CN102323482B - 数字中频频谱分析仪在网络分析测量中测量相频特性的方法 - Google Patents

Abstract

数字中频频谱分析仪在网络分析测量中测量相频特性的方法。本发明在数字中频频谱分析仪中增加一个采样时钟分频控制电路，采样时钟通过此电路后产生受控的采样时钟信号1)中频采样时钟分频后作为触发信号f_触发，控制启动和停止A/D采样。2)频谱分析仪的中频信号为f_中频，当采用低通采样模式时f_触发＝f_中频/M；当采用带通采样模式时f_触发＝(f_中频-f_采样)/M，M可以选择大于等于1的任意整数。用f_触发作为开始测量f_中频的触发信号，得到稳定的相位。3)先测量输入信号相位

再测量接入被测件后的输出信号相位

减去

得到的相位差即相频特性。本发明实现了具有跟踪源的数字中频频谱分析仪可同时测量幅频特性和测量相频特性。

Description

数字中频频谱分析仪在网络分析测量中测量相频特性的方法

技术领域

本发明涉及频谱分析仪，网络分析仪技术领域。

背景技术

目前配备跟踪源的频谱分析仪具有标量网络分析仪的功能，可以测量器件的幅频特性，但不能测量器件的相频特性。这是因为相频特性的测量实际是测量被测器件输入信号和输出信号的相位差。而输入器件的正弦信号的相位是随时间周期变化的，这就要求同时测量器件输入和输出信号的相位才能得到真正的相位差。要同时测量输入和输出信号的相位至少需要两个矢量接收机。例如矢量网络分析仪测量器件传输或反射性能时需要有一个参考接收机R，传输接收机B，反射接收机A，测量时同时测量R，A，B接收机收到的信号的相位，R测量输入器件信号在测量时刻的相位，A测量从器件反射回来信号在测量时刻的相位，B测量信号通过器件后在测量时刻的相位。测量器件反射的相频特性时相位差是A-R，测量传输时的相频特性相位差是B-R。这样可以测量到稳定的相位差。

以前采用模拟中频的频谱分析仪只能测量信号的幅度不能测量信号的相位。目前国内外新型的频谱分析仪采用了数字中频技术，可以测量信号的相位。新型的数字中频频谱分析仪(包括信号分析仪)采用超外差接收将被测信号变频到频率较低的中频，采用高速模数转换器A/D对中频信号进行采样，对采样数据进行数字处理(如快速傅立叶变换FFT，离散傅立叶变换DFT等)可获得信号的幅度和相位信息。但由于只有一个接收机，即使装有跟踪源也无法同时测量被测件的输入输出信号的相位，也就无法测量器件的相频特性。

具有跟踪源的数字中频频谱分析仪原理图如图1。我们设跟踪源的频率为sin(ω₁t+φ₁)，频谱分析仪本地振荡器的频率为sin(ω₂t+φ₂)。我们只考虑变一次频的情况，在混频器实现两个频率相乘，通过积化和差得到

sin(ω₁t+φ₁)sin(ω₂t+φ₂)＝1/2{[cos(ω₁-ω₂)t+(φ₁-φ₂)]-[cos(ω₁+ω₂)t+(φ₁+φ₂)]}以差频为例，混频器后的中频滤波器滤除掉[cos(ω₁+ω₂)t+(φ₁+φ₂)]，得到中频为

[cos(ω₁-ω₂)t+(φ₁-φ₂)]

但是由于只有一个接收通道，测到的信号的相位是随时间变化的。上面提到要测量相频特性，必须同时测量输入信号和输出信号的相位。因为只有一个接收通道，不可能同时测量输入和输出信号的相位。

发明内容

本发明目的是解决现有数字中频频谱分析仪只有一个接收通道，不可能同时测量输入和输出信号的相位的问题，提供一种数字中频频谱分析分析仪在网络分析测量中测量相位的方法。

如果数字中频频谱分析仪在任何时刻测量相位值都不随时间变化，那么先测量器件输入信号的相位

再测量通过器件后输出信号的相位

与同时测量相位

和相位得到的结果是一样的。那么数字中频频谱分析仪一个接收机测量相位差是可以做到的。即先测量输入信号相位

记录，再测量接入被测件后的输出信号相位

相位

减去记录的输入信号相位

得到的相位差即相频特性。

为实现上述测量目的，本发明在数字中频频谱分析仪中增加一个采样时钟分频控制电路，该采样时钟分频控制电路由一个分频次数为M×2ⁿ的分频器和一个或门组成，n和M可以选择大于等于1的任意整数。数字中频频谱分析仪的中频采样时钟分成两路，一路接分频器的输入端，另一路接或门的一个输入端1，分频器的输出端接或门的另一个输入端2，或门的输出3作为受控的采样时钟信号连接到数字中频频谱分析仪的中频信号的模数转换器A/D上。

本发明利用以上所述电路测量被测件相频特性的方法的具体步骤是：

1)具有采样时钟分频控制电路的数字中频频谱分析仪在网络分析测量中产生受控的中频采样时钟的方法，该方法根据数字中频频谱分析仪的中频信号频率值f_中频选取中频采样时钟频率值f_采样，当采用低通采样模式时选f_采样＝f_中频×2ⁿ；当采用带通采样模式时选f_采样＝2ⁿ(f_中频-f_采样)，n可以选择大于等于1的任意整数，中频采样时钟通过分频器分频后作为触发信号，分频器输出的触发信号为低电平时中频采样时钟可以通过或门，启动A/D采样；分频器输出的触发信号为高电平时中频采样时钟不能通过或门，停止A/D采样；

2)数字中频频谱分析仪的中频信号的频率值为f_中频，分频器的输出作为控制测量相位的触发信号频率值为f_触发，当采用低通采样模式时f_触发＝f_中频/M；当采用带通采样模式时f_触发＝(f_中频-f_采样)/M，M可以选择大于等于1的任意整数。用f_触发作为开始测量f_中频的触发信号，得到稳定的相位。

3)具有采样时钟分频控制电路的数字中频频谱分析仪先测量输入信号相位

记录，再测量接入被测件后的输出信号相位

相位

减去记录的输入信号相位

得到的相位差即相频特性。

众所周知，对于配有跟踪源的数字中频频谱分析仪，跟踪源发出的频率与数字中频频谱分析仪的工作频率永远是相同的，数字中频频谱分析仪接收跟踪源发出的信号而得到的中频信号也永远是固定频率，而中频采样时钟也与跟踪源采用同一频率基准，所以频率误差较小等于中频频率与频谱分析仪基准频率误差的乘积一般在小于10^-6，造成的相位误差可忽略不记，而且测量相位差时可将此误差抵消掉。

数字中频频谱分析仪的中频采样电路有两种情况，一种是低通采样(过采样)，一种是带通采样(欠采样)。根据奈奎斯特采样定理，如果我们以不低于信号最高频率两倍的采样速率对带宽有限信号进行采样，那么所得到的离散采样值就能准确地确定原信号。

对低通采样，为便于信号处理，采样频率一般取f_采样＝f_中频×2ⁿ，n可以选择大于等于1的任意整数。对于这种情况，我们可以将采样时钟分频，分频次数为M×2ⁿ。f_触发＝f_采样/M×2ⁿ＝f_中频/M，M和n可以选择大于等于1的任意整数。分频后的信号作为开始测量相位的触发信号。

带通采样时，带通采样定理如下，设一个带宽有限信号x(t)，其频带限制在(fL，fH)内，如果其采样速率fs满足：

$\mathrm{fs}=\frac{2(\mathrm{fL}+\mathrm{fH})}{(2m+1)}$

式中，m取能满足fs≥2(fH-fL)的最大正整数(0，1，2，......)，

Ts＝1/fs，则用fs进行等间隔采样所得到的信号采样值x(mTs)能准确地确定原信号x(t)，。

fL为信号的最低频率；

fH为信号的最高频率。

在信号处理中相当于采样频率不变，被测信号变频为被测信号频率和采样频率的差值。一般选择采样频率是被测信号于采样频率的差值的2ⁿ倍f_采样＝2ⁿ(f_中频-f_采样)，我们可以将中频采样时钟分频，分频次数为M×2ⁿ，f_触发＝f_采样/(M×2ⁿ)＝(f_中频-f_采样)/M。由此可见无论是低通采样还是带通采样都可以用同样的方法处理，即将中频采样时钟分频M×2ⁿ，得到的触发信号作为开始A/D采样的控制信号。

将中频采样时钟的分频信号作为触发信号，保证了每次测量相位是稳定的。先测量被测件输入口相位，记录此值，再测量被测件输出口相位值，输出口相位值减去记录的输入口相位值，就得到了被测件的相频特性。

实施步骤

1)接好直通电缆准备测量输入信号相位

2)送工作频率值

3)判断是否有触发信号，如没有则继续判断有无触发信号，直到有触发信号为止。

4)开始采样

5)对采样值做DFT变换，得到输入信号的相位值，将输入信号的相位值保存起来。

6)判断是否所有频率点都测完了，如果没有，频率点数加1，返回步骤2，如果所有频率点都测量完毕，进入步骤7

7)接入被测件，准备开始测量输出信号的相位值

8)送工作频率值

9)判断是否有触发信号，如没有则继续判断有无触发信号，直到有触发信号为止。

10)开始采样

11)对采样值做DFT变换，得到输出信号的相位值，减去保存的输入信号的相位值，得到输出信号和输入信号的相位差。

12)判断是否所有频率点都测完了，如果没有，频率点数加1，返回步骤8

13)测量完毕。

本发明的优点和积极效果：

1.实现了数字中频频谱分析仪加跟踪源后，可同时测量幅频特性和测量相频特性，实现了昂贵的矢量网络分析仪的功能。

2.配合反射电桥(或定向耦合器)测量反射时，可利用相频特性对反射电桥(或定向耦合器)进行矢量校准，大大提高测量动态和精度。

3.硬件简单，实现容易，使数字中频频谱分析仪可具有矢量网络分析仪的功能。大大提升了数字中频频谱分析仪的使用价值。

附图说明

图1是增加本专利实施电路的数字中频频谱分析仪和跟踪源的原理图；

图2是本专利实施电路；

图3是本发明测量方法流程图。

图4是E8000实施电路

具体实施方式

实施例1

如图1和2所示，本发明首先在数字中频频谱分析仪中增加一个采样时钟分频控制电路，该采样时钟分频控制电路由一个分频次数为M×2ⁿ的分频器和一个或门组成，n和M可以选择大于等于1的任意整数。数字中频频谱分析仪的中频采样时钟分成两路，一路接分频器的输入端，另一路接或门的一个输入端1，分频器的输出端接或门的另一个输入端2，或门的输出3作为受控的采样时钟信号连接到数字中频频谱分析仪的中频信号的模数转换器A/D上。

以天津市德力电子仪器公司生产的E8000手持数字中频频谱分析仪为例，说明本发明利用以上所述电路测量被测件相频特性的方法，具体电路见图4，其中，

中频信号为36MHz，中频采样时钟为28.8MHz。采样频率是被测信号和采样频率的差值的4倍，28.8/(36-28.8)＝4，即n＝2。我们将中频采样时钟分频，分频次数为16。即触发A/D采样的信号频率为28.8MHz/16＝1.8MHz，即M＝4。例如我们测量一滤波器的相频特性，频谱分析仪设置中心频率150MHz，扫宽100MHz。数字中频频谱分析仪扫描一场的点数是501点，两点间频率差为0.2MHz。跟踪源输出幅度设为0dBm。

1.用直通电缆连接跟踪源输出和数字中频频谱分析仪输入端口，按下归一化校准键准备开始测量输入信号相位。

2.频谱分析仪控制器送第1点工作频率值为100MHz。

3.控制器判断是否有触发信号，如没有则继续判断有无触发信号，直到有触发信号。

4.开始采样，控制器读取采样值。

5.控制器对采样值做DFT变换，假设得到第1点输入信号的相位值为25°，存储到内存。

6.控制器控制频率点数加1，送第2点频率100.2MHz，重复步骤3，4。假设记录输入信号的相位值25.2°。存储到内存。点数加1，直到501点全部测完，屏幕显示校准完成。进入测量状态。

7.接入被测件，跟踪源输出作为被测件的输入信号，频谱分析仪接受被测件的输出信号，开始测量输出信号的相位。

8.控制器送第1点的工作频率值100MHz。

9.控制器判断是否有触发信号，如没有则继续判断有无触发信号，直到有触发信号。

10.开始采样，控制器读取采样值。

11.控制器对采样值做DFT变换，假设得到第一点的输出信号的相位值27°，减去保存的第1点的相位值，得到输出信号和输入信号相位差2°，显示到屏幕的第一点位置。

12.控制器控制频率点数加1，送第2点频率100.2MHz，重复步骤9，10。假设测量输出信号的相位值27.4°。减去保存的第2点的相位值，得到输出信号和输入信号相位差2.4°，显示到屏幕的第二点位置。点数加1，直到501点全部测完，又回到第一点重复测量。屏幕的测量曲线不停刷新直到改变设置。

13.测量完毕。

14.得到此滤波器在100MHz时的相频特性为2°，100.2MHz时的相频特性是2.4°。

Claims (1)

1.一种数字中频频谱分析仪在网络分析测量中测量被测件相频特性的方法，其特征在于包括

1）在数字中频频谱分析仪中增加一个采样时钟分频控制电路，该采样时钟分频控制电路由一个分频次数为M×2ⁿ的分频器和一个或门组成，n和M可以选择大于等于1的任意整数，数字中频频谱分析仪的中频采样时钟分成两路，一路接分频器的输入端，另一路接或门的一个输入端1，分频器的输出端接或门的另一个输入端2，或门的输出3作为受控的采样时钟信号连接到数字中频频谱分析仪的中频信号的模数转换器A/D上，该方法根据数字中频频谱分析仪的中频信号频率值f_中频选取中频采样时钟频率值f_采样；当采用低通采样模式时选f_采样=f_中频×2ⁿ；当采用带通采样模式时选f_采样=2ⁿ(f_中频-f_采样)，n为大于等于1的任意整数，中频采样时钟通过分频器分频后作为触发信号，分频器输出的触发信号为低电平时中频采样时钟可以通过或门，启动A/D采样；分频器输出的触发信号为高电平时中频采样时钟不能通过或门，停止A/D采样；

2）数字中频频谱分析仪的中频信号的频率值为f_中频，分频器的输出作为控制测量相位的触发信号频率值为f_触发；当用低通采样模式时f_触发=f_中频/M；当采用带通采样模式时f_触发=（f_中频-f_采样）/M，M为大于等于1的任意整数；用f_触发作为开始测量相位的触发信号，得到稳定的相位；

3）具有采样时钟分频控制电路的数字中频频谱分析仪先测量输入信号相位

记录，再测量接入被测件后的输出信号相位

相位减去记录的输入信号相位

得到的相位差即相频特性。

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