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、分頻等信號處理進行數(shù)學(xué)意義上的加、減、乘、除等四則運算產(chǎn)生大量具有同樣精確度與穩(wěn)定度的頻率合成信號。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、制導(dǎo)、電子測量儀器和電子對抗中發(fā)揮著日益重要作用。低相位噪聲、小頻率步進和寬頻段輸出已經(jīng)成為頻率合成發(fā)展的主要趨勢。

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PLL中的VCO輸出進行可編程的數(shù)字分頻后再進行鑒相，完成閉環(huán)控制輸出。其優(yōu)點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泄露等缺陷，影響輸出信號頻譜純度，在很多較高要求的應(yīng)用場合還不能滿足要求。

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

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(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、針對參考信號產(chǎn)生兩路同源基準(zhǔn)參考信號，兩路同源基準(zhǔn)參考信號分別輸入倍頻梳線信號產(chǎn)生單元和鎖相基帶信號產(chǎn)生單元；所述倍頻梳線信號產(chǎn)生單元接收外部輸入的基準(zhǔn)參考信號，并應(yīng)用基準(zhǔn)參考信號產(chǎn)生寬帶、低相噪的梳狀譜信號；鎖相基帶信號產(chǎn)生單元接收外部輸入的基準(zhǔn)參考信號，基準(zhǔn)參考信號通過鎖相基帶信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生低頻、小步進的鎖相基帶信號；步驟二、將步驟一產(chǎn)生的梳狀譜信號和鎖相基帶信號進行混頻，然后經(jīng)過分段濾波放大處理后，最終形成寬帶、小步進、低相噪的頻率合成信號輸出。最終完成寬帶、小步進、低相噪頻率合成信號輸出。較傳統(tǒng)單環(huán)鎖相頻率源相位噪聲優(yōu)化15dB以上。

更進一步地，上述梳狀譜信號的產(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。

更進一步地，上述鎖相基帶信號產(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。

更進一步地，上述產(chǎn)生兩路同源基準(zhǔn)參考信號具體包括以下的步驟：將參考信號進行濾波、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。

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功分放大單元、倍頻梳線信號產(chǎn)生單元、鎖相基帶信號產(chǎn)生單元和混頻開關(guān)濾波單元；所述參考信號功分放大單元用于針對參考信號產(chǎn)生兩路同源基準(zhǔn)參考信號，兩路同源基準(zhǔn)參考信號分別輸入倍頻梳線信號產(chǎn)生單元和鎖相基帶信號產(chǎn)生單元；所述倍頻梳線信號產(chǎn)生單元用于接收外部輸入的基準(zhǔn)參考信號，并應(yīng)用基準(zhǔn)參考信號產(chǎn)生寬帶、低相噪的梳狀譜信號；所述鎖相基帶信號產(chǎn)生單元用于接收外部輸入的基準(zhǔn)參考信號，基準(zhǔn)參考信號通過鎖相基帶信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生低頻、小步進的鎖相基帶信號；所述混頻開關(guān)濾波單元用于將梳狀譜信號和鎖相基帶信號進行混頻，然后經(jīng)過分段濾波放大處理后，最終形成寬帶、小步進、低相噪的頻率合成信號輸出。

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的信號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，通過產(chǎn)生頻綜基帶信號和梳譜頻率組合，構(gòu)建鎖相環(huán)+環(huán)外混頻電路，經(jīng)過混頻與濾波處理，實現(xiàn)寬帶小步進頻率信號產(chǎn)生輸出。有效解決鎖相單環(huán)電路在寬帶頻率信號合成時在小頻率步進、低相位噪聲和低雜散水平等各項指標(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的相位噪聲性能，同時兼顧較小的頻率分辨率，同時保持良好的雜散抑制能力，顯著提升寬帶頻率合成信號的綜合性能水平，可為變頻通道提供純度好、高質(zhì)量的本振信號。尤其針對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是倍頻梳線信號產(chǎn)生單元電路結(jié)構(gòu)。

圖2是鎖相基帶信號產(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)。

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖，詳細說明本發(fā)明的具體實施方式。

本發(fā)明的實現(xiàn)步驟如下：

步驟一、基準(zhǔn)參考信號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。該部分電路原理如圖1所示。通過發(fā)揮梳狀譜信號在高頻段的優(yōu)良頻譜特性，保證最終合成信號具備較低的相位噪聲能力。該步驟可以采用梳狀譜信號發(fā)生電路完成，梳狀譜信號發(fā)生電路用于接收外部輸入的基準(zhǔn)參考信號，并應(yīng)用基準(zhǔn)參考信號產(chǎn)生包含有高次諧波分量信號的梳狀譜信號。

步驟二、基于鎖相基帶信號產(chǎn)生單元結(jié)構(gòu)產(chǎn)生低頻小步進的基帶信號，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)計與分配，產(chǎn)生L波段小步進鎖相基帶，保證最終合成信號的小步進頻率分辨力能力?；鶞?zhǔn)參考信號通過鎖相基帶信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生低頻、小步進的鎖相基帶信號。

步驟三、將上述兩部分信號進行混頻，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、小頻率步進等各項特性相互牽制和制約，采用鎖相單環(huán)或梳狀譜信號倍頻等單一技術(shù)體制不可能兼顧各項指標(biāo)均達到最優(yōu)；而通過合理設(shè)計綜合采用上述兩種頻率合成方法，則使得研制各項指標(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變頻過程中具有較獨特的特性；比如，兩個信號經(jīng)過混頻器進行混頻后，混頻輸出信號的頻率分布是兩個輸入信號各種算術(shù)運算組合；輸出信號的頻率步進取決于輸入兩個信號頻率步進的較小者；相位噪聲取決于輸入兩個信號相位噪聲較差者；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)在信號變頻過程的這一獨特作用，步驟一產(chǎn)生的高頻段、大步進、較低相噪的梳狀譜信號和步驟二產(chǎn)生的低頻段、小步進、低相噪的鎖相基帶信號通過混頻巧妙地進行了頻譜搬移，使得最終合成的信號兼具混頻前兩者的優(yōu)點，即寬帶、高頻段、小步進、低相噪、低雜散等各項指標(biāo)的優(yōu)良特性，解決了采用單一鎖相技術(shù)或梳狀譜信號產(chǎn)生技術(shù)合成頻率信號時在實現(xiàn)寬帶高頻段、小頻率步進和低相位噪聲等指標(biāo)不可兼顧的矛盾。

在混頻過程中，針對混頻后信號的濾波處理較為重要，因為混頻過程實現(xiàn)了對輸入信號進行頻譜搬移的同時，也產(chǎn)生了較多交調(diào)雜散信號，濾波效果的好壞決定了輸出信號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濾波的方式：第一級是開關(guān)濾波器組，采用了高Q值腔體濾波器進行設(shè)計，具有工作頻率高、帶寬窄、帶外抑制能力高等特點，根據(jù)分段混頻方案進行濾波器的分段設(shè)計，并通過開關(guān)分路和合路，主要濾除輸出頻點相鄰梳狀譜本振泄露和近端混頻交調(diào)信號；第二級針對最終輸出的Ku頻段設(shè)計帶通濾波器，主要濾除輸出頻點遠端混頻交調(diào)，彌補開關(guān)濾波器組在遠端抑制能力的不足，從而提升最終合成信號在全頻段優(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的相位噪聲性能，同時兼顧較小的頻率分辨率，同時保持良好的雜散抑制能力，顯著提升寬帶頻率合成信號的綜合性能水平，可為變頻通道提供純度好、高質(zhì)量的本振信號。尤其針對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。主要有參考信號功分放大單元、倍頻梳線信號產(chǎn)生單元、鎖相基帶信號產(chǎn)生單元和混頻開關(guān)濾波單元等幾個電路單元構(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）參考信號功分放大單元電路將參考信號進行濾波、放大、功分處理，產(chǎn)生兩路同源高純度基準(zhǔn)參考信號。

2）倍頻梳線信號產(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，供后級混頻使用。參考信號經(jīng)高次倍頻后可產(chǎn)生高質(zhì)量梳譜信號，保證了輸出信號良好的相位噪聲特性。

3）鎖相基帶信號產(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，實現(xiàn)了以參考信號為基準(zhǔn)，L波段10MHz頻率步進的頻綜鎖相基帶信號產(chǎn)生，頻綜鎖相基帶信號即鎖相基帶信號，其特點是頻段低、步進小、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進行混頻，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、低相噪頻率合成信號輸出。

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)人員可以對上述實施例作出種種修改或調(diào)整，因而發(fā)明的保護范圍并不被上述實施例所限，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。