CN101621301A - 宽带数字监测接收机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种宽带数字监测接收机，能对接收的信号进行预选滤波和低噪声放大，能有效提升接收信号动态范围；本发明的目的是这样实现的，宽带数字监测接收机，包括预选器单元，对天线接收的宽带信号进行选择性滤波和低噪声放大；前端单元，将选择性滤波和低噪声放大后的信号转换为中频信号；以及数字处理单元，对中频信号进行数字化处理。
Description
技术领域
本发明涉及无线电技术领域，具体涉及一种宽带数字监测接收设备。
背景技术
随着多载波技术和软件无线电技术的应用，宽带数字检测接收设备将广泛应用于现代通信系统，但目前国内使用的便携式无线电监测设备多为国外进口低端接收机和频谱分析仪，进口低端接收机普遍存在动态范围小、测试精度低、扫描速度慢、虚假信号多的问题；频谱分析仪由于无预选器及信号识别功能，存在动态范围小，无法进行信号识别的问题。
发明内容
有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提供了一种宽带数字监测接收机，能对接收的信号进行预选滤波和低噪声放大，能有效提升动态范围。
本发明的目的是这样实现的，宽带数字监测接收机，包括
预选器单元，对天线接收的宽带信号进行选择性滤波和低噪声放大；
前端单元，将选择性滤波和低噪声放大后的信号转换为中频信号；以及
数字处理单元，对中频信号进行数字化处理。
进一步，所述前端单元包括
前端控制器；
第一本振源、第二本振源和第三本振源，根据前端控制器的控制指令，提供三种不同频率的本振信号；以及
中频模块，根据前端控制器的控制指令和三个本振源的本振信号，对接收预选器单元输出的宽带信号进行三次变频，输出中频信号；
进一步，所述中频模块输出的中频信号频率为10.7MHz。
进一步，所述第一本振源输出频率为4329.8-7929.7MHz的本振信号，所述第二本振源输出频率为4100MHz的本振信号，所述第三本振源输出频率为219MHz的本振信号；所述中频模块包括三个中频混频器，其中第一中频混频器接收预选器单元输出的信号，与第一本振源混频输出频率为4329.7MHz的第一中频信号；其中第二中频混频器接收第一中频信号，与第二本振源混频输出频率为229.7MHz的第二中频信号；其中第三中频混频器接收第二中频信号，与第三本振源混频输出频率为10.7MHz的中频信号；
进一步，所述预选器单元包括第一开关矩阵电路、第二开关矩阵电路、至少一个子频段滤波器、至少一个放大器以及低通滤波器，所述第一开关矩阵电路根据所接受的宽带信号的不同频率，选择不同的子频段滤波器滤波，再通过相应频率的放大器进行低噪声放大，最后通过第二开关矩阵电路合路后通过低通滤波器输出；
进一步，所述预选器单元还包括衰减电路，所述预选器单元接收的宽带信号电平大于-15dBm时，所述第一开关矩阵电路将宽带信号划分到衰减电路，衰减后通过第二开关矩阵电路合路后通过低通滤波器输出；
进一步，所述数字处理单元包括
A/D转换模块，将中频信号转换为数字中频信号；
数字数字下变频处理模块，将A/D转换模块转换输出的数字中频信号进行数字下变频处理，转换为正交的IQ零中频信号；
抽取滤波处理模块，对数字下变频处理后的信号进行抽取滤波；以及
快速傅立叶变换处理模块，对抽取滤波后的信号进行快速傅立叶变换；
进一步，还包括模拟解调处理模块，接收抽取滤波后的信号进行模拟解调；
进一步，所述数字下变频处理模块、抽取滤波处理模块、快速傅立叶变换处理模块和/或模拟解调处理模块通过一现场可编程门阵列实现；
进一步，还包括一通用数字信号处理器，作为现场可编程门阵列的协处理器。
本发明的宽带数字监测接收机，通过预选滤波和低噪声放大，使本发明的设备具有较高的线性、较大的动态范围、较快的扫描速度、虚假信号少、功耗低、性价比高等优点。
附图说明
图1是本发明宽带数字监测接收机的系统结构示意图；
图2是本发明宽带数字监测接收机中预选器的结构示意图；
图3是本发明宽带数字监测接收机中前端单元的结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
参见图1，本实施例的宽带数字监测接收机包括前面板单元1、预选器单元2、前端单元3、数字处理单元4和后面板单元5，其中前面板单元1上设置有显示器11、键盘、旋钮等输入设备12、第一天线口13、开关14和音频输出口15，后面板单元5包括LAN口、USB口、电源输入、RS232接口、中频信号输出接口、天线选择开关、后面板接口板，还可在后面板单元5设置备用的第二天线接口和第三天线口。
参见图2，所述预选器单元2用于对天线接收的宽带信号进行选择性滤波和低噪声放大，包括第一开关矩阵电路21、第二开关矩阵电路22、14个子频段滤波器23。6个放大器24、1个低通滤波器25以及1个固定衰减片26，所述预选器单元接收的信号电平小于或等于-15dBm时，所述第一开关矩阵电路21根据所接受的宽带信号的不同频率，将宽带信号划分到相应频率的子频段滤波器23进行选择滤波，再通过相应频率的放大器24进行低噪声放大，最后通过第二开关矩阵电路合路后通过低通滤波器25输出；所述预选器单元接收的信号电平大于-15dBm时，所述第一开关矩阵电路将宽带信号划分到30dB固定衰减片(ATT)26，衰减后通过第二开关矩阵电路合路后通过低通滤波器直接输出。上述子频段皆按亚倍频程分段，使得设备具备较好的选择性，较高的中频、镜频抑制能力。
参见图1、3，所述前端单元3用于将选择性滤波和低噪声放大后的信号转换为中频信号，由于中频信号频率的选取非常重要，本实施例综合用户需求及对虚假信号、镜频信号、中频信号的抑制要求，采用三次变频方案，选取了合理的中频频率与本振频率；具体的，所述前端单元3包括前端控制器31、第一本振源32、第二本振源33、第三本振源34和中频模块35，这三个本振源根据前端控制器31的控制指令，提供三种不同频率的本振信号，其中所述第一本振源输32出频率为4329.8-7929.7MHz的本振信号，所述第二本振源33输出频率为4100MHz的本振信号，所述第三本振源34输出频率为219MHz的本振信号，参见图1，所述中频模块35具体包括依次连接的第一中频混频器351、第二中频混频器352和第三中频混频器353，在第一中频混频器351和第二中频混频器352之间还设置有滤波器354和放大器355，在第二中频混频器352和第三中频混频器353之间还设置有滤波器356，第三中频混频器353的输出端还连接有滤波器358；所述中频模块35，根据前端控制器31的控制指令和三个本振源的本振信号，对接收预选器单元输出的宽带信号进行三次变频，输出中频信号，具体的，其中第一中频混频器351接收预选器单元输出的信号，与第一本振源32固定差频出频率为4329.7MHz的第一中频信号，所述第一中频信号经过滤波和放大后，输入第二中频混频器352，所述第二中频混频器352与第二本振源33固定差频出频率为229.7MHz的第二中频信号，所述第二中频信号经过滤波后，输入第三中频混频器353，第三中频混频器353与第三本振源34固定差频出频率为10.7MHz的中频信号；所述前端单元3还包括数字时钟源36，根据根据前端控制器31的控制指令，输出61.44MHz的时钟信号，此外，前端控制器31也提供100MHz的自检信号作为频率校准信号。
参见图1，所述数字处理单元4包括大范围可变增益放大器(AGC)41、A/D转换模块42、现场可编程门阵列(FPGA)43和数字信号处理器(DSP)44，所述大范围可变增益放大器(AGC)41对前端单元3输出的中频信号进行放大，并经过一抗混叠滤波器(ADC)45滤波后输入A/D转换模块42进行模数转换，输出宽带数字信号；考虑到信号处理的实时性和快速性，本实施例采用软件无线电技术，通过现场可编程门阵列(FPGA)43和数字信号处理器(DSP)44实现数字下变频处理、抽取滤波处理、快速傅立叶变换(FFT)处理和模拟解调处理，本实施例选取了CycloneIII系列型号为3C120F780C8的FPGA，该器件资源丰富，具有12万门的LE，片内存储器接近4Mbit，并且具有576个DSP单元。另外该器件功耗低，满足设计要求，在现场可编程门阵列(FPGA)43中设置以下模块：
数字数字下变频处理(DDC)模块，将A/D转换模块转换输出的数字中频信号进行数字下变频处理，转换为正交的IQ零中频信号，由于采用软件设计，因此设计灵活，更改方便；
抽取滤波处理模块，经过数字下变频处理后的数据速率较高，不满足频谱显示要求，因此要经过多级抽取滤波器进行抽取滤波，抽取滤波器最大抽取倍数15000倍，以满足频谱显示需求；
快速傅立叶变换处理模块，对抽取滤波后的信号进行快速傅立叶变换，输出到显示器进行频谱显示；以及
解调和音频滤波处理模块，接收抽取滤波后的信号进行解调和音频滤波；本实施例考虑到需要频谱显示和解调同时进行，因此，对信号的解调和音频滤波也采用FPGA完成，解调方式有AM、FM、CW、USB、LSB、PULSE等方式，然后根据音频带宽经过数字滤波器送入后级音频放大器。
所述A/D转换模块42的作用是将模拟信号转换成数字信号，由A/D转换芯片实现。根据奈奎斯特采样定理，采样率fs必须大于信号带宽BW的两倍，即fs≥2BW。本设计中频率范围为5.7MHz～15.7MHz(中心频率10.7MHz)，因此选择A/D芯片的最高采样率必须大于31.4MHz。A/D转换后理想的信噪比表达式为：SNR＝6.02*n+1.76dB+10lg[fs/2BW]，式中SNR为信噪比，n为A/D转换器的转换位数，fs为采样率，BW为输入模拟信号带宽。根据公式可知如果要得到较大的动态范围(＞70dB)，就需要选择12bit或者大于12bit的A/D转换器。另外由公式还可以发现由于中频输入带宽BW是不可变的，要提高SNR还可以增大A/D转换器的采样率fs。结合上述因素本方案选择了ADI公司生产的AD9245-80。具体指标n为14bit，最高采样率80Msps。在80Msps采样率下，信噪比可达72.7dBc，动态范围可达92.06dBc，而功耗最大才366mW。
所述数字信号处理器(DSP)44作为FPGA的协处理器，完成部分ITU的测试功能，包括模拟调制方式的自动识别，FM调制频偏的测量，AM调幅信号的调制度的测量，以及3dB，6dB和26dB带宽的测量。DSP在接收到指标测试或解调方式为开时，接收由FPGA发送过来的IQ数据和FFT数据。DSP对IQ数据通过运算，根据瞬时幅度谱密度最大值，瞬时相位非线性分量绝对值的标准偏差，谱对称性等特征值确定接收到的信号的调制方式。然后根据判决出来的调制方式如果是FM就计算频偏，如果是AM计算调制度，再利用FFT信息计算3种带宽，最后处理显示。
本实施例中各单元模块的控制可通过数字处理单元4完成，也可单独设置一ARM主控制器6来实现，各单元模块通过汇流板7，以总线模式与ARM主控制器6实现数据交换，在主控制器6内，设置有总线控制器61和语音模块62。
本实施例的宽带数字监测接收机频率范围可达到100kHz～3.6GHz；镜频抑制≥75dB，典型值90dB；中频抑制≥90dB，典型值100dB；射频信号输入线性动态范围-120dBm～0dBm；扫描速度优于6GHz/s；此外由于采用集成化、模块化设计，体积较小(314×220×125mm3)，重量轻(小于5.5kg)，可作为便携式宽带数字监测接收机使用，提供RS232、网口、USB等接口，可与上位机或其它设备交换数据。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的技术思想和方案范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.宽带数字监测接收机，其特征在于：包括
预选器单元，对天线接收的宽带信号进行选择性滤波和低噪声放大；
前端单元，将选择性滤波和低噪声放大后的信号转换为中频信号；以及
数字处理单元，对中频信号进行数字化处理；
2.如权利要求1所述的宽带数字监测接收机，其特征在于：所述前端单元包括
前端控制器；
第一本振源、第二本振源和第三本振源，根据前端控制器的控制指令，提供三种不同频率的本振信号；以及
中频模块，根据前端控制器的控制指令和三个本振源的本振信号，对接收预选器单元输出的宽带信号进行三次变频，输出中频信号。
3.如权利要求2所述宽带数字监测接收机，其特征在于：所述中频模块输出的中频信号频率为10.7MHz。
4.如权利要求3所述宽带数字监测接收机，其特征在于：所述第一本振源输出频率为4329.8-7929.7MHz的本振信号，所述第二本振源输出频率为4100MHz的本振信号，所述第三本振源输出频率为219MHz的本振信号；所述中频模块包括三个中频混频器，其中第一中频混频器接收预选器单元输出的与第一本振源混频输出频率为4329.7MHz的第一中频信号；其中第二中频混频器接收第一中频信号，与第二本振源混频输出频率为229.7MHz的第二中频信号；其中第三中频混频器接收第二中频信号，与第三本振源混频输出频率为10.7MHz的中频信号。
5.如权利要求1至4中任一项所述宽带数字监测接收机，其特征在于：所述预选器单元包括第一开关矩阵电路、第二开关矩阵电路、至少一个子频段滤波器、至少一个放大器以及低通滤波器，所述第一开关矩阵电路根据所接受的宽带信号的不同频率，选择不同的子频段滤波器滤波，再通过相应频率的放大器进行低噪声放大，最后通过第二开关矩阵电路合路后通过低通滤波器输出。
6.如权利要求5所述宽带数字监测接收机，其特征在于：所述预选器单元还包括衰减电路，所述预选器单元接收的宽带信号电平大于-15dBm时，所述第一开关矩阵电路将宽带信号划分到衰减电路，衰减后通过第二开关矩阵电路合路后通过低通滤波器输出。
7.如权利要求1至4中任一项所述宽带数字监测接收机，其特征在于：所述数字处理单元包括
A/D转换模块，将中频信号转换为数字中频信号；
数字数字下变频处理模块，将A/D转换模块转换输出的数字中频信号进行数字下变频处理，转换为正交的IQ零中频信号；
抽取滤波处理模块，对数字下变频处理后的信号进行抽取滤波；以及
快速傅立叶变换处理模块，对抽取滤波后的信号进行快速傅立叶变换。
8.如权利要求7所述宽带数字监测接收机，其特征在于：还包括模拟解调处理模块，接收抽取滤波后的信号进行模拟解调。
9.如权利要求8所述宽带数字监测接收机，其特征在于：所述数字下变频处理模块、抽取滤波处理模块、快速傅立叶变换处理模块和/或模拟解调处理模块通过一现场可编程门阵列实现。
10.如权利要求9所述宽带数字监测接收机，其特征在于：还包括一通用数字信号处理器，作为现场可编程门阵列的协处理器。
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