引用本文

王李飞, 张宁, 彭子健, 薛沛祥, 李维亮. 一种超低相位噪声频率合成源方案设计. 自动化学报, 2017, 43(12): 2225-2231. doi: 10.16383/j.aas.2017.c160162

WANG Li-Fei, ZHANG Ning, PENG Zi-Jian, XUE Pei-Xiang, LI Wei-Liang. A Ultralow-phase-noise Scheme for Frequency Synthesizer. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2017, 43(12): 2225-2231. doi: 10.16383/j.aas.2017.c160162

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.2017.c160162

关键词

频率合成源，锁相环，极高分辨率，超低相位噪声 

摘要

频率合成源是射频发生和频谱分析中最重要的组成之一，评价合成源性能指标的是输出信号的相位噪声、杂散、频率分辨率和频率切换时间.本文通过分析传统锁相环原理，提出一种通用的超低相位噪声合成源设计方案（带宽100MHz以内）.在锁相环基础上，通过引入直接数字合成（Direct digital synthesizer，DDS）混频鉴相技术，使得到的射频信号理论值达到0.1mHz的频率分辨率，同时将带内相位噪声指标优化17dB以上.新方案同时兼顾了杂散和频率切换时间指标，保障合成源的输出信号稳定可靠，使其在自动测试领域拥有广阔的应用前景.

文章导读

随着芯片集成度的提高以及测量仪器的发展, 对频率合成源的频段、相位噪声、频率切换时间、频率分辨率等指标的要求不断提高.在目前的高性能频率合成源研发中, 通常引入低相噪的窄带源与锁相环中压控振荡器的反馈信号进行混频鉴相优化输出信号的相位噪声指标, 其中的窄带源信号采用锁相环的方式获得[1].这种方法虽然可以一定程度的优化输出信号的相位噪声指标, 但是因为锁相环路自身引入的数字噪声, 导致整体方案的近端相噪优化幅度并不大, 而且无法从根本上获得超低的相位噪声指标.

目前的频率合成源信号通常会采用直接数字合成(Direct digital synthesizer, DDS)方式获得超高的频率分辨率指标, 主要是将DDS合成的超高分辨率的低频信号作为参考信号, 直接送入锁相环路中, 通过R分频后进行环路鉴相[2].因为DDS自身的量化误差和DAC (Digital to analog converter)误差会导致杂散信号过多, 同时近端相噪指标相对于参考晶振指标会严重恶化, 导致锁相环路的参考信号相噪指标恶化, 最终的输出信号相噪指标变差.所以该方案无法兼顾信号的相位噪声指标.

本文介绍的合成源方案, 环路中通过引入DDS和超低相噪的点频源进行混频鉴相, 在兼顾环路锁相时间和输出信号杂散等指标的前提下, 获得一种通用的超低相位噪声和超高频率分辨率的高频合成源信号, 使得最终的输出信号相噪指标相对于传统方案优化17 dB, 同时频率分辨率理论值达0.1 mHz.

图 1  锁相环电路结构框图

图 2  传递参数频域特性

图 3  锁相环中各输入信号相噪谱表现

本文提出的超低相位噪声合成源方案, 通过在传统的锁相环反馈回路中, 引入高纯度的信号F_X参与混频鉴相, 将输出信号近端的相噪指标提高了17 dB, 同时因引入DDS进行频率合成, 在兼顾频率切换时间和相噪等指标的前提下, 将输出信号F_O的频率分辨率理论值提高到0.1 mHz.最终整个电路并没有因为引入DDS、F_X等信号混频鉴相而造成过多的杂散信号, 新方案保证了输出信号极高的频谱纯度.

作者简介

张宁

中国电子科技集团公司第四十一研究所高级工程师.2001年获得山东大学电力学院学士学位.主要研究方向为微波测量仪器.E-mail:zn_1014@163.com

彭子健 

中国电子科技集团公司第四十一研究所工程师.2007年获得西安交通大学电信学院学士学位.主要研究方向为软件开发与设计.E-mail:zijian1100@163.com

薛沛祥 

中国电子科技集团公司第四十一研究所工程师.2011年获得北京航空航天大学自动化与电气工程学院硕士学位.主要研究方向为小信号测量技术和控制工程.E-mail:xuepeixiang@163.com

李维亮 

中国电子科技集团公司第四十一研究所工程师.2013年获大连理工大学控制理论与控制工程专业硕士学位.主要研究方向为射频电路设计.E-mail:wei.liang123456@163.com

王李飞 

中国电子科技集团公司第四十一研究所工程师.2012年获得山东大学控制科学与工程学院学士学位.主要研究方向为微波毫米波高性能宽带合成源设计.本文通信作者.E-mail:wanglifei0200@126.com