[发明专利]带前馈的高稳定频率合成器环路

说明书

本发明一般地涉及电压控制振荡器设计领域，尤其涉及用于这种振荡器的高稳定频率合成器环路，它使用锁相技术提供一个高稳定调谐窗口和高调制带宽。本发明还涉及一种用在卫星和地面微波接收机的调谐器与时钟恢复电路中的高稳定合成器环路。

一种大家知道的卫星QPSK接收机101的典型方框图示于图1。输入的QPSK载波用950-1450MHz频段。调谐器使用一个合成式本地振荡器(L0)102和一个混频器来选择出所需要的信道并产生一个810MHz的第一中频(IF)。中心定在810MHz的信号被滤波器104滤波并在混频器106中与880MHz L0105混频产生最终的70MHz IF。最终IF信号被滤波器107滤波，然后用一个90度相移解调器(示作108、109、110和111)解调。载波恢复鉴相器113使用解调出的同相信号I和90度相移信号确定70MHz L0和输入的70MHz IF信号之间的相位误差。环路滤波器114对相位误差求积分并送到880MHz的电压控制振荡器(VCO)105的控制输入端。反馈信号将系统推向相差等于零的锁定状态。载波恢复鉴相器113可以是一个标准的4相科斯塔斯环路型检波器。

图1所示的系统有下面的问题。880MHz VCO105在设计上具有矛盾的约束因素。在载波所占的带宽仅为卫星转发器带宽的一小部份的应用场合，希望限制VCO105的调谐范围。限制调谐范围有助于防止科斯塔斯环路假锁在正确的载波上或者锁定在错误的载波上。但是，调谐范围又必须大到足以补偿输入载波频率中的漂移，例如，用于将输入信号转换到L频段的低噪声部件降频变换器(未示出)就可能随着温度的变化而表现出一个几MHz的漂移。

为了有效地工作，图1中的880MHz VCO105需要一个±2.5MHz的调谐范围。如果这5MHz调谐窗口保持中心定在仅有500KHz漂移的880MHz的状态，则需要一个拥有大约0.05％或者百万分之500(PPM)左右的稳定性的VCO。这个稳定性水平很难(如果不是不可能的话)在所要求的温度范围内用变容管调谐的LC振荡器达到。

VCO的其他应用也具有类似要求。例如，图4示出一个锁相环路时钟恢复电路的已知结构。输入数据的相位通过一个专门设计的时钟恢复鉴相器402与电压控制晶体振荡器(VCXO，404)的相位比较。检出的相位差送到时钟恢复环路滤波器403，后者对相位差进行积分。然后，环路滤波器的输出被用来调整VCXO404的频率，使之匹配输入数据的相位和频率。这种系统由于只能在一个窄比特率范围内恢复时钟而具有有限的应用。如果需要不同的比特率，就必须使用一个与新比特率匹配的VCXO。

锁相环路的其他已知结构包括那些在叙述用于双端口锁相环路补偿电路的美国专利No.4,743,867；叙述使用一个改进型基准相位调制器的二端口合成器调制系统的美国专利No.4,755,774；以及叙述带有导频锁定的边带接收机的美国专利No.5,109,531中所说的结构。但是，这些锁相环路PLL中没有一个针对上面参照图1和4叙述的稳定性问题。

根据本发明的高稳定频率合成器环路克服了已知的诸电压控制振荡器(VCO)技术所遇到的问题并被用来稳定VCO的输出。根据本发明的频率合成器环路为一个紧密控制的调谐范围和一个宽调制带宽创造了条件。根据本发明的频率合成器环路在通信接收机例如卫星和地面微波接收机的调谐器与时钟恢复电路中都具有应用。

根据本发明的频率合成器环路通过将VCO锁相到一个高稳定的电压控制晶体振荡器而获高稳定性。总的调谐范围通过限制频率合成器PLL中的分频数值而以数字的方法控制。用于VCO的合成输出的高调制带宽则通过使用前馈达到。