CN101435862A - 上变频器及其信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种上变频器及其信号处理方法。该上变频器主要包括：本振频率合成器、正交调制器、功率自动增益控制模块和功率衰减模块。该信号处理方法主要包括：基于接收到的频标输入信号和设置的频率配置数据生成各种频点的本振频率，将具有该本振频率的射频本振信号和I、Q两路基带信号以正交调制的方式进行混频，获得单边带射频调制信号。对该单边带射频调制信号的功率进行自动增益控制，再进行精确功率控制。本发明实施例提供的上变频器可以输出兼容多频点的信号(比如导航信号)，并且可以在运行过程中由用户方便地实时改变输出信号的频点。

Description

上变频器及其信号处理方法

技术领域

本发明涉及电子应用领域，尤其涉及一种输出信号功率和载频频点实时可控的上变频器及其信号处理方法。

背景技术

GPS(Global Position System，全球定位系统)、GLONASS(GLobalOrbiting NAvigation Satellite System，全球轨道导航卫星系统)、GALI LEO(伽利略)和CNSS(Chinese Navigation Satellite System，中国导航卫星系统)等卫星导航系统在军用及民用领域都得到了日益广泛的应用。卫星导航系统级试验验证和接收机的研发与测试都离不开高性能的卫星导航信号模拟器。

卫星导航信号模拟器是仿真计算软件与信号发生器硬件相结合的复杂系统，上变频器是卫星导航信号模拟器中的信号发生器硬件的重要组成模块，上变频器的灵活性和性能直接影响着导航信号模拟器输出射频信号的可控性和质量，从而影响了整个卫星导航信号模拟器的功能和性能。

目前，在国内还没有成熟的输出功率和载频实时可控的导航信号模拟器上变频器产品。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种上变频器及其信号处理方法，从而填补了国内还没有成熟的输出功率和载频实时可控的导航信号模拟器上变频器产品的空白。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种上变频器，包括：

本振频率合成器，用于基于接收到的频标输入信号和设置的频率配置数据，利用锁相频率合成原理生成各种频点的本振频率，将具有该本振频率的射频本振信号传输给正交调制器；

正交调制器，用于将接收到的同向正交I、Q两路基带信号与所述射频本振信号以正交调制的方式进行混频，将获得的射频调制信号输出；

功率自动增益控制模块，用于接收正交调制器输出的射频调制信号，对该射频调制信号的功率进行自动增益控制，获得功率幅度稳定的射频信号，将该射频信号传输给功率衰减模块；

功率衰减模块，用于接收自动增益控制模块输出的射频信号，基于设置的功率控制值利用数控衰减原理对所述射频信号进行精确功率控制。

一种上变频器的信号处理方法，包括：

基于接收到的频标输入信号和设置的频率配置数据，根据锁相频率合成原理生成各种频点的本振频率，将具有该本振频率的射频本振信号和I、Q两路基带信号以正交调制的方式进行混频，获得单边带射频调制信号；

对所述单边带射频调制信号的功率进行自动增益控制，获得功率幅度稳定的射频信号，基于设置的功率控制值利用数控衰减原理对所述射频信号进行精确功率控制。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的上变频器可以输出兼容多频点的信号(比如导航信号)，并且可以在运行过程中由用户方便地实时改变输出信号的频点。

由于采用正交调制方式，在得到单边带的射频调制信号的同时，对载波信号以及下边带信号进行了有效的抑制。同时，可以基于设置的功率控制值利用数控衰减原理对输出信号进行精确功率控制。

附图说明

图1为本发明实施例提供的上变频器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种本振频率合成器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种本振频率合成器的电路原理示意图；

图4为本发明实施例提供的一种正交调制器的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种正交调制器的电路原理示意图；

图6为本发明实施例提供的一种自动增益控制模块的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种自动增益控制模块的电路原理示意图；

图8为本发明实施例提供的一种功率衰减模块的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种功率衰减模块的电路原理示意图；

图10为本发明实施例提供的一种作为主控模块的单片机的控制接口电路原理图；

图11为本发明实施例提供的一种作为主控模块的单片机的工作流程图；

图12为本发明实施例提供的上变频器的信号处理过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图来详细说明本发明，本发明实施例所述上变频器的结构示意图如图1所示，包括如下模块：本振频率合成器、正交调制器、滤波器、功率自动增益控制模块(AGC，Automatic gain control automatic volumecontrol)、功率衰减模块和主控模块。

1、本振频率合成器，用于按照主控模块写入的分频系数、倍频系数和工作模式等频率配置信息，基于接收到的频标输入信号，根据锁相频率合成原理生成各种频点的本振频率，将具有该本振频率的射频本振信号传输给正交调制器。

本发明实施例提供的一种本振频率合成器的结构如图2所示，包括小数频率合成器、环路滤波器和VCO(voltage-controlled oscillator，压控振荡器)，该小数频率合成器、环路滤波器和VCO组成一个锁相环电路，该本振频率合成器的电路原理示意图如图3所示。该本振频率合成器可以按照用户对相关寄存器的配置信息，实现各种频点的本振频率，以适应不同频点的导航信号的不同要求。

如图3所示，本振模块电路中VCC5V是由专门为VCO供电设计的超低噪声电源芯片产生的5V电源，VCC5A为给ADF4153电荷泵供电的5V电源，VCC3为ADF4153的工作电源。R35，R36，C48，C50，C54共同构成了环路滤波器。C52，C53是VCO电源的滤波电容。LO为输出的射频本振信号，10M为输入的参考频率，LE、DATA和CLK分别为单片机写频用的使能信号，数据信号和时钟信号。

小数频率合成器中包括鉴频鉴相器和除法器。其中，除法器用于给鉴频鉴相器配置射频工作频率和频点信息。鉴频鉴相器用于基于配置的频点信息，对接收到的频标输入信号进行所选择的任意倍数的频率合成，得到本振频率。

该小数频率合成器可以得到各种频点的可以是输入信号频率的任意倍数的本振频率，将给本振频率传输给环路滤波器。小数频率合成器还会带来额外的小数杂散。

如图3所示该小数频率合成器可以选用ADF4153芯片，该ADF4153芯片采用了∑-Δ噪声整形技术对产生的小数杂散进行了抑制。ADF4153内部共有4个寄存器用来分别存放分频系数、倍频系数、工作模式等必要的配置信息，该配置信息是由单片机控制模块写入的。选取较高的鉴相频率获得对参考杂散的改善。选用低相位噪声的参考晶振以获取更低的本振相位噪声。

上述小数频率合成器产生的本振频率中会包含参考杂散以及相位噪声，对于参考杂散，可以通过选取相对较高的鉴相频率和采取独立的电源为锁相环电路供电来得到改善。上述相位噪声分为低通型相位噪声和高通型相位噪声，在有用信号附近主要是低通型相位噪声。因此，需要通过计算得到环路滤波器的各元件合理的参数值，通过该环路滤波器对该相位噪声进行抑制，并将处理后的信号传输给VCO。

因为1阶和2阶的环路滤波器的边带特性不够良好，4阶以上的环路滤波器由于多极点导致稳定性不够良好，所以该环路滤波器最佳的选择是3阶滤波器。

VCO，用于根据VCO谐振点的频率，对环路滤波器输出的信号的相位噪声进行耦合，得到具有非常低的相位噪声的射频本振信号。

上述VCO可以选用V602ME-15，其典型的相位噪声指标为-73dBc@1KHz，-100dBc@10KHz，-125dBc@100KHz。

2、正交调制器，用于将接收到的I、Q(同向正交)两路基带信号与射频本振信号以正交调制的方式进行混频，将获得的射频调制信号输出。

本发明实施例提供的一种正交调制器的结构如图4所示，该正交调制器的电路原理示意图如图5所示。该正交调制器包括AD8346芯片、变压器(ETC4-1)和变压器(ETC1-1-13)。该AD8346芯片的工作频率范围为0.8GHz-2.5GHz，边带抑制能力为-46dBc@0.8GHz，-36dBc@1.9GHz。变压器(ETC4-1)接收输入的I、Q两路基带信号，并转换为差分信号后传输给AD8346芯片，变压器(ETC4-1)还隔断了直流信号的输入。变压器(ETC1-1-13)接收输入的射频本振信号，并转换为差分信号后传输给AD8346芯片。AD8346芯片将接收到的两个差分信号进行混频处理后获得射频调制信号。上述差分信号可以提高混频处理的正交精度。

如果在实际工作过程中，在两路基带信号的相位完全正交并且幅度完全一致的情况下，上述射频调制信号可满足载波及下边带抑制指标，就可以不必采用滤波器对上述射频调制信号进行滤波处理，正交调制器将得到的单边带(即上边带)的上述射频调制信号输出给功率自动增益控制模块。这在很大程度上减轻了后续电路进行射频滤波的压力，同时得到了更佳的信号质量，实现了兼容多频点的信号输出。

如果由于基带信号的正交性及幅度的一致性不是十分良好，导致射频调制信号对载波及下边带抑制度不够，则正交调制器将得到的上述射频调制信号输出给滤波器。

如图5所示，正交调制电路中R5，R6，R8-R13是用来为输入的基带信号提供直流偏置，C33，C34，C23，C24是AD8346电源的滤波电容，VCC5A为5V的电源。

3、滤波器，用于接收正交调制器输出的射频调制信号，对该射频调制信号进行载波及下边带抑制处理，将处理后的调制信号传输给功率自动增益控制模块。该滤波器为可选模块。

在实际工程中，要做到两路基带信号的相位完全正交、幅度完全一致是很困难的，这会造成在正交调制器输出的射频调制信号中含有残留的载波信号和下边带信号，并且超过了预定的载波抑制和边带抑制的指标要求，此时，就需要通过滤波器对射频调制信号进行载波及下边带抑制。

4、功率自动增益控制模块，用于接收滤波器或正交调制器输出的射频调制信号，对该射频调制信号的功率进行自动增益控制，获得功率幅度稳定的射频信号，将该射频信号传输给功率衰减模块。

在射频电路中，各种元件对温度的变化以及干扰噪声等都极为敏感，这些以及输入基带信号的幅度抖动都会造成上述调制信号功率的变化。为了实现对输出信号的精确功率控制，必须在功率衰减之前得到一个功率幅度稳定的信号，所以要在滤波之后设置功率自动增益控制电路模块。

本发明实施例提供的一种自动增益控制模块的结构如图6所示，包括：VGA(variable gain amplifier，可变增益放大器)、控制电压产生电路、比较器、LPF(Low Pass Filter，低通功能滤波器)和电平检波器，该自动增益控制模块的电路原理图如图7所示。

上述VGA、控制电压产生电路、比较器、LPF和电平检波器组成一个环路，电平检波器获取VGA的输出信号，将该输出信号传输给LPF，LPF对该传输信号进行低通滤波处理后传输给比较器。比较器将LPF传输过来的信号和接收到的参考信号进行比较，将比较结果传输给控制电压产生电路，控制电压产生电路产生控制信号并传输给VGA。该控制信号可以用来自动调节VGA的放大倍数，从而使VGA输出的射频信号的功率幅度保持稳定。

图7中的AD8361为电平检波器，用于根据当前的射频信号功率输出相应的电压信号。LT1783为放大器，用于将电平检波器的输出电压放大到适合VGA的范围。RA1为可调电阻，用于调整放大器的放大倍数。VGA的输入输出信号都是差分形式，T5用于将输入信号单端转差分，T4用于将输出信号差分转单端。0.1uF和100pF的电容为电源滤波电容。

上述AD8361芯片主要应用于发射功率控制，频率响应范围是0.1-2.5GHz，输入范围最高可达30dB，线性和频率稳定度较好(14dB范围内的误差为±0.25dB，23dB范围内的误差为±1dB)。上述VGA可以选用ADL5330芯片，该ADL5330芯片是一种能提供1MHz～3GHz宽频带，具有以dB为单位呈线性增益控制范围的单片VGA，它集成了宽带放大器和衰减器，极大地节省了印制电路板面积，减少了元器件数量，从而降低了成本。ADL5330芯片具有60dB动态增益和衰减范围(约+20dB增益和40dB衰减)，22dBm输出功率水平(1dB压缩点)以及在1GHz频率和8dB噪声系数(NF)下具有+31dBm输出三阶截点(OIP3)。

经实际调试，上述图7所示的电路可以保证在输入变化50dBm的范围内变化输出基本保持稳定。

5、功率衰减模块，用于接收自动增益控制模块输出的射频信号，利用数控衰减芯片实现对该射频信号的精确功率控制。

本发明实施例提供的一种功率衰减模块的结构示意图如图8所示，包括两个固定衰减器和两个数控衰减器，该功率衰减模块的电路原理图如图9所示。

如图9所示，DAT-31R5-PP是数控衰减器，LAT-20是固定衰减器。其中，固定衰减器用于对接收到的射频信号实现固定幅度的衰减，数控衰减器用于按照设定的步进精度，对接收到的射频信号实现和主控模块传输过来的功率控制值对应的功率衰减幅度。

每个固定衰减器可以实现20dB的衰减量。数控衰减器可以选用DAT-31R5-PP，DAT-31R5-PP的步进精度为0.5dB，可以实现1-31.5dB的衰减量，所以最终的信号输出功率范围是-40dBm～-103dBm。

6、主控模块，具有可以与上位机通信的I2C接口，通过与上位机进行通信，获得用户输入的频率配置数据和功率控制值，将所述频率配置数据传输给本振频率合成器，将所述功率控制值传输给功率衰减模块。从而实现实时地改变输出信号的中心频率。

上述上变频器的各个模块可以分别装入不同的金属腔中，避免了各部分射频信号的相互干扰，保证了输出信号的质量。

上述上变频器的各个模块中的数字器件和模拟器件可以分开供电，尤其是VCO采用独立的超低噪声电源芯片供电。

本发明实施例所述上变频器也是软件与硬件相结合的成果，所设计的功能的实现同样离不开软件程序的控制。上述主控模块可以为单片机，该单片机一方面负责与上位机通信，获取用户对信号频点、输出信号功率等的配置信息，并且将这些信息翻译成各执行芯片所需要的配置数据。然后，将给配置数据按照既定的方式写入各执行芯片。

本发明实施例提供的一种作为主控模块的单片机的控制接口电路原理图如图10所示。其中，VCC5D是为单片机供电的5V电源，10uF、0.1uF、和100pF的电容为电源滤波电容，CLK(mcu)、DATA(mcu)和LE(mcu)是单片机向ADF4153写频的时钟线、数据线和时能信号线。管脚MOSI、RST、SCK、MISO和VTREF是单片机ISP编程下载管脚，管脚TCK、TDO、TMS、TDI和VTREF是单片机JTAG仿真测试管脚。SCL、SDA分别是与上位机I2C接口的时钟线和数据线。。

本发明实施例提供的一种作为主控模块的单片机的工作流程图如图11所示，具体处理过程如下：首先，程序要进行初始化，对I\O接口进行使用声明，然后，对本振频率合成器中的频率合成器写入预设的频率值，对功率衰减模块中的数控衰减器写入预设的功率控制值。之后，单片机等待上位机发出中断信号，如果收到中断信号则接受上位机的配置信息，并把这些配置信息转换成相应的寄存器值写入到频率合成器和数控衰减器；如果没有收到上位机的中断信号则继续等待。

由于本发明实施例所述装置工作在射频频段，必须要考虑到射频电路的一些特殊问题。第一，走线的阻抗匹配问题，射频电路对于阻抗的匹配要求很严格，如果阻抗不匹配会造成信号的反射，输出信号的质量会严重下降，本发明实施例中选择的阻抗值为50欧姆。第二，射频信号的屏蔽。如果不采取相应措施，各部分的射频信号将不可避免的互相干扰，本发明实施例中电路采用模块化设计，将不同模块的电路分别封装在不同的金属腔之中，避免了信号的相互干扰。第三，对模拟器件和数字器件分别提供独立的电源，降低数字器件对模拟信号的干扰。尤其是对VCO提供独立的超低噪声电源，这样可以使锁相环输出更好的射频本振信号。另外在制作本上变频器的电路板的时候还考虑了信号走线避免出现90°的拐角，选用了信号泄露较小的板基材质。

本发明实施例提出的上变频器的信号处理方法的处理流程如图12所示，包括如下步骤：

步骤12-1、根据锁相频率合成原理生成各种频点的本振频率，得到射频本振信号。

根据用户的要求，预先设置分频系数、倍频系数和工作模式等频率配置信息和功率控制值。

接收作为参考信号的频标输入信号，利用上述设置的频率配置信息，根据锁相频率合成原理生成各种频点的本振频率，得到具有该本振频率的射频本振信号。

在上述生成本振频率的过程中，可以利用鉴频鉴相器和除法器，该鉴频鉴相器和除法器组成一个小数频率合成器。除法器可以给鉴频鉴相器配置射频工作频率和频点信息，鉴频鉴相器可以基于配置的频点信息，对接收到的频标输入信号进行所选择的任意倍数的频率合成，得到需要的本振频率。因此，该本振频率可以兼容多种频点，其频率可以是参考信号的频率的任意倍。

步骤12-2、对射频本振信号和基带信号以正交调制的方式进行混频，获得射频调制信号。

通过变压器将I、Q两路基带信号转换为差分信号，同时，通过变压器将上述射频本振信号转换为差分信号。

接收上述两个差分信号，以正交调制的方式将该两个差分信号进行混频，获得射频调制信号。

如果在实际工作过程中，在I、Q两路基带信号的相位完全正交并且幅度完全一致的情况下，上述射频调制信号可满足载波及下边带抑制指标，就可以不必采用滤波器对上述射频调制信号进行滤波处理，此时，上述射频调制信号为单边带(即上边带)的信号。

如果由于基带信号的正交性及幅度的一致性不是十分良好，导致上述射频调制信号对载波及下边带抑制度不够，则需要通过滤波器对上述射频调制信号的载波及下边带进行抑制，得到单边带的射频调制信号。

步骤12-3、对射频调制信号的功率进行自动增益控制，然后，基于设置的功率控制值利用数控衰减原理对所述射频信号进行精确功率控制。

对上述单边带的射频调制信号的功率进行自动增益控制，获得功率幅度稳定的射频信号，该自动增益控制模块在输入的信号的功率幅度变化50dbm的范围内，其输出信号功率幅度保持稳定。

然后，基于预先设置的功率控制值，利用数控衰减原理对所述射频信号进行精确功率控制。

在对上述射频信号进行精确功率控制的过程中，可以利用固定衰减器和数控衰减器。其中，固定衰减器可以对接收到的射频信号实现固定幅度的衰减，数控衰减器可以按照设定的步进精度，对接收到的射频信号实现和所述设置的功率控制值对应的功率衰减幅度。

上述本发明实施例所述的本上变频器可以应用于卫星导航系统中的导航信号模拟器中。

综上所述，本上变频器可以实现兼容多频点的射频信号输出(比如GPS-L1、GALILEO等导航信号)，并且可以在运行过程中随意改变输出信号的频点。射频本振信号的相位噪声指标可以达到-70dBc@10Hz，-80dBc@100Hz，-85dBc@1KHz，-90dBc@10KHz。

由于采用正交调制方式，在得到上边带信号的同时，对载波信号以及下边带信号的输出抑制达到了40dB以上。由于使用了数控衰减芯片，可以精确实现步进为0.5dBm功率控制，输出信号功率变化范围为-40dBm～-103dBm，输出信号功率幅度稳定。

整个上变频器的电路采用模块化布局，最终各模块的电路装入金属的腔中，降低了各部分信号之间的相互干扰。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1、一种上变频器，其特征在于，包括：

本振频率合成器，用于基于接收到的频标输入信号和设置的频率配置数据，利用锁相频率合成原理生成各种频点的本振频率，将具有该本振频率的射频本振信号传输给正交调制器；

正交调制器，用于将接收到的同向正交I、Q两路基带信号与所述射频本振信号以正交调制的方式进行混频，将获得的射频调制信号输出；

功率自动增益控制模块，用于接收正交调制器输出的射频调制信号，对该射频调制信号的功率进行自动增益控制，获得功率幅度稳定的射频信号，将该射频信号传输给功率衰减模块；

功率衰减模块，用于接收自动增益控制模块输出的射频信号，基于设置的功率控制值利用数控衰减原理对所述射频信号进行精确功率控制。

2、根据权利要求1所述的上变频器，其特征在于，所述的上变频器还包括：

主控模块，用于通过与上位机进行通信，接收用户输入的频率配置数据和功率控制值，将所述频率配置数据传输给本振频率合成器，将所述功率控制值传输给功率衰减模块。

3、根据权利要求1所述的上变频器，其特征在于，所述的上变频器还包括：

滤波器，用于接收正交调制器输出的射频调制信号，对该射频调制信号进行载波及下边带抑制处理，将处理后的射频调制信号传输给功率自动增益控制模块。

4、根据权利要求1或2或3所述的上变频器，其特征在于，所述的本振频率合成器包括：

小数频率合成器、环路滤波器和压控振荡器，所述小数频率合成器、环路滤波器和压控振荡器组成一个锁相环电路。

5、根据权利要求1所述的上变频器，其特征在于，所述的正交调制器包括：

变压器，用于将接收到的I、Q两路基带信号和射频本振信号转换成差分信号。

6、根据权利要求1所述的上变频器，其特征在于，所述的功率衰减模块包括：

固定衰减器，用于对接收到的射频信号实现固定幅度的衰减；

数控衰减器，用于按照设定的步进精度，对接收到的射频信号实现和设置的功率控制值对应的功率衰减幅度。

7、根据权利要求2所述的上变频器，其特征在于，所述的主控模块包括：单片机。

8、根据权利要求1所述的上变频器，其特征在于：

所述的本振频率合成器、正交调制器、功率自动增益控制模块和功率衰减模块采用模块化设计分别装入不同的金属腔中，并且这些模块中的数字器件和模拟器件分开供电。

9、一种上变频器的信号处理方法，其特征在于，包括：

基于接收到的频标输入信号和设置的频率配置数据，根据锁相频率合成原理生成各种频点的本振频率，将具有该本振频率的射频本振信号和I、Q两路基带信号以正交调制的方式进行混频，获得单边带射频调制信号；

对所述单边带射频调制信号的功率进行自动增益控制，获得功率幅度稳定的射频信号，基于设置的功率控制值利用数控衰减原理对所述射频信号进行精确功率控制。

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