[发明专利]一种锁相环频率合成器

说明书

技术领域

本发明属于无线电技术领域，具体涉及一种锁相环频率合成器。

背景技术

在近现代电子装备与电子系统中，频率合成技术已经成为一项不可或缺的关键技术，在各个领域都得到了十分广泛的应用。时至今日，为了满足不同的应用需求，各种各样的新型频率合成方案仍然在源源不断地涌现出来。

频率合成技术作为一项能够产生高质量正弦波的关键技术，在电子测量系统与电子设备中得到了广泛的应用。在接收机中，利用频率合成技术设计的频率源作为本地振荡器，将载波信号混频下变频为基带信号；在发射机中，频率源同样作为本振，将基带信号混频上变频，调制到载波上，然后通过天线发射到空间中；在电子测量系统中，频率源作为整个测量系统的参考信号，在实现各种信号测量的过程中起着至关重要的作用。在这些应用中，频率源的性能直接影响了整个系统和设备的性能。

在测试测量领域，以安捷伦和罗格与施瓦茨为代表的仪器仪表生产商，都在频率合成技术领域有非常深厚的技术积累。在频谱仪、信号分析仪、网络分析仪等诸多仪器仪表中，频率合成器是最为根本的核心部件。作为整个仪器设备的参考与工作时钟，不仅仅是频率分辨率和杂散抑制，工作带宽、频率转换时间、频率准确度与稳定度、相位噪声等指标的好坏都会直接影响整个仪器的测试性能，可以说没有一个性能优越的频率合成器就不可能有性能优越的测试测量设备。

总之，频率合成器作为微波射频系统的核心，其研究、设计、使用已经贯穿到整个行业的各个环节。研制更宽工作带宽、更高频率分辨率、更短频率转换时间、更高频率准确度与稳定度、更低相位噪声、更高杂散抑制、更小体积的频率合成器是整个射频微波行业的总体趋势。

对应不同的需求，频率合成技术会有各式各样的解决方案，但归根结底都是基于三种最基本的方案：直接频率合成、间接频率合成、直接数字合成。

直接频率合成(Direct Synthesis，DS)技术是最早发展起来的一项频率合成技术。用到的关键射频微波器件有混频器、倍频器、分频器、梳状谱发生器以及滤波器等。利用这些器件，将输入的参考信号进行加、减、乘、除运算，最后通过开关切换得到需要的频率信号。因为只用到一些无源的二极管器件，所以利用这种方案设计的频率合成器具有相位噪声低的特点。同时，频率切换速度仅仅依赖于开关的切换速度，可以做到纳秒级别得快速切换。但是，由于使用了混频器、倍频器、分频器、梳状谱发生器等非线性器件，输出信号中存在复杂的杂散信号。为了抑制这些杂散，需要合理规划频段，使用大量的滤波器，效果却很有限，因此直接频率合成技术具有体积大，杂散抑制差的缺点。

间接频率合成技术是一项以锁相环(Phase-Locked Loop，PLL)为核心的频率合成技术。主要部件包括：鉴频鉴相器(Phase Frequency Detector，PFD)、环路低通滤波器(Low Pass Filter，LPF)、压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator，VCO)、分频器等。利用锁相环的负反馈环路，将输出频率锁定在参考频率的N倍频。根据N的不同，可以将锁相环分为小数锁相环和整数锁相环，两者各有特点，应用于不同的场合。锁相环频率合成器的输出带宽由VCO决定，具有频带宽的优点。另外，由于锁相环对输入参考呈现低通滤波器的特性，可以通过调节环路带宽来得到很好的频谱纯度，避免了大量滤波器的使用，减小了体积。但是，由于较窄的环路带宽限制了压控振荡器电压控制端电容的充放电时间，锁相环频率合成器的转换时间相对较慢。同时，因为环路带内增加了PFD的鉴相噪声，带外相位噪声又由Q值相对较低的压控振荡器决定，所以这种方案的相位噪声指标与直接频率合成技术相比相对较差。随着锁相环技术的发展，已经发展出模拟锁相环、混合锁相环、全数字锁相环、集成锁相环和软件锁相环等不同类别的锁相环。