利用可变频率梳线的合成器方法
【技术领域】
[0001] 本发明在国家科学基金与Associated Universities, Inc.之间的合作协议 AST-0223851下以政府支持进行，以及美国政府相应地对本发明具有某些权利。
[0002] 相关申请的引用 本申请要求2012年7月23日提交的标题为"Synthesizer Method Utilizing Variable Frequency Comb Lines and Frequency Dithering'，的美国临时申请 No. 61674445的优选权，通过引用具体完整地结合于此。
[0003] 本发明针对合成器。具体来说，本发明针对利用可变频率梳线和切换的合成器。
【背景技术】
[0004] Vadim Manassewitcsh 在 Frequency Synthesis Theory and Design (第 3 版， John Wiley和Sons 1987)开始第I章"频率合成是系统元件的组合，其引起从一个或数个 参考源中生成一个或多个频率"。Manassewitch然后继续说明不同类型的合成器：相干或 不相干；直接或间接。
[0005] 合成器的信号源能够是能够直接调谐到大约预期频率的振荡器。但是，大多数振 荡器是不相干的，直到它们使用锁相环（PLL)来锁相到某个参考频率。在预期频率与这些 参考频率之间存在需要解决的大频率差。
[0006] -些现有合成器设计使用参考信号（或者参考信号之一）以驱动梳发生器来解决 这个频率差问题。简单来说，梳发生器的输出频率全部与输入频率和谐地相关。通常，频率 梳跨越合成器所要求的整个频带，并且具有（在频率上）均匀间隔的梳齿。梳齿能够像标 尺那样用来以高准确性测量其他频率源。
[0007] 现有频率合成器依靠固定输入或者一些情况下依靠输入频率的几个谐波或分谐 波，来驱动一个或多个梳发生器。通过允许输入频率在频率范围上（接近）连续地改变，标 尺能够可控地伸展或压缩。这些可伸展梳线则能够通过使用混频器来与振荡器输出频率进 行比较。混频器查找振荡器频率与所有梳线之间的和或差。
[0008] 利用固定（或接近固定）梳线的现有合成器能够使用微调合成器（FTS)来调谐到 固定梳线周围的小范围偏移频率。但是，这因 FTS调谐中的限制和PLL本身的频率范围限 制而引起输出频率范围中的调谐漏洞。附加缺点是因混频器非线性度以及特定直接数字合 成器（DDS)频率设定的相邻梳线引起的靠近杂散的存在。这些杂散能够引起随时间的不符 合需要正弦相位变化或者预期信号质量（谱纯度）的其他降级。
【发明内容】
[0009] 本发明克服了与当前策略和设计关联的问题和缺点，并且提供创建可变梳线合成 器的新工具和方法。
[0010] -个实施例针对一种可变频率合成器。该合成器包括输出固定参考频率的时钟、 接收固定参考频率并且输出经调谐频率的直接数字合成器（DDS)、接收经调谐频率并且输 出由多个梳线所组成的可变频率梳的可变频率梳发生器、接收可变频率梳和来自振荡器的 信号并且输出固定中频的混频器以及接收固定参考频率和固定中频并且输出锁相信号的 锁相环（PLL)、接收锁相信号并且输出合成频率的范围的振荡器。
[0011] 优选地，固定中频是振荡器的输出与至少一个梳线之间的差。在一优选实施例中， 振荡器是YIG类型振荡器。优选地，来自PLL的纠错信号是电流。在一优选实施例中，振荡 器是电压控制振荡器（VCO)。优选地，来自PLL的纠错信号是电压。
[0012] 优选地，合成器还包括第二固定参考频率，其中DDS和PLL其中之一接收第二固定 参考频率。优选地，在所输出的可变合成频率中不存在调谐漏洞。在优选实施例中，DDS对 于固定参考频率的大约1/6至固定参考频率的大约2/5的范围是可调谐的。优选地，DDS输 出频率处于第一尼奎斯特区域之内。优选地，DDS输出频率处于比第一尼奎斯特区域要高 的尼奎斯特区域中。
[0013] 在优选实施例中，最低输出合成频率（Fmin)、最大DDS调谐范围（Δ DDSmax)和梳线 间距之间的关系通过下式支配：
优选地，PLL的极性能够在正与负之间转换。优选地，频率梳线覆盖2GHz至20 GHz的 范围。
[0014] 在优选实施例中，DDS切换成将合成器调谐到原本通过缺少切换的DDS不可获得 的预期频率。优选地，通过在通过没有切换的DDS可获得的第一频率与通过没有切换的DDS 可获得的第二频率之间进行转换来获得特定频率，其中第一频率和第二频率围绕预期频 率。DDS优选地对于第一序列长度保持在第一调谐字，并且随后对于第二序列长度保持在第 二调谐字。
[0015] 优选地，第一调谐字和第二调谐字相差一，以及使第一序列长度和第二序列长度 的总时间为最小。优选地，第一调谐字通过下式确定
第二调谐字通过下式确定
第一序列长度通过下式确定
;以及 第二序列长度通过下式确定
其中，f是时钟频率，b是相位寄存器长度，V是量化频率，m和η是整数，△是合成器 调谐步长，以及2αλΔ )，其中get/是最大公约数。
[0016] 优选地，DDS对于第一序列长度在第一调谐字与第二调谐字之间改变，以及随后 DDS对于第二序列长度保持在第二调谐字。
[0017] 本发明的另一实施例针对一种输出可变频率的方法。该方法包括下列步骤：在时 钟处输出固定参考频率，在直接数字合成器（DDS)接收固定参考频率，从DDS输出经调谐频 率，在可变频率梳发生器接收经调谐频率，从可变频率梳发生器输出由多个梳线所组成的 可变频率梳，在混频器接收可变频率梳和来自振荡器的信号，从混频器输出固定中频，在锁 相环（PLL)接收固定参考频率和固定中频，从PLL输出锁相信号，在振荡器接收锁相信号， 并且输出合成频率的范围。
[0018] 优选地，固定中频是振荡器的输出与至少一个梳线之间的差。优选地，振荡器是 YIG类型振荡器。优选地，来自PLL的纠错信号是电流。在一优选实施例中，振荡器是电压 控制振荡器（VCO)。优选地，来自PLL的纠错信号是电压。
[0019] 在一优选实施例中，DDS和PLL其中之一接收第二固定参考频率。优选地，在所输 出的可变合成频率中不存在调谐漏洞。优选地，DDS在固定参考频率的大约1/6至固定参 考频率的大约2/5的范围是可调谐的。优选地，DDS输出频率处于第一尼奎斯特区域之内。 优选地，DDS输出频率处于比第一尼奎斯特区域要高的尼奎斯特区域中。
[0020] 优选地，最低输出合成频率（Fmin)、最大DDS调谐范围（Δ DDSmax)和梳线间距之间 的关系通过下式支配：
[0021] 在一优选实施例中，PLL的极性能够在正与负之间转换。优选地，频率梳线覆盖 2GHz至18 GHz的范围。
[0022] 优选地，DDS高频振动以将合成器调谐到原本通过缺少切换的DDS不可得到的预 期频率。在一优选实施例中，通过在没有切换的DDS可获得的第一频率与通过没有切换的 DDS可获得的第二频率之间进行调谐来获得特定频率，其中第一频率和第二频率围绕预期 频率。优选地，DDS对于第一序列长度保持在第一调谐字，并且随后对于第二序列长度保持 在第二调谐字。优选地，第一调谐字和第二调谐字相差一，以及使第一序列长度和第二序列 长度的总时间为最小。
[0023] 在一优选实施例中，第一调谐字通过下式确定
， 第二调谐字通过下式确定
第一序列长度通过下式确定
;以及 第二序列长度通过下式确定
其中，f是时钟频率，b是相位寄存器长度，V是量化频率，m和η是整数，△是合成器 调谐步长，以及2αλΔ )，其中get/是最大公约数。
[0024] 在一优选实施例中，DDS对于第一序列长度在第一调谐字与第二调谐字之间改变， 以及随后DDS对于第二序列长度保持在第二调谐字。
[0025] 本发明的另一实施例针对一种将直接数字合成器（DDS)调谐到原本是通过DDS不 可获得的预期频率的方法。该方法包括下列步骤：调谐到通过没有切换的DDS可获得的第 一频率，以及调谐到通过没有切换的DDS可获得的第二频率，其中第一频率和第二频率围 绕预期频率。
[0026] 在一优选实施例中，DDS对于第一序列长度保持在第一调谐字，并且随后对于第二 序列长度保持在第二调谐字。优选地，第一调谐字和第二调谐字相差一，以及使第一序列长 度和第二序列长度的总时间为最小。优选地，第一调谐字通过下式确定