模拟鉴相器与数字鉴频器合作捕获的低相噪频率合成器

1.本发明属于频率合成技术领域，更为具体地讲，涉及一种模拟鉴相器与数字鉴频器合作捕获的低相噪频率合成器。


背景技术：

2.锁相时钟技术是指通过锁相环路来获取高精度的时钟信号。随着数字通信系统的发展，高精度的时钟与锁相环应用愈广。例如为相干解调提取参考载波、建立位同步等都离不开锁相环的应用。在电子仪器方面，锁相环在频率合成器和相位计等仪器中起了重要作用。时至今日，锁相环除了传统应用，还被广泛应用于高精度时钟源的制造中。在电子信息化建设中，投入到长期使用的设备往往都需要依赖一个专门的时钟电路；但这些时钟在独立运行的过程中，各自独立运行的时钟往往会产生不同的误差，随着时间的积累，各设备之间的误差也会越来越大。为了解决这个问题，高精度时钟源技术也就应运而生，基于锁相环的高精度时钟源也被提出。
3.锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环(pll)。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。锁相环通常由鉴相器(pd)、环路滤波器(lf)和压控振荡器(vco)三部分组成。
4.锁相环根据其不同的结构可以分为模拟结构锁相环、全数字结构锁相环和数模混合锁相环。本发明中所采取的主要是模拟锁相环，其主要由鉴相器，电荷泵，环路滤波器，压控振荡器和n分频器组成。
5.鉴相器是使输出电压与两个输入信号之间的相位差有确定关系的电路。表示其间关系的函数称为鉴相特性。鉴相器是锁相环的基本部件之一，也用于调频和调相信号的解调。常见的鉴相特性有余弦型、锯齿型与三角型等。鉴相器可以分为模拟鉴相器和数字鉴相器两种。由数字鉴相器组成的锁相环通常捕获带宽较宽，能够正常工作的鉴相频率也相对较低；与之相对的，模拟鉴相器可鉴相频率相对较高，但是其捕获带宽往往很窄。
6.环路滤波器是拥有某种特定滤波特性的滤波器，锁相环的环路特性取决于滤波器的特性。滤波器的输出作为压控振荡器输入电压改变其输出频率，压控振荡器是锁相环中的重要模块，其谐振信号性能决定了锁相环输出信号的性能。分频器构成锁相环的反馈回路，受限于鉴相器的工作频率，压控振荡器的输出高频信号需要经过分频器分频降到较低的频率，以便鉴相器能将其与参考时钟进行比较。
7.随着技术发展的进步，现实中使用的时钟和本振信号频率也越来越高，当使用频段上升到吉赫兹量级及以上的时候，传统的数字鉴相器实现困难，模拟鉴相器鉴相范围很窄，都逐渐失去其原有的应用价值。因此，一款用于较高频段且环路捕获与同步精度足够高的锁相环便有其应用价值。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种模拟鉴相器与数字鉴频器合作捕获的低相噪频率合成器，结合模拟鉴相器与数字鉴频鉴相器进行捕获并且最终进入同步状态，从而获得高精度低相噪的锁相信号。
9.为实现上述发明目的，本发明一种模拟鉴相器与数字鉴频器合作捕获的低相噪频率合成器，其特征在于，包括：倍频电路、数字鉴频鉴相器锁相环、模拟鉴相器锁相环、多路选择模块和压控振荡器；
10.所述倍频电路由两个串联的倍频器组成，两倍频器的倍频参数分别为n和m；频率为fc、固有频差为δω0的参考信号先通过n倍的倍频器进行倍频处理后输入至数字鉴频鉴相器锁相环，再通过m倍的倍频器进行倍频处理后输入至模拟鉴相器锁相环；其中，输入至数字鉴频鉴相器锁相环的参考信号的频率为f’c
＝n*fc，输入至模拟鉴相器锁相环的参考信号的频率为f”c
＝m*n*fc；
11.所述数字鉴频鉴相器锁相环的最大捕获带宽为δω'
p
，其结构具体包括数字鉴频鉴相器、第二环路滤波器和高倍率分频器，其作用是完成初步的捕获过程，使得数字鉴频鉴相器锁相环的频差控制在模拟鉴相器的锁定范围内；
12.初步捕获的具体过程为：首先将频率为f’c
的输入信号送入数字鉴频鉴相器锁相环，数字鉴频鉴相器将对输入信号以及经过高倍率分频器的压控振荡器输出的反馈信号作差，得到频差δω、相位差δθ；其中，频差δω直接输入至多路选择器，相位差δθ通过数字鉴频鉴相器输出为一个误差电压δud，误差电压δud再经过第二环路滤波器滤波处理得到控制电压uc，最后控制电压uc经过多路选择器的控制后输入至压控振荡器，压控振荡器产生频率偏移的振荡信号并作为数字鉴频鉴相器的反馈信号，在此过程中，振荡信号的振荡频率与输入信号的频率及相位之间的差异逐渐减小，而多路选择器将不断对频差δω进行判断，当频差δω收敛到小于δω”p
时，多路选择器将会切换到模拟鉴相器锁相环；
13.所述模拟鉴相器锁相环的最大捕获带宽为δω”p
，其结构具体包括模拟鉴相器、第一环路滤波器和低倍率分频器，其作用是完成最终捕获以及同步；
14.最终捕获以及同步的具体过程为：当多路选择器切换到模拟鉴相器锁相环后，首先将频率为f”c
的输入信号送入模拟鉴相器锁相环，模拟鉴相器将输入信号以及经过低倍率分频器的压控振荡器输出的反馈信号作差，得到频差、相位差；其中，频差直接输入至多路选择器，相位差通过模拟鉴相器输出为一个误差电压，误差电压再经过第一环路滤波器滤波处理得到控制电压，最后控制电压经过多路选择器的控制后输入至压控振荡器，压控振荡器产生频率偏移的振荡信号并作为模拟鉴相器的反馈信号，在此过程中，多路选择器将不断对频差进行判断，以跟踪锁相环收敛状态，直至频率合成过程完成，而振荡信号的振荡频率往靠近输入信号的方向偏移，使其与输入信号的频率及相位之间的差异最终趋向于零，从而输出高精度低相噪的锁相信号，至此，频率合成的过程也得以完成；
15.所述多路选择模块主要用于实现数字鉴频鉴相器锁相环与模拟鉴相器锁相环之间的切换过程；初始时刻，多路选择模块默认切换在数字鉴频鉴相器锁相环；
16.所述压控振荡器用于接收经过多路选择器选择后的控制电压，并且调整自身的振
荡频率，再反馈至多路选择器。
17.本发明的发明目的是这样实现的：
18.本发明一种模拟鉴相器与数字鉴频器合作捕获的低相噪频率合成器，首先通过两个串联的倍频器将输入的参考信号倍频到所需频段，并且从不同倍频器的输出端获得所需的不同频段信号；频率合成时，多路选择器将模拟鉴相器锁相环路关闭，打开数字鉴频鉴相器锁相环路，将第一个倍频器输出的频段较低的信号以及压控振荡器的反馈信号输出送至数字鉴频鉴相器中进行初步的捕获，当进入模拟锁相环的锁相范围的时，多路选择器控制关闭数字鉴频鉴相器锁相环路，打开模拟鉴相器锁相环路，将第二个倍频器输出的频段较高的信号以及压控振荡器的反馈信号输出送至模拟鉴相器锁相环路中继续进行捕获并最终进入同步状态，从而获得高精度低相噪的锁相信号。
19.同时，本发明一种模拟鉴相器与数字鉴频器合作捕获的低相噪频率合成器还具有以下有益效果：
20.(1)、本发明在模拟鉴相器锁相环路以及数字鉴频鉴相器锁相环路中复用一个压控振荡器，体现了低成本的特点；
21.(2)、本发明采用两个倍频器解决了模拟鉴相器与数字鉴频鉴相器的鉴相频段不同多带来的矛盾，使得不同的鉴相器可以复用于同一电路中；
22.(3)、本发明引入多路选择器，使得合成器在频率合成过程中在满足一定的条件下实现模拟鉴相器与数字鉴频鉴相器间的切换，从而使得整个回路的捕获过程更加稳定；
23.(4)、本发明采用模拟鉴相器与数字鉴频鉴相器相结合的结构，既发挥出数字鉴频鉴相器捕获带宽宽，模拟鉴相器捕获精度高的优势，又规避了数字鉴频鉴相器无法在高频段工作的缺点以及模拟鉴相器由于捕获带宽不足导致的环路无法锁定的问题。
附图说明
24.图1是本发明一种模拟鉴相器与数字鉴频器合作捕获的低相噪频率合成器原理图。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
26.实施例
27.图1是本发明一种模拟鉴相器与数字鉴频器合作捕获的低相噪频率合成器原理图。
28.在本实施例中，如图1所示，本发明一种模拟鉴相器与数字鉴频器合作捕获的低相噪频率合成器，包括：倍频电路、数字鉴频鉴相器锁相环、模拟鉴相器锁相环、多路选择模块和压控振荡器；
29.倍频电路由两个串联的倍频器组成，两倍频器的倍频参数分别为n和m；频率为fc、固有频差为δω0的参考信号先通过n倍的倍频器进行倍频处理后输入至数字鉴频鉴相器锁相环，再通过m倍的倍频器进行倍频处理后输入至模拟鉴相器锁相环；其中，输入至数字
鉴频鉴相器锁相环的参考信号的频率为f’c
＝n*fc，输入至模拟鉴相器锁相环的参考信号的频率为f”c
＝m*n*fc；
30.在本实施例中，第一个倍频器输出频段较低的信号，第二个倍频器输出频段较高的信号，从不同倍频器的输出端获得所需的不同频段信号；
31.数字鉴频鉴相器锁相环的最大捕获带宽为δω'
p
，如图1所示，其结构具体包括数字鉴频鉴相器、第二环路滤波器和高倍率分频器，其作用是完成初步的捕获过程，使得数字鉴频鉴相器锁相环的频差控制在模拟鉴相器的锁定范围内；在本实施例中，高倍率分频器的分频倍数为k*m；
32.初步捕获的具体过程为：首先将频率为f’c
的输入信号送入数字鉴频鉴相器锁相环，数字鉴频鉴相器将对输入信号以及经过高倍率分频器的压控振荡器输出的反馈信号作差，得到频差δω、相位差δθ；其中，频差δω直接输入至多路选择器，相位差δθ通过数字鉴频鉴相器输出为一个误差电压δud，误差电压δud再经过第二环路滤波器滤波处理得到控制电压uc，该电压的大小决定了压控振荡器的振荡频率，最后控制电压uc经过多路选择器的控制后输入至压控振荡器，压控振荡器产生频率偏移的振荡信号并作为数字鉴频鉴相器的反馈信号，在此过程中，振荡信号的振荡频率与输入信号的频率及相位之间的差异逐渐减小，而多路选择器将不断对频差δω进行判断，当频差δω收敛到小于δω”p
时，多路选择器将会切换到模拟鉴相器锁相环；
33.所述模拟鉴相器锁相环的最大捕获带宽为δω”p
，如图1所示，其结构具体包括模拟鉴相器、第一环路滤波器和低倍率分频器，其作用是完成最终捕获以及同步；在本实施例中，低倍率分频器的分频倍数为k；
34.最终捕获以及同步的具体过程为：当多路选择器切换到模拟鉴相器锁相环后，首先将频率为f”c
的输入信号送入模拟鉴相器锁相环，模拟鉴相器将输入信号以及经过低倍率分频器的压控振荡器输出的反馈信号作差，得到频差、相位差；其中，频差直接输入至多路选择器，相位差通过模拟鉴相器输出为一个误差电压，误差电压再经过第一环路滤波器滤波处理得到控制电压，最后控制电压经过多路选择器的控制后输入至压控振荡器，压控振荡器产生频率偏移的振荡信号并作为模拟鉴相器的反馈信号，在此过程中，多路选择器将不断对频差进行判断，以跟踪锁相环收敛状态，直至频率合成过程完成，而振荡信号的振荡频率往靠近输入信号的方向偏移，使其与输入信号的频率及相位之间的差异最终趋向于零，从而输出高精度低相噪的锁相信号，至此，频率合成的过程也得以完成；
35.在本实施例中，固有频差δω0、数字鉴频鉴相器锁相环的最大捕获带宽δω'
p
以及模拟鉴相器锁相环的最大捕获带宽δω”p
满足：δω'
p
＞δω0＞δω”p
；
36.多路选择模块主要用于实现数字鉴频鉴相器锁相环与模拟鉴相器锁相环之间的切换过程；初始时刻，多路选择模块默认切换在数字鉴频鉴相器锁相环；
37.压控振荡器用于接收经过多路选择器选择后的控制电压，并且调整自身的振荡频率，再反馈至多路选择器。
38.综述，低相噪频率合成器能够对参考信号进行高精度低相噪的锁定，再将锁定后的信号通过接口输出给外部电路。
39.尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

技术特征：
1.一种模拟鉴相器与数字鉴频器合作捕获的低相噪频率合成器，其特征在于，包括：倍频电路、数字鉴频鉴相器锁相环、模拟鉴相器锁相环、多路选择模块和压控振荡器；所述倍频电路由两个串联的倍频器组成，两倍频器的倍频参数分别为n和m；频率为f
c
、固有频差为δω0的参考信号先通过n倍的倍频器进行倍频处理后输入至数字鉴频鉴相器锁相环，再通过m倍的倍频器进行倍频处理后输入至模拟鉴相器锁相环；其中，输入至数字鉴频鉴相器锁相环的参考信号的频率为f
′
c
＝n*f
c
，输入至模拟鉴相器锁相环的参考信号的频率为f
″
c
＝m*n*f
c
；所述数字鉴频鉴相器锁相环的最大捕获带宽为δω
′
p
，其结构具体包括数字鉴频鉴相器、第二环路滤波器和高倍率分频器，其作用是完成初初步的捕获过程，使得数字鉴频鉴相器锁相环的频差控制在模拟鉴相器的锁定范围内；初步捕获的具体过程为：首先将频率为f
′
c
的输入信号送入数字鉴频鉴相器锁相环，数字鉴频鉴相器将对输入信号以及经过高倍率分频器的压控振荡器输出的反馈信号作差，得到频差δω、相位差δθ；其中，频差δω直接输入至多路选择器，相位差δθ通过数字鉴频鉴相器输出为一个误差电压δu
d
，误差电压δu
d
再经过第二环路滤波器滤波处理得到控制电压u
c
，最后控制电压u
c
经过多路选择器的控制后输入至压控振荡器，压控振荡器产生频率偏移的振荡信号并作为数字鉴频鉴相器的反馈信号，在此过程中，振荡信号的振荡频率与输入信号的频率及相位之间的差异逐渐减小，而多路选择器将不断对频差δω进行判断，当频差δω收敛到小于δω
″
p
时，多路选择器将会切换到模拟鉴相器锁相环；所述模拟鉴相器锁相环的最大捕获带宽为δω
″
p
，其结构具体包括模拟鉴相器、第一环路滤波器和低倍率分频器，其作用是完成最终捕获以及同步；最终捕获以及同步的具体过程为：当多路选择器切换到模拟鉴相器锁相环后，首先将频率为f
″
c
的输入信号送入模拟鉴相器锁相环，模拟鉴相器将输入信号以及经过低倍率分频器的压控振荡器输出的反馈信号作差，得到频差相位差其中，频差直接输入至多路选择器，相位差通过模拟鉴相器输出为一个误差电压误差电压再经过第一环路滤波器滤波处理得到控制电压最后控制电压经过多路选择器的控制后输入至压控振荡器，压控振荡器产生频率偏移的振荡信号并作为模拟鉴相器的反馈信号，在此过程中，多路选择器将不断对频差进行判断，以跟踪锁相环收敛状态，直至频率合成过程完成，而振荡信号的振荡频率往靠近输入信号的方向偏移，使其与输入信号的频率及相位之间的差异最终趋向于零，从而输出高精度低相噪的锁相信号，至此，频率合成的过程也得以完成；所述多路选择模块主要用于实现数字鉴频鉴相器锁相环与模拟鉴相器锁相环之间的切换过程；初始时刻，多路选择模块默认切换在数字鉴频鉴相器锁相环；所述压控振荡器用于接收经过多路选择器选择后的控制电压，并且调整自身的振荡频率，再反馈至多路选择器。2.根据权利要求1所述的一种模拟鉴相器与数字鉴频器合作捕获的低相噪频综器，其特征在于，所述固有频差δω0、数字鉴频鉴相器锁相环的最大捕获带宽δω
′
p
以及模拟鉴相器锁相环的最大捕获带宽δω
″
p
满足：δω
′
p
＞δω0＞δω
″
p
。

技术总结
本发明公开了一种模拟鉴相器与数字鉴频器合作捕获的低相噪频率合成器，首先通过两个串联的倍频器将输入的参考信号倍频到所需频段，并且从不同倍频器的输出端获得所需的不同频段信号；频率合成时，多路选择器将模拟鉴相器锁相环路关闭，打开数字鉴频鉴相器锁相环路，将第一个倍频器输出的频段较低的信号以及压控振荡器的反馈信号输出送至数字鉴频鉴相器中进行初步的捕获，当进入模拟锁相环的锁相范围的时，多路选择器控制关闭数字鉴频鉴相器锁相环路，打开模拟鉴相器锁相环路，将第二个倍频器输出的频段较高的信号以及压控振荡器的反馈信号输出送至模拟鉴相器锁相环路中继续进行捕获并最终进入同步状态，从而获得高精度低相噪的锁相信号。度低相噪的锁相信号。度低相噪的锁相信号。


技术研发人员：杨远望 罗鼎 焦利彬 邓建华 游长江 朱学勇
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2021.12.13
技术公布日：2022/3/8