一种应用于GNSS的低相位噪声双频频率合成器

摘要

本发明公开了一种应用于GNSS的低相位噪声双频频率合成器，包括鉴频鉴相器，通过鉴频鉴相器比较电压控制振荡器产生的信号与参考信号，电荷泵对低通环路滤波器进行充放电，低通环路滤波器控制压控振荡器，压控振荡器输出信号经第一分频器分频，鉴频鉴相器比较分频后的信号与参考信号，形成闭环，合成第一种频率；利用所述第二分频器对压控振荡器的输出信号分频，分频后的信号经过第二移相电路、第二信号正交化电路、波形转换电路与压控振荡器的输出信号经第一移相电路、第一信号正交化电路通过所述混频器得到第二种频率，第二种频率经所述带通滤波器输出。本发明使双频频率合成器具有较低的相位噪声和较低的功耗。

说明书

技术领域

本发明涉及频率合成器领域，尤其涉及一种应用于GNSS的低相位噪声双频频率合成器。

背景技术

双模双频GNSS接收机由于工作频带和兼容的导航系统的数量增加，功耗也相应变大。作为接收机中的关键模块，频率综合器发挥着至关重要的作用，其功耗及精度直接关系到整个系统的功耗水平和性能。目前模拟集成电路设计中有2种基本的频率合成方法：直接频率合成和间接频率合成(又称锁相频率合成)。基于锁相环结构的频率综合器具有结构简单、低成本、高性能的优点，是目前应用最广泛的本振信号产生方式。典型的模拟锁相环由压控振荡器、线性低通滤波器、分频器、电荷泵和鉴频鉴相器组成。

传统的双频频率综合器内部包含两个锁相环，每个锁相环内都有一个压控振荡器。压控振荡器工作在最高频率，是射频系统中功耗大且噪声敏感的元件，两个压控振荡器的存在会增加功耗、恶化相位噪声性能。因此GNSS双频频率合成器存在合并锁相环从而降低功耗的需求。

发明内容

为了克服现有技术上的不足，本发明的目的是提供一种应用于GNSS的低相位噪声双频频率合成器，以实现合并锁相环从而降低功耗的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种应用于GNSS的低相位噪声双频频率合成器，包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路低通滤波器、压控振荡器、第一分频器、第二分频器、第二移相电路、第二信号正交化电路、波形转换电路、第一移相电路、第一信号正交化电路、混频器、带通滤波器；其中：

所述鉴频鉴相器带两个输入端口，其中一个输入端口输入参考信号，另一个端口与第一分频器的输出端连接，鉴频鉴相器用于比较分频后的信号与参考信号的频率差和相位差，根据差值产生对应的电压信号控制电荷泵的通断；

所述电荷泵与鉴频鉴相器的输出端连接，电荷泵根据电压信号对低通环路滤波器进行充放电，从而产生控制压控振荡器的电压；

所述环路低通滤波器的输入端连接电荷泵的输出端，进行充放电，环路低通滤波器的输出端连接压控振荡器的输入端，提供稳定变化的电压控制振荡频率；

所述压控振荡器根据环路低通滤波器输出的电压控制振荡频率，输出本振信号；

所述第一分频器的输入端接压控振荡器的输出端，将本振信号分频后输出到鉴频鉴相器；

所述第二分频器的输入端接压控振荡器的输出端，输出端接第二移相电路的输入端，第二移相电路的输出端接第二信号正交化电路的输入端，第二信号正交化电路的输出端接波形转换电路的输入端，第二分频器将本振信号分频后输入第二移相电路产生相位差为90°的两组信号，第二信号正交化电路将两组信号去除各自正交信号中重叠的部分，波形转换电路将第二信号正交化电路输出的正弦信号转换为方波；

所述第一移相电路的输入端接压控振荡器的输出端，输出端接第一信号正交化电路的输入端，本振信号经过第一移相电路产生相位差为90°的两组信号，第一信号正交化电路将两组信号去除各自正交信号中重叠的部分；

所述混频器的输入端分别接波形转换电路的输出端、第一信号正交化电路的输出端，混频器将经过第一移相电路移相、第一信号正交化电路正交化处理的本振正弦信号和经波形转换电路得到的方波信号混频，输入带通滤波器；

所述带通滤波器滤除混频后信号中的杂波，输出第二种频率的信号。

进一步地，所述压控振荡器目标频点附近相位噪声小于-115dBc/Hz@1MHz。

进一步地，所述混频器目标频点附近相位噪声小于-115dBc/Hz@1MHz。

进一步地，所述第二分频器采用高频条件下的正交分频结构。

进一步地，所述混频器包括第一输入端口LOp1、第二输入端口LOn1、第三输入端口LOp2、第四输入端口LOn2、第五输入端口RFp1、第六输入端口RFn1、第七输入端口RFp2、第八输入端口RFn2、第一输出端口Ifp、第二输出端口Ifn、第一固定电容C1、第二固定电容C2、电感L、第一N型金属晶体氧化物晶体管M1、第二N型金属晶体氧化物晶体管M2、第三N型金属晶体氧化物晶体管M3、第四N型金属晶体氧化物晶体管M4、第五N型金属晶体氧化物晶体管M5、第六N型金属晶体氧化物晶体管M6、第七N型金属晶体氧化物晶体管M7、第八N型金属晶体氧化物晶体管M8、第九N型金属晶体氧化物晶体管M9、第十N型金属晶体氧化物晶体管M10、第十一N型金属晶体氧化物晶体管M11、第十二N型金属晶体氧化物晶体管M12；其中：

所述第二N型金属晶体氧化物晶体管M2的栅极接第一输入端口LOp1，第二N型金属晶体氧化物晶体管M2的漏极接第一输出端口IFp，第二N型金属晶体氧化物晶体管M2的源极接第一N型金属晶体氧化物晶体管M1的漏极；第一N型金属晶体氧化物晶体管M1的栅极接第五输入端口RFp1，第一N型金属晶体氧化物晶体管M1的源极接地，第一N型金属晶体氧化物晶体管M1的漏极接第三N型金属晶体氧化物晶体管M3的源极；第三N型金属晶体氧化物晶体管M3的栅极接第二输入端口LOn1，第三N型金属晶体氧化物晶体管M3的漏极接第二输出端口IFn；第四N型金属晶体氧化物晶体管M4的栅极接第二输入端口LOn1，第四N型金属晶体氧化物晶体管M4的漏极接第一输出端口IFp，第四N型金属晶体氧化物晶体管M4的源极接第六N型金属晶体氧化物晶体管M6的漏极，第六N型金属晶体氧化物晶体管M6的栅极接第六输入端口RFn1，第六N型金属晶体氧化物晶体管M6的源极接地，第六N型金属晶体氧化物晶体管M6的漏极接第五N型金属晶体氧化物晶体管M5的源极；第五N型金属晶体氧化物晶体管M5的栅极接第一输入端口LOp1，第五N型金属晶体氧化物晶体管M5的漏极接第二输出端口IFn；第八N型金属晶体氧化物晶体管M8的栅极接第三输入端口LOp2，第八N型金属晶体氧化物晶体管M8的漏极接第二输出端口Ifn，第八N型金属晶体氧化物晶体管M8的源极接第七N型金属晶体氧化物晶体管M7的漏极，第七N型金属晶体氧化物晶体管M7的栅极接第七输入端口RFp2，第七N型金属晶体氧化物晶体管M7的源极接地，第七N型金属晶体氧化物晶体管M7的漏极接第九N型金属晶体氧化物晶体管M9的源极，第九N型金属晶体氧化物晶体管M9的栅极接第四输入端口LOn2，第九N型金属晶体氧化物晶体管M9的漏极接第一输出端口IFp；第十N型金属晶体氧化物晶体管M10的栅极接第四输入端口LOn2，第十N型金属晶体氧化物晶体管M10的漏极接第二输出端口Ifn，第十N型金属晶体氧化物晶体管M10的源极接第十二N型金属晶体氧化物晶体管M12的漏极；第十二N型金属晶体氧化物晶体管M12的栅极接第八输入端口RFn2，第十二N型金属晶体氧化物晶体管M12的源极接地，第十二N型金属晶体氧化物晶体管M12的漏极接第十一N型金属晶体氧化物晶体管M11的源极；第十一N型金属晶体氧化物晶体管M11的栅极接第三输入端口LOp2，第十一N型金属晶体氧化物晶体管M11的漏极接第一输出端口IFp；第一电容C1一端接电源，另一端接第二输出端口IFn；第二电容C2一端接电源，另一端接第一输出端口IFp；电感L一端接第一输出端口IFp，另一端接第二输出端口IFn。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下效果：

本发明的低相位噪声双频频率合成器利用内部模块的结构创新降低了相位噪声，采用直接频率合成和间接频率合成相结合的实施方案降低了系统功耗，对于现有技术可以得到功耗和相噪性能上的改进。

附图说明

图1为本发明的应用于GNSS的低相位噪声双频频率合成器的模块框图；

图2为本发明的应用于GNSS的低相位噪声双频频率合成器的一个实施例的混频器电路图；

图3为本发明的应用于GNSS的低相位噪声双频频率合成器的一个实施例的第一本振频率输出相位噪声图；

图4为本发明的应用于GNSS的低相位噪声双频频率合成器的一个实施例的第二合成频率输出的相位噪声图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种应用于GNSS的低相位噪声双频频率合成器，包括鉴频鉴相器1、电荷泵2、环路低通滤波器3、压控振荡器4、第一分频器5、第二分频器6、第二移相电路7、第二信号正交化电路8、波形转换电路9、第一移相电路10、第一信号正交化电路11、混频器12、带通滤波器13。

鉴频鉴相器1带两个输入端口，其中一个输入端口输入参考信号，另一个端口与第一分频器5的输出端连接，电荷泵2与鉴频鉴相器1的输出端连接，环路低通滤波器3的输入端连接电荷泵2的输出端，环路低通滤波器3的输出端连接压控振荡器4的输入端，第一分频器5的输入端接压控振荡器4的输出端，第二分频器6的输入端接压控振荡器4的输出端，第二分频器6的输出端接第二移相电路7的输入端，第二移相电路7的输出端接第二信号正交化电路8的输入端，第二信号正交化电路8的输出端接波形转换电路9的输入端，第一移相电路10的输入端接压控振荡器4的输出端，第一移相电路10的输出端接第一信号正交化电路11的输入端，混频器12的输入端分别接波形转换电路9的输出端、第一信号正交化电路11的输出端，混频器12的输出端接带通滤波器13的输入端。

本实施例中，参考信号源产生参考信号fref与压控振荡器4产生、经第一分频器5分频后的fdiv通过鉴频鉴相器1比较，产生UP或DOWN信号控制电荷泵2对环路低通滤波器3进行充电或放电，环路低通滤波器3产生连续变化的电压控制压控振荡器4调整振荡产生信号的频率和相位，从而得到合成信号1。压控振荡器4产生的信号分别输入第二分频器6和第一移相电路10，第二分频器6分频后的信号输入第二移相电路7得到相位差为90°的两组信号，第二信号正交化电路8将两组信号去除各自正交信号中重叠的部分，波形转换电路9将第二信号正交化电路8输出的正弦信号转换为方波，合成信号1经过第一移相电路10产生相位差为90°的两组信号，第一信号正交化电路11将两组信号去除各自正交信号中重叠的部分，混频器12将经过移相、正交化处理的合成信号1和经第二分频器6、第二移相电路7、第二信号正交化电路8、波形转换电路9得到的方波信号混频，输入带通滤波器13，带通滤波器13滤除混频后信号中的杂波，输出合成信号2。

压控振荡器相位噪声性能较好，目标频点附近相位噪声小于-115dBc/Hz@1MHz。

混频器相位噪声性能较好，目标频点附近相位噪声小于-115dBc/Hz@1MHz。

第二分频器采用高频条件下的正交分频结构，保证输出信号频率的准确性。

低相位噪声双频频率综合器在产生合成信号2的电路结构中，采用第一移相电路、第二移相电路对信号进行相位调整。

低相位噪声双频频率综合器在产生合成信号2的电路结构中，采用第一信号正交化电路、第二信号正交化电路避免了分频和移相后的正交信号出现重叠。

低相位噪声双频频率综合器在产生合成信号2的电路结构中，采用波形转换电路将输入混频器的射频信号转换为方波信号。

如图2所示，混频器包括第一输入端口LOp1、第二输入端口LOn1、第三输入端口LOp2、第四输入端口LOn2、第五输入端口RFp1、第六输入端口RFn1、第七输入端口RFp2、第八输入端口RFn2、第一输出端口Ifp、第二输出端口Ifn、第一固定电容C1、第二固定电容C2、电感L、第一N型金属晶体氧化物晶体管M1、第二N型金属晶体氧化物晶体管M2、第三N型金属晶体氧化物晶体管M3、第四N型金属晶体氧化物晶体管M4、第五N型金属晶体氧化物晶体管M5、第六N型金属晶体氧化物晶体管M6、第七N型金属晶体氧化物晶体管M7、第八N型金属晶体氧化物晶体管M8、第九N型金属晶体氧化物晶体管M9、第十N型金属晶体氧化物晶体管M10、第十一N型金属晶体氧化物晶体管M11、第十二N型金属晶体氧化物晶体管M12；其中：

第二N型金属晶体氧化物晶体管M2的栅极接第一输入端口LOp1，第二N型金属晶体氧化物晶体管M2的漏极接第一输出端口IFp，第二N型金属晶体氧化物晶体管M2的源极接第一N型金属晶体氧化物晶体管M1的漏极；第一N型金属晶体氧化物晶体管M1的栅极接第五输入端口RFp1，第一N型金属晶体氧化物晶体管M1的源极接地，第一N型金属晶体氧化物晶体管M1的漏极接第三N型金属晶体氧化物晶体管M3的源极；第三N型金属晶体氧化物晶体管M3的栅极接第二输入端口LOn1，第三N型金属晶体氧化物晶体管M3的漏极接第二输出端口IFn；第四N型金属晶体氧化物晶体管M4的栅极接第二输入端口LOn1，第四N型金属晶体氧化物晶体管M4的漏极接第一输出端口IFp，第四N型金属晶体氧化物晶体管M4的源极接第六N型金属晶体氧化物晶体管M6的漏极，第六N型金属晶体氧化物晶体管M6的栅极接第六输入端口RFn1，第六N型金属晶体氧化物晶体管M6的源极接地，第六N型金属晶体氧化物晶体管M6的漏极接第五N型金属晶体氧化物晶体管M5的源极；第五N型金属晶体氧化物晶体管M5的栅极接第一输入端口LOp1，第五N型金属晶体氧化物晶体管M5的漏极接第二输出端口IFn；第八N型金属晶体氧化物晶体管M8的栅极接第三输入端口LOp2，第八N型金属晶体氧化物晶体管M8的漏极接第二输出端口Ifn，第八N型金属晶体氧化物晶体管M8的源极接第七N型金属晶体氧化物晶体管M7的漏极，第七N型金属晶体氧化物晶体管M7的栅极接第七输入端口RFp2，第七N型金属晶体氧化物晶体管M7的源极接地，第七N型金属晶体氧化物晶体管M7的漏极接第九N型金属晶体氧化物晶体管M9的源极，第九N型金属晶体氧化物晶体管M9的栅极接第四输入端口LOn2，第九N型金属晶体氧化物晶体管M9的漏极接第一输出端口IFp；第十N型金属晶体氧化物晶体管M10的栅极接第四输入端口LOn2，第十N型金属晶体氧化物晶体管M10的漏极接第二输出端口Ifn，第十N型金属晶体氧化物晶体管M10的源极接第十二N型金属晶体氧化物晶体管M12的漏极；第十二N型金属晶体氧化物晶体管M12的栅极接第八输入端口RFn2，第十二N型金属晶体氧化物晶体管M12的源极接地，第十二N型金属晶体氧化物晶体管M12的漏极接第十一N型金属晶体氧化物晶体管M11的源极；第十一N型金属晶体氧化物晶体管M11的栅极接第三输入端口LOp2，第十一N型金属晶体氧化物晶体管M11的漏极接第一输出端口IFp；第一电容C1一端接电源，另一端接第二输出端口IFn；第二电容C2一端接电源，另一端接第一输出端口IFp；电感L一端接第一输出端口IFp，另一端接第二输出端口IFn。

混频器采用吉尔伯特双平衡结构的变体，去除了电阻负载，以LC带通滤波器替代，滤除混频得到的杂波，直接输出合成信号2的波形。第一移相电路和第二移相电路将正负本振信号分为两个正交信号并给定直流偏压；第三移相电路和第四移相电路将分频后的正负信号分为两个正交信号并给定直流偏压；第一吉尔伯特单元将上述一组正交信号混频；第二吉尔伯特单元将另一组正交信号混频；两个混频单元将输出端口并联在带通滤波器两端输出。

双混频器需要四输入信号，将上述两信号通过移相得到f

f

如图3、图4所示为本发明的双频频率综合器两个输出信号在目标频点附近的相位噪声，压控振荡器输出的信号在合成频率1附近、在三个工艺角下的相位噪声均小于-120.512dBc/Hz@1MHz，混频器输出的信号在合成频率2附近、在三个工艺角下的相位噪声均小于-120.512dBc/Hz@1MHz。从图中可以看出，该频率合成器具有较好的相位噪声性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。