专利名称：一种低相噪小步进频综实现方法
技术领域：
本发明涉及频率合成技术领域，尤其涉及一种低相噪小步进频综实现方法。
背景技术：
随着无线电资源的日益紧张和无线电技术的迅速发展，对无线电信号的测试准确度要求越来越严格，从而对测试系统中本地振荡器的频率分辨率和相位噪声两个指标要求越来越高。本地振荡器的主体是锁相环系统，锁相环系统的频率分辨率和相位噪声基本决定本地振荡器的频率分辨率和相位噪声。如图1所示，锁相环系统一般包括一个高稳定、低相噪的参考模块，一个低通滤波器，一个锁相环芯片和相应频率的VCCKVoltage-Controlled Oscillator，压控振荡器)。锁相环芯片完成的是图1中虚线框内的功能，R为参考分频器的系数，N为反馈分频器的系数。 当锁相环系统稳定后，参考模块输入的参考频率fref与VCO的输出频率fVM的关系如下= ^
R N频率分辨率是指锁相环系统可以不间断的输出两个载波之间的最小步进。相位噪声表征锁相环系统的载波输出在频域的不确定度，其大小可以用偏离载波一定频偏处如 IMHz的功率谱密度与载波功率的比值归一化到IHz来衡量，相位噪声以下简称相噪。目前的锁相环系统一般用DDS做参考来实现载波频率输出的高分辨率，其分辨率可达到亚IHz级别，但DDS的近端杂散会恶化201og(N)倍，其中N是倍频系数，并映射到锁相环系统的环路带宽内，从而使载波输出带有较大的近端杂散；通过单纯减小环路带宽来实现载波输出的低相噪，会使得近端相噪的恶化，且在环路带宽附近形成较大的噪声突起， 在相噪测试分析仪上观察到的频率一相噪对数曲线(简称相噪曲线)上会显示一个明显的“鼓包”(phase noisehump)，称为相噪鼓包或相位噪声鼓包。较大的近端杂散会降低系统的无杂散动态范围，并形成测量误差；相噪曲线上的相噪鼓包不仅影响美观，而且在有些情况下，会造成错误的测量结果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种低相噪小步进频综实现方法，在不采用DDS 作为参考的情况下，实现高频率分辨率的频率输出的同时降低相噪。本发明采用的技术方案是，所述低相噪小步进频综实现方法，锁相环系统包括锁相环芯片、低通滤波器和压控振荡器，锁相环芯片中包括参考分频器、鉴相器和反馈分频器，所述方法包括将恒温晶振的输出作为参考信号输入锁相环系统，并选择一个满足低相噪条件的低通滤波器作为锁相环系统中的低通滤波器；将所述低通滤波器的阶数增加到四阶，并使第四阶的电阻电容乘积与第三阶的电阻电容乘积匹配，且第四阶的电容值大于10倍压控振荡器的压控端寄生电容；
调节锁相环系统中锁相环芯片的电荷泵输出电流的大小，直到消除锁相环系统的输出相噪曲线中的相噪鼓包为止，此时将在设定的反馈分频器的反馈分频系数下的输出作为锁相环系统的输出。进一步的，所述低相噪条件，具体包括锁相环系统的输出相噪曲线稳定的表现出在低通滤波器的截止频率处没有相噪鼓包，且在低通滤波器的截止频率以内的相噪值比根据锁相环芯片的归一化噪声基底计算出来的理论值相差不超过20dB。进一步的，所述第四阶的电阻电容乘积与第三阶的电阻电容乘积匹配，具体包括第四阶的电阻电容乘积是第三阶的电阻电容乘积的1 1. 5倍。进一步的，所述锁相环芯片为HMC700、HMC704或ADF4!350。进一步的，所述设定的反馈分频器的反馈分频系数为1 17。进一步的，所述锁相环系统中的压控振荡器为Z communications公司的 V600ME20-LF 芯片。进一步的，所述低通滤波器为二阶、三阶或者四阶低通滤波器。采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点本发明所述低相噪小步进频综实现方法，经过实验验证，可在不用DDS作参考的情况下，不间断的实现2MHz步进，在某些情况下甚至可达kHz步进，在2GHz载波的IMHz偏移处相噪值仅为-135dBc/Hz，以及与环路带宽内平坦处相噪相比小于3dB的相噪鼓包，保证相噪平稳过渡。
图1为现有的锁相环系统结构示意图；图2为本发明第一实施例中锁相环系统结构示意图；图3为本发明第一实施例中低相噪小步进频综实现方法流程图；图4为本发明第二实施例中三阶低通滤波器结构示意图；图5 (a)、(b)为本发明第二实施例中可代替三阶低通滤波器的二阶和四阶低通滤波器结构示意图；图6 (a)、(b)、(c)为现有采用DDS作参考时的相噪曲线、以及采用普通锁相环有源环路滤波器时的相噪曲线与采用本发明技术方案输出的相噪曲线的对比示意图。
具体实施例方式为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。本发明第一实施例，一种低相噪小步进频综实现方法，锁相环系统的组成如图2 所示，包括锁相环芯片10、低通滤波器20和压控振荡器30，锁相环芯10片中包括参考分频器11、鉴相器12和反馈分频器13 ；锁相环芯片可以采用HMC700、HMC704或ADF4350等芯片。锁相环系统中的压控振荡器30采用Z communications公司的V600ME20-LF芯片。 上述锁相环系统的信号处理过程是现有技术，故此处不详述。
如图3所示，所述低相噪小步进频综实现方法，包括以下具体步骤步骤S101，将恒温晶振40的输出作为参考信号输入锁相环系统，并选择一个满足低相噪条件的低通滤波器20作为锁相环系统中的低通滤波器。具体的，该低相噪条件，具体包括锁相环系统的输出相噪曲线稳定的表现出在低通滤波器的截止频率处没有相噪鼓包，且在低通滤波器的截止频率以内的相噪值比根据锁相环芯片的归一化噪声基底计算出来的理论值相差不超过20dB。低通滤波器20可以为二阶、三阶或者四阶低通滤波器，优选的为二阶低通滤波
ο步骤S102，将所述低通滤波器20的阶数增加到四阶，并使第四阶的电阻电容乘积与第三阶的电阻电容乘积匹配，且第四阶的电容值大于10倍压控振荡器的压控端寄生电容。对低通滤波器20每增加一个阶数，实际上就是在其后端输出点处增加一个串联的电阻和电容支路。如果步骤SlOl中锁定的低通滤波器20已是四阶，则无需再对其增加阶数。具体的，所述第四阶的电阻电容乘积与第三阶的电阻电容乘积匹配，具体包括第四阶的电阻电容乘积是第三阶的电阻电容乘积的1 1. 5倍。步骤S103，通过调节锁相环系统中锁相环芯片的电荷泵输出电流，直到消除锁相环系统的输出相噪曲线中的相噪鼓包为止，此时将在设定的反馈分频器13的反馈分频系数下的输出作为锁相环系统的输出。优选的，该设定的反馈分频器的反馈分频系数为1 17。本发明第二实施例，以一个选定芯片组成的特定锁相环系统为例，采用IOOMHz恒温晶振作为高稳定、低相噪参考；采用一个具有调节电荷泵输出电流功能的小数分频锁相环芯片HMC700，其参考分频器的参考分频系数设定值范围为R = 1 16383，反馈分频器的反馈分频系数包括整数分频系数部分和小树分频系数部分，其中小数分频系数设定值范围为 Nfrac = 0 (224-1)；采用 Z communications 公司的 V600ME20-LF 作为 VC0,其 2GHz 载波偏离IMHz处相噪小于_135dBc/Hz。本发明的低相噪小步进频综实现方法，具体过程如下Sl 首先在锁相环系统中建立一个可锁定的三阶低通滤波器，如图4所示。具体的，将一个三阶低通滤波器接入锁相环系统，通过观察相噪分析仪(也可以通过频谱仪的相噪测试功能观看)上显示的锁相环系统的输出相噪曲线，看是否满足低相噪条件，低相噪条件是指在低通滤波器的截止频率处没有相噪鼓包(phase noise hump)，且在低通滤波器的截止频率以内的相噪值比根据锁相环芯片的归一化噪声基底计算出来的理论值相差不超过20dB，若不满足，则更换三阶滤波器的元件，主要是对三阶滤波器中的电容电阻值进行微调，直到满足低相噪条件为止，此时即确定出一个较合适的锁相环系统低通滤波器。 满足低相噪条件的该低通滤波器具有如下特征环路带宽大致为1. 2倍的最佳理论环路带宽，最佳理论环路带宽是锁相环环路带宽内相噪与VCO相噪相等时的偏移值，例如锁相环环路带宽内相噪为-109dBc/Hz，而VCO在偏离载波200kHz处的相噪为-llOdBc/Hz，则最佳理论环路带宽为200kHz。本步骤中，三阶低通滤波器还可以如图5(a)所示的二级低通滤波器或如图5(b)所示的四阶低通滤波器代替。S2:实现锁相环系统小步进频率输出。具体的，通过调节参考分频器的参考分频系
5数设定值和反馈分频器的反馈分频系数设定值，来实现整个锁相环环路的小步进。其最终输出由公式⑴决定
权利要求
1.一种低相噪小步进频综实现方法，锁相环系统包括锁相环芯片、低通滤波器和压控振荡器，锁相环芯片中包括参考分频器、鉴相器和反馈分频器，其特征在于，所述方法包括将恒温晶振的输出作为参考信号输入锁相环系统，并选择一个满足低相噪条件的低通滤波器作为锁相环系统中的低通滤波器；将所述低通滤波器的阶数增加到四阶，并使第四阶的电阻电容乘积与第三阶的电阻电容乘积匹配，且第四阶的电容值大于10倍压控振荡器的压控端寄生电容；调节锁相环系统中锁相环芯片的电荷泵输出电流的大小，直到消除锁相环系统的输出相噪曲线中的相噪鼓包为止，此时将在设定的反馈分频器的反馈分频系数下的输出作为锁相环系统的输出。
2.根据权利要求1所述的低相噪小步进频综实现方法，其特征在于，所述低相噪条件， 具体包括锁相环系统的输出相噪曲线稳定的表现出在低通滤波器的截止频率处没有相噪鼓包，且在低通滤波器的截止频率以内的相噪值比根据锁相环芯片的归一化噪声基底计算出来的理论值相差不超过20dB。
3.根据权利要求1所述的低相噪小步进频综实现方法，其特征在于，所述第四阶的电阻电容乘积与第三阶的电阻电容乘积匹配，具体包括第四阶的电阻电容乘积是第三阶的电阻电容乘积的1 1. 5倍。
4.根据权利要求1所述的低相噪小步进频综实现方法，其特征在于，所述锁相环芯片为 HMC700、HMC704 或 ADF4350。
5.根据权利要求4所述的低相噪小步进频综实现方法，其特征在于，所述设定的反馈分频器的反馈分频系数为1 17。
6.根据权利要求1所述的低相噪小步进频综实现方法，其特征在于，所述锁相环系统中的压控振荡器为Z communications公司的V600ME20-LF芯片。
7.根据权利要求1所述的低相噪小步进频综实现方法，其特征在于，所述低通滤波器为二阶、三阶或者四阶低通滤波器。
全文摘要
本发明公开了一种低相噪小步进频综实现方法，该方法包括将恒温晶振的输出作为参考信号输入锁相环系统，并选择一个满足低相噪条件的低通滤波器作为锁相环系统中的低通滤波器；将所述低通滤波器的阶数增加到四阶，并使第四阶的电阻电容乘积与第三阶的电阻电容乘积匹配，且第四阶的电容值大于10倍压控振荡器的压控端寄生电容；调节锁相环系统中锁相环芯片的电荷泵输出电流，直到消除锁相环系统的输出相噪曲线中的相噪鼓包为止，此时将在设定的反馈分频器的反馈分频系数下的输出作为锁相环系统的输出。本发明经过实验验证，可在不用DDS作参考的情况下，不间断的实现2MHz步进，保证相噪平稳过渡。
文档编号H03L7/18GK102420606SQ201110369118
公开日2012年4月18日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者冯伟, 刘金川, 史浩, 王凯 申请人:北京航天测控技术有限公司