhuǎn)，這可以使有問題的雜散移出頻帶。c) 如果a)或b)不可行，則實(shí)現(xiàn)集中校準(zhǔn)以使討厭的雜散最小 化。下文結(jié)合圖IO描述校準(zhǔn)。3. 如果存在關(guān)于相同合成器輸出頻率的多個(gè)配置(無近端雜散)， 則選擇具有最低DDS輸出頻率的配置。圖9示出了在不能直接對(duì)輸出頻率編程時(shí)使用微波合成器200生 成需要的輸出頻率的過程。由于DDS電路的分辨率受到限制并且有時(shí) 需要的值落在由緊鄰DDS電平產(chǎn)生的值之間，因此需要該過程。根據(jù) 該過程，使得到與需要的頻率接近的頻率的兩個(gè)直接可編程頻率值抖 動(dòng)。鎖相環(huán)電路214的濾波動(dòng)作對(duì)抖動(dòng)值取平均以產(chǎn)生需要的頻率值。該過程如下進(jìn)行。在步驟910，配置合成器200并且對(duì)DDS電路編程以產(chǎn)生來自合成器的第一頻率值，該第一頻率值接近需要的輸出頻率。在等待第一延遲間隔之后(步驟912)，對(duì)DDS電路編程以產(chǎn) 生來自合成器的第二頻率值(步驟914)。該第二頻率值也接近需要的 輸出頻率，但是相比于第一頻率值位于需要的值的相反側(cè)。在第二延 遲間隔之后(步驟916)，重復(fù)該過程，交替對(duì)不同的值編程。由于鎖 相環(huán)電路214的操作，在第一和第二頻率值的時(shí)間加權(quán)平均值上建立 了輸出頻率。圖10示出了用于校準(zhǔn)微波合成器200的過程。如圖5中所見，正 交DDS電路包括用于調(diào)節(jié)/和0輸出信號(hào)之間的相位差的器件(provision)，以及用于調(diào)節(jié)DAC 516和546的增益和相位的器件。 如圖7中所見，鎖相環(huán)電路包括采樣電路(開關(guān)736、 ADC 752、捕獲 存儲(chǔ)器754和DFT單元756)。采樣電路可以用于測(cè)量鎖相環(huán)電路214 的反饋信號(hào)中的噪聲。根據(jù)該校準(zhǔn)過程，合成器200被編程以產(chǎn)生已 知輸出頻率(步驟1010)。 一旦輸出頻率穩(wěn)定，則開關(guān)736閉合并且 使采樣電路對(duì)反饋信號(hào)采樣(步驟1012)。測(cè)量和檢査寄生噪聲(步 驟1014)。在步驟1018，調(diào)節(jié)DDS電路以嘗試減少測(cè)量的寄生噪聲。 一個(gè)寄生噪聲源是/和0之間的相位誤差。為了使噪聲最小化，調(diào)節(jié) 相位寄存器510 (步驟1018)并且重復(fù)測(cè)量。重復(fù)測(cè)量、檢查噪聲和 調(diào)節(jié)相位的過程直至達(dá)到了可接受的噪聲電平。DAC 516和546的增 益和偏移誤差也對(duì)寄生噪聲有貢獻(xiàn)。該噪聲可以通過調(diào)節(jié)DAC的增益 和/或偏移并且測(cè)量寄生噪聲的相似的方式來處理。然后用得到可接受 的(優(yōu)選地最小的)噪聲級(jí)的調(diào)節(jié)來配置DAC。在完成校準(zhǔn)時(shí)通常打 開開關(guān)736。合成器200提供了低成本和低相位噪聲的優(yōu)點(diǎn)。相比于多環(huán)路設(shè) 計(jì)，它的單環(huán)路設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性減少了需要的硬件量。它使用正交DDS 和單邊帶上變頻器在不需要復(fù)雜和昂貴的濾波器的情況下抑制了不想 要的邊帶。在使用正交DDS和單邊帶上變頻器時(shí)，合成器200還利用 無線通訊工業(yè)中的提供低成本的精確的正交設(shè)備的當(dāng)前趨勢(shì)。由于合 成器200需要的部件少于許多競(jìng)爭(zhēng)設(shè)計(jì)，因此它可以構(gòu)造為較小的體積。在優(yōu)選實(shí)施例中，合成器200裝配在ATE系統(tǒng)中的小于1.8cm高的儀器插糟中。另外，合成器200的多種設(shè)置，諸如z)/xycx^:選擇、丄0選擇、上或下邊帶選擇、YIG頻率和預(yù)分頻器值，常常向用戶提供 用于配置合成器200的多種選擇，以產(chǎn)生任何需要的輸出頻率。這些 選擇使用戶能夠選擇給出最優(yōu)可能噪聲性能的配置。盡管已經(jīng)描述了一個(gè)實(shí)施例，但是可以進(jìn)行許多可替選的實(shí)施例 或變化。如所示出和描述的，DDS調(diào)制電路212從參考振蕩器210接 收它的時(shí)鐘參考。然而這僅是示例。替代地，DDS調(diào)制電路可以具有 它自身的時(shí)鐘參考，或者可以從另一來源接收時(shí)鐘參考。如所示出和描述的，DDS調(diào)制電路212配備有多個(gè)本地振蕩器。 這不是嚴(yán)格要求的。替代地，可以使用單個(gè)本地振蕩器。該單個(gè)本地 振蕩器可以是固定頻率振蕩器或者可以提供多個(gè)可選擇的頻率。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，在不偏離本發(fā)明的范圍的情況 下可以對(duì)此處公開的實(shí)施例進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的多種改變。
權(quán)利要求
1.一種微波合成器，包括參考振蕩器，所述參考振蕩器用于生成參考頻率；DDS調(diào)制電路，所述DDS調(diào)制電路用于生成調(diào)制的DDS信號(hào)；以及鎖相環(huán)電路，所述鎖相環(huán)電路耦合到所述參考振蕩器和所述DDS調(diào)制電路，用于生成可變頻率輸出信號(hào)，其中，所述鎖相環(huán)電路包括——相位比較電路，所述相位比較電路具有耦合到所述參考振蕩器的第一輸入、用于接收反饋信號(hào)的第二輸入、和輸出，可控振蕩器，所述可控振蕩器具有耦合到所述相位比較電路的所述輸出的控制輸入和用于生成所述可變頻率輸出信號(hào)的輸出，以及混頻器電路，所述混頻器電路具有耦合到所述DDS調(diào)制電路的第一輸入、耦合到所述可控振蕩器的所述輸出的第二輸入和耦合到所述相位比較電路的所述第二輸入的輸出。
2. 如權(quán)利要求1所述的微波合成器，進(jìn)一步包括可編程分頻器，所述可編程分頻器串聯(lián)耦合在所述可控振蕩器的所述輸出和所述混頻器電路的所述第二輸入之間。
3. 如權(quán)利要求2所述的微波合成器，其中，所述可編程分頻器包括比可編程RF預(yù)分頻器。
4. 如權(quán)利要求l所述的微波合成器，其中，所述相位比較電路包括相位-頻率檢測(cè)器。
5. 如權(quán)利要求1所述的微波合成器，其中，所述相位比較電路包括與相位檢測(cè)器串聯(lián)耦合的交叉開關(guān)。
6. 如權(quán)利要求l所述的微波合成器，其中，所述可控振蕩器包括YIG振蕩器。
7. 如權(quán)利要求l所述的微波合成器，其中，所述混頻器電路是第一混頻器電路并且所述DDS調(diào)制電路包括本地振蕩器電路；DDS電路，所述DDS電路具有耦合到所述本地振蕩器電路的時(shí)鐘輸入和用于提供具有可編程頻率的輸出信號(hào)的輸出；第二混頻器電路，所述第二混頻器電路具有耦合到所述DDS電路的所述輸出的第一輸入、耦合到所述本地振蕩器電路的本地振蕩器輸入和用于生成所述調(diào)制的DDS信號(hào)的輸出。
8. 如權(quán)利要求7所述的微波合成器，其中，所述DDS電路包括第一 DDS單元，所述第一 DDS單元具有耦合到所述本地振蕩器電路的時(shí)鐘輸入和用于提供具有可編程頻率的輸出信號(hào)的輸出，第二 DDS單元，所述第二 DDS單元具有耦合到所述本地振蕩器電路的時(shí)鐘輸入和用于提供具有可編程頻率的輸出信號(hào)的輸出，其中，所述第二混頻器電路是正交混頻器電路，所述正交混頻器電路進(jìn)一步具有耦合到所述第二 DDS單元的所述輸出的第二輸入。
9. 如權(quán)利要求8所述的微波合成器，其中，所述第一和第二DDS單元中的至少之一能夠調(diào)節(jié)相位。
10. —種校準(zhǔn)如權(quán)利要求9所述的微波合成器的方法，包括對(duì)所述第一和第二 DDS單元編程以產(chǎn)生具有相同頻率的各自的輸出信號(hào)；A) 對(duì)反饋信號(hào)采樣；B) 分析所述反饋信號(hào)以確定它的寄生內(nèi)容；C) 調(diào)節(jié)在所述第一和第二DDS單元的輸出信號(hào)之間的相位；D) 標(biāo)識(shí)得到比其他相位更低的所述反饋信號(hào)中的寄生內(nèi)容電平的相位；以及E)將所述第一和第二 DDS單元之間的相位編程到基本上等于所標(biāo)識(shí)的相位的值。
11. 如權(quán)利要求8所述的微波合成器，其中，所述正交混頻器電路包括單邊帶上變頻器。
12. 如權(quán)利要求8所述的微波合成器，進(jìn)一步包括采樣電路，所述采樣電路耦合到所述第一混頻器電路的所述輸出，用于對(duì)所述反饋信號(hào)采樣o
13. 如權(quán)利要求8所述的微波合成器，其中，所述第一和第二 DDS單元中的至少之一能夠調(diào)節(jié)增益。
14. 如權(quán)利要求8所述的微波合成器，其中，所述第一和第二 DDS單元中的至少之一能夠調(diào)節(jié)偏移。
15. 如權(quán)利要求7所述的微波合成器，其中，所述本地振蕩器電路包括多個(gè)倍頻單元，每個(gè)倍頻單元具有耦合到所述參考振蕩器的輸入并且每個(gè)倍頻單元具有用于提供輸出頻率的輸出，所述輸出頻率是所述參考頻率的倍數(shù)；第一選擇器，所述第一選擇器具有多個(gè)輸入，每個(gè)輸入耦合到所述多個(gè)倍頻單元中的一個(gè)倍頻單元的所述輸出，并且具有耦合到所述DDS電路的輸出；以及第二選擇器，所述第二選擇器具有多個(gè)輸入，每個(gè)輸入耦合到所述多個(gè)倍頻單元中的一個(gè)倍頻單元的所述輸出，并且具有耦合到所述第二混頻器電路的輸出。
16. —種對(duì)如權(quán)利要求15所述的微波合成器編程以實(shí)現(xiàn)需要的頻率的方法，包括A) 選擇所述倍頻單元中的一個(gè)用于向所述DDS電路提供輸入；B) 選擇所述倍頻單元中的一個(gè)用于向所述第二混頻器電路提供輸入；以及C) 對(duì)所述DDS電路編程以產(chǎn)生輸出頻率。
17. —種對(duì)如權(quán)利要求7所述的微波合成器編程以實(shí)現(xiàn)需要的頻率的方法，包括A) 對(duì)所述DDS電路編程以輸出具有第一頻率的信號(hào)；B) 等待第一預(yù)定時(shí)間間隔；C) 對(duì)所述DDS電路編程以輸出具有第二頻率的信號(hào)；D) 等待第二預(yù)定時(shí)間間隔；以及E) 重復(fù)步驟A-D，其中，所述鎖相環(huán)電路具有帶寬，并且所述第一預(yù)定時(shí)間間隔和所述第二預(yù)定時(shí)間間隔的和的倒數(shù)大于所述帶寬。
18. —種微波合成器，包括相位比較電路，所述相位比較電路具有用于接收參考頻率的第一輸入、用于接收反饋信號(hào)的第二輸入、和輸出；可控振蕩器，所述可控振蕩器具有耦合到所述相位比較電路的所述輸出的控制輸入和用于生成可變頻率輸出信號(hào)的輸出；可編程分頻器，所述可編程分頻器具有耦合到所述可控振蕩器的所述輸出的輸入和用于提供分頻信號(hào)的輸出；以及混頻器電路，所述混頻器電路具有適于接收調(diào)制信號(hào)的第一輸入、耦合到所述可編程分頻器的所述輸出的第二輸入和耦合到所述相位比較電路的所述第二輸入用于提供所述反饋信號(hào)的輸出。
19. 如權(quán)利要求18所述的微波合成器，其中，所述相位比較電路包括具有第一和第二輸入的相位-頻率檢測(cè)器。
20. 如權(quán)利要求19所述的微波合成器，其中，所述相位比較電路 進(jìn)一步包括交叉開關(guān)，所述交叉開關(guān)具有耦合到所述相位比較電路的 所述第一和第二輸入的第一和第二輸入以及耦合到所述相位-頻率檢測(cè) 器的第一和第二輸入的第--和第二輸出。
21. 如權(quán)利要求18所述的微波合成器，其中，所述混頻器電路是 第一混頻器電路，并且進(jìn)一步包括DDS調(diào)制電路，所述DDS調(diào)制電 路包括倍頻電路，所述倍頻電路具有用于接收所述參考頻率的輸入， DDS電路，所述DDS電路具有耦合到所述倍頻電路的時(shí)鐘輸入和用于提供可編程周期性信號(hào)的輸出，以及第二混頻器電路，所述第二混頻器電路具有耦合到所述DDS電路的所述輸出的第一輸入、耦合到所述倍頻電路的第二輸入和用于提供所述調(diào)制信號(hào)的輸出。
22. 如權(quán)利要求21所述的微波合成器，其中，所述倍頻電路包括 多個(gè)倍頻單元，每個(gè)倍頻單元具有用于接收所述參考頻率的輸入并且每個(gè)倍頻單元具有用于提供輸出頻率的輸出，所述輸出頻率是所 述參考頻率的倍數(shù)；以及選擇器，所述選擇器具有多個(gè)輸入，每個(gè)輸入耦合到所述多個(gè)倍 頻單元中的一個(gè)倍頻單元的所述輸出，并且具有耦合到所述DDS電路 的所述時(shí)鐘輸入的輸出。
23. 如權(quán)利要求22所述的微波合成器，其中，所述選擇器是第一 選擇器，并且所述倍頻電路進(jìn)一步包括-第二選擇器，所述第二選擇器具有多個(gè)輸入，每個(gè)輸入耦合到所 述多個(gè)倍頻單元中的一個(gè)倍頻單元的所述輸出，并且具有耦合到所述 第二混頻器電路的所述第二輸入的輸出。
24. —種微波合成器，包括參考振蕩器，所述參考振蕩器用于生成參考頻率； 多個(gè)倍頻單元，所述多個(gè)倍頻單元耦合到所述參考振蕩器，用于生成分別具有所述參考頻率的不同倍數(shù)的各自的輸出信號(hào)；第一 DDS單元，所述第一 DDS單元具有耦合到所述多個(gè)倍頻單元的時(shí)鐘輸入和用于生成具有可編程頻率和第一相位的第一 DDS信號(hào)的輸出；第二 DDS單元，所述第二 DDS單元具有耦合到所述多個(gè)倍頻單 元的時(shí)鐘輸入和用于生成具有所述可編程頻率和與所述第一相位不同 的第二相位的第二 DDS信號(hào)的輸出；正交混頻器電路，所述正交混頻器電路具有分別耦合到所述第一 和第二DDS電路的所述輸出的第一和第二輸入、耦合到所述多個(gè)倍頻 單元的第三輸入、和輸出；以及鎖相環(huán)電路，所述鎖相環(huán)電路具有耦合到所述參考振蕩器的第一 輸入、耦合到所述正交混頻器電路的所述輸出的第二輸入和用于提供 可變頻率輸出信號(hào)的輸出。
25. 如權(quán)利要求24所述的微波合成器，其中，所述鎖相環(huán)電路包括相位比較電路，所述相位比較電路具有耦合到所述參考振蕩器的 第一輸入、用于接收反饋信號(hào)的第二輸入、和輸出；可控振蕩器，所述可控振蕩器具有耦合到所述相位比較電路的所 述輸出的控制輸入和用于生成可變頻率輸出信號(hào)的輸出；可編程分頻器，所述可編程分頻器具有耦合到所述可控振蕩器的 所述輸出的輸入和用于提供分頻信號(hào)的輸出；以及混頻器電路，所述混頻器電路具有耦合到所述正交混頻器電路的 所述輸出的第一輸入、耦合到所述可編程分頻器的所述輸出的第二輸 入和耦合到所述相位比較電路的所述第二輸入用于提供所述反饋信號(hào)的給i+(
26. 如權(quán)利要求25所述的微波合成器，進(jìn)一步包括采樣電路，所述采樣電路耦合到所述混頻器電路的所述輸出，用于對(duì)所述反饋信號(hào) 采樣。
全文摘要
一種低成本低相位噪聲的微波合成器包括DDS調(diào)制電路和鎖相環(huán)。該DDS調(diào)制電路將DDS的輸出調(diào)制到高頻。該鎖相環(huán)對(duì)DDS輸出進(jìn)行下變頻并且將已下變頻的信號(hào)鎖定到相對(duì)低的頻率，即固定的參考。
文檔編號(hào)H03L7/16GK101657968SQ200880011709
公開日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2008年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月12日
發(fā)明者大衛(wèi)·E·奧'布賴恩, 科林·卡·浩·周 申請(qǐng)人:泰拉丁公司