基于相干锁相环的多载波产生

根据以上分析，为了研制多载波微放电测试系统，最具挑战性的任务是实现相干矢量信号发生器，其每路载波的初始相位是可重置的，从而保证每路载波的相位和其他载波的相位是相干的。本节使用相干锁相环技术来实现能够通过数字方式精确控制每路载波初始相位的多载波发生器［9］。

1.原理

现今，分数N′分频锁相环已经广泛应用于微波信号源的实现［10］。但是，传统分数N′分频锁相环的频率和相位不能独立控制［11］。最近的研究表明，可以通过循环改变分数N′锁相环分频器的控制字来实现分频器输出相位的数字控制，使得在对频率不产生任何影响的情况下实现对压控振荡器输出相位的独立控制［12］。本节将采用该技术实现不同频率载波之间的相位相干。

图6－12给出了由共用一个频率参考和一个数字控制单元的两个传统分数N′分频锁相环频率综合器组成的频率和相位控制系统的框图。每个综合器由一个鉴相器、滤波器、压控振荡器和分频器组成。实现独立相位控制的关键因素是特别设计的数字控制单元，它为不同分数N′分频锁相环提供了同步频率参考和不同的、循环改变的控制字。

图6－12　基于分数N′PLL频率综合器实现频率和相位控制原理框图

图6－13给出了数字相位控制单元的框图。该单元的输入包括频率控制字、相位精度控制字、两者相位差的控制字（Kp1和Kp2）。Kp1和Kp2首先被写入用于同步的相位重置寄存器，然后进入delta－sigma调制器，其最小时钟分辨率由相位精度控制字控制。循环改变的Kp1和Kp2分别与循环改变的频率控制字相加，然后进入不同分数N′分频锁相环的分频器。根据文献［12］，频率和相移的控制在数学上可描述为：

图6－13　数字相位控制单元实现框图

和

式中，fo为压控振荡器输出的频率；fr为参考频率；Nf，Kf和M分别为频率、相位精度控制字；Δφ为分数N′分频锁相环输出之间的相位差。如果M是常数，则可以通过独立控制Kp1和Kp2来实现对相位差Δφ的控制。

根据式（6－6），只要M的比特位数能够不断增加，相位控制精度就不存在理论限制。因此，实际中可获得的精度只受限于分频器能够工作的最高速度。文献［13］报道了一个24比特分数调制器，在50 MHz时能够提供0.002 1°的相位控制精度。因为其采用的数字控制单元可以通过可编程器件，如FPGA来实现，因此可以根据微波频率下相位控制的精度要求来设计足够宽的数字比特位数，而不受实际因素如温漂和电路噪声的影响。该技术可以很好地用于解决多载波微放电测试中的相位控制难题。

2.实验实现

图6－14给出了基于分数N′分频锁相环的相干多载波信号发生器的原理框图。对于一个N载波的信号发生器，它由N个分数N′分频锁相环及紧跟着的低通滤波器和幅度稳定电路，用于产生参考频率的温度补偿振荡器，用于缓冲和分派温度补偿振荡器信号的复杂可编程逻辑器件，用来配置分数N′分频锁相环和复杂可编程逻辑器件的微控制单元以及用于运行多载波信号理论生成模块并向微控制单元输入频率、相位、幅度等多载波信息的上机位软件的计算机组成。

图6－14　基于分数N′分频锁相环的相干多载波信号发生器的原理框图

图6－15给出了实现的UHF频段的6载波相干矢量信号源，其中，屏蔽盒由分数N′分频锁相环电路板、滤波器板以及幅度稳定电路板组成。

图6－15　基于所提出方案实现的UHF频段的6载波相干矢量信号源（见彩插）

插图是由锁相环、滤波器和自动增益控制电路组成的单路载波发生器

选用的分数N′分频锁相环的型号为ADI的ADF4351，数字相位控制单元可以简化为采用复杂可编程逻辑器件（Xilinx 95144XL）。采用内置的12比特控制字，ADF4351能够实现的最小相位控制分辨率为360°／4 096。为了控制相位噪声和抖动，选择一个高稳定度的温度补偿振荡器，型号为Rakon的RTX7050 A作为分数N′分频锁相环的频率参考。与来自USB端口的控制信号一起，采用复杂可编程逻辑器件将参考信号进一步分为6份。频率和相位的控制字通过在复杂可编程逻辑器件中编程实现的数字控制单元写入ADF4351相应的寄存器，以实现精度为0.1°的数字控制相移。该实现中采用的主要商业组件如表6－2所示。

表6－2　相干多载波信号源中采用的主要部件列表

(www.xing528.com)

续表

依赖于所采用的滤波器，实现的多载波信号源能够在45MHz～4.4GHz的宽频率范围内工作。图6－16给出了由信号源一个通道产生的2.2 GHz的正弦信号，由Tektronix WCA 230A的实时频谱分析仪显示。测量的相位噪声为1kHz时－85 dBc／Hz、10 kHz时－94 d Bc／Hz以及100 kHz时－107 dBc／Hz，满足多载波微放电测试的需求。由于波形抖动与每路载波的相位噪声直接相关，可以推断，由该多载波信号源产生的多载波信号将是非常稳定的。

图6－16　所产生正弦信号的相位噪声

图6－17给出了用于测试所实现的多载波信号源的实验装置。从信号源出来的预先定义的UHF频段6载波输出通过一个功率合成器进行合成，合成多载波信号输入具有2.5 GHz采样率的宽带示波器。

图6－17　UHF频段6载波信号源的测试和校准连接图（见彩插）

图6－18给出了同相相位和三角相位两种情况的6载波信号的幅度归一化理论计算波形，其中初始频率f1为350 MHz，频率间隔Δf为1.25 MHz。

在多载波信号发生器的实现中，不同载波间的相位延迟和幅度的不平衡将不可避免，导致产生的信号可能发生波形失真。更为重要的是，当不同的信号通过不同的功率放大器进行放大以及采用不同的电缆进行传输，均会发生相移不平衡。借助相干锁相环，该问题可通过两步校准来解决。失真的信号首先被宽带器件采集，如示波器，对失真信号进行逆傅里叶变换，这样每路载波的失真信号和预设信号之间的幅度和相位误差就可获得；然后以获得的误差对预设信号进行预失真处理，这样由各种潜在因素导致的相移和幅度的非平衡能够得到有效补偿。图6－19分别给出了校正后的与图6－18配置参数相同的同相和三角相位分布的实际多载波信号的显示结果。从图中可以看出，产生的信号几乎与预设信号相同。

图6－18　初始频率f1＝350 MHz，频率间隔Δf＝1.25 MHz的6路载波信号

（a）同相相位；（b）三角相位

图6－19　经过相位校准的多载波信号

（a）同相相位；（b）三角相位

为了测试所实现相干矢量多载波信号源的宽带信号发生能力，对f1＝350 MHz，Δf＝30 MHz的同相和三角相位分布的多载波信号进行了理论计算和信号发生。作为比较，理论计算波形和校正后波形分别如图6－20和图6－21所示。从图中可以看出，虽然相对带宽高达35.29%，实验波形也几乎与预先指定相位的多载波信号波形相同。实际大功率多载波微放电实验系统的带宽仅由大功率的多工器频带决定。

图6－20　初始频率f1＝350 MHz，频率间隔Δf＝30 MHz的6路载波信号

（a）同相相位；（b）三角相位

图6－21　经过相位校准的多载波信号

（a）同相相位；（b）三角相位

与采用货架商业微波信号源来实现的方案相比，本节基于相干锁相环技术实现的多载波信号源更为紧凑，性价比高，其性能可满足系统要求。采用该方案可以显著降低多载波微放电测试系统的费用，使普通微波实验室可以负担得起微放电实验研究。