CN102931985B - 一种相位可调的多载波合成信号产生系统 - Google Patents

Abstract

一种相位可调的多载波合成信号产生系统，由多载波合成信号产生模块、合成信号检测及自适应调整模块构成。多载波合成信号产生模块由相位可调的信号发生装置、多个功率放大器和输出多工器组成，实现指定频率指定相位的多载波信号合成。合成信号检测及自适应调整模块由定向耦合器、示波器和具有可访问信号发生装置的主控计算机组成，通过主控计算机控制信号发生装置所产生信号的频率、相位和幅度。信号发生装置产生多路信号，经放大器后采用输出多工器进行合成，采用定向耦合器对合成信号进行提取，主控计算机对提取信号经逆傅里叶变换获取其合成后的相对相位，由此获得不同载波信号的相位延迟并控制信号发生装置，实现特定相位多载波合成信号输出。

Description

一种相位可调的多载波合成信号产生系统

技术领域

本发明属于微波通信领域，涉及一种多载波合成信号产生系统，尤其涉及一种不同频率初始相位可控制的多载波合成信号产生系统。

背景技术

目前大多数通信卫星都工作在多载波模式，通信卫星收发系统双工器的滤波器是信号传输的公共通道，并且处于高谐振状态，存在多载波信号激励下微放电的分析与设计问题。目前进行多载波微放电设计的主要依据是基于P20理论，即采用传输信号的等效电压作为单载波信号进行部件设计，并采取单频信号进行实验验证。国内外的研究及大量型号任务表明，基于P20理论存在过设计问题，实验验证也只是验证单载波设计是否合理，随着星上功率的进一步提高，以及在固定平台上提高载荷比重的进一步需求，对多载波微波部件微放电分析与结构进一步缩小设计的要求已十分迫切。

多载波微放电分析不同于单载波情形最重要的区别在于，激励信号的幅度并不是恒定的，是随着初始相位的不同随时间快速变化的。在实验中如何产生各路之间相位可控制的多载波合成信号成为开展实验研究的关键因素。现有的实现对相位调整有两种方法，第一种就是在各路载波通道上加移相器进行手动相位调节，由于各个通道上的相移不同，该方法无法实现对不同通道的相位差的标定，在实际工程中几乎无法实现对不同信号相对相位的调整。第二种就是采用直接数字合成技术进行射频信号生成，受DA转换芯片的限制，该方法能实现频率最高到300MHz的射频信号，无法满足实际工程的频率要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种相位可调的多载波合成信号产生系统，可以在多载波微放电待测试件端面获得相位可严格控制的大功率多载波合成信号，实现不同通道相位的自适应调整，能够直接产生频率不低于4.2GHz的射频信号。

本发明的技术解决方案是：一种相位可调的多载波合成信号产生系统，包括信号发生装置、功率放大器、输出多工器、定向耦合器和主控计算机，其中：

信号发生装置：包括晶振、锁相环电路、滤波器以及自动增益控制电路，晶振产生参考信号并送至锁相环电路，锁相环电路根据参考信号产生指定频率和指定相位的射频信号并送至滤波器滤除谐杂波，滤波器的输出信号输入到自动增益控制电路进行射频信号的幅度控制后送至功率放大器；每一个锁相环电路、滤波器以及自动增益控制电路的组合产生一路射频信号，所述的射频信号至少有两路；

功率放大器：对射频信号进行功率放大后送至输出多工器；

输出多工器：将经功率放大后的至少两路射频信号进行合成，形成多载波合成信号；

定向耦合器：对多载波合成信号进行耦合，将耦合的信号送至主控计算机；

主控计算机：控制锁相环电路产生的射频信号的频率和相位；控制自动增益控制电路的信号调整幅度；接收定向耦合器输出的多载波合成信号，将多载波合成信号做逆傅里叶变换，得到各锁相环电路产生的射频信号的实际相位，将实际相位与预先设置的相位进行比较得到相位差后送至相应的锁相环电路进行相位调整，使得定向耦合器输出的多载波合成信号符合要求。

所述的锁相环电路采用锁相-倍频原理实现对射频信号频率和相位的控制，包括鉴相器、低通滤波器、压控振荡器和分频器，信号发生装置产生的参考信号送至鉴相器，鉴相器的输出送至低通滤波器进行低通滤波，低通滤波器的输出送至压控振荡器并由压控振荡器产生射频信号，同时压控振荡器输出的射频信号经过采样送至分频器，分频器设置为N分频，分频器内置有累积器，累加器的位数为m，累加器每个周期重复加固定数值k，当累加器没有溢出的时候，分频器设置为N分频，当累加器进位溢出的时候分频器设置为N+1分频；通过循环进行分频器的分频数设置实现小数分频，由此控制射频信号的频率；通过控制累加器的初始值，控制分频器输入信号和输出信号之间的相位差，由此控制射频信号的相位。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)原有的采用手动移相器的方法，无法考虑不同通道的相位差，基本无法实现对多载波信号初始相位的有效调整；本发明系统可以对各个通道的相位进行自动检测、调整，能够实现不同频率指定初始相位的多载波合成信号。

(2)本发明系统采用锁相-倍频原理直接产生相对相位可控制的多载波信号，直接产生射频信号，与直接数字合成方法相比较，避免采用数模转换，产生的信号频率更高、杂散更低。

附图说明

图1为本发明系统的组成原理框图；

图2为本发明信号发生装置组成原理框图；

图3为本发明锁相环电路组成原理框图；

图4为一个理想的多载波信号合成信号波形；

图5为未经过校正的多载波信号合成信号波形；

图6为采用本发明系统校正之后的多载波信号合成信号波形。

具体实施方式

如图1所示，为本发明系统的组成原理框图，该系统主要由两大部分组成：一个是多载波合成信号产生模块，另一个是合成信号检测及自适应调整模块。多载波合成信号产生模块由6路相位可指定的信号发生装置、6个功率放大器和1个6路输出多工器组成，实现6路指定频率指定相位的多载波合成信号生成。合成信号检测及自适应调整模块由定向耦合器、示波器和具有可访问信号发生装置的主控计算机构成，主控计算机可控制信号发生装置产生信号的频率、相位以及幅度。

主控计算机通过USB接口与信号发生装置相连，主控计算机通过USB-GPIB接口与示波器相连，信号发生装置输出6路射频信号，其频率、相位和幅度通过主控计算机来设定，同时输出10MHz参考信号。

6路相位可指定的信号发生装置由晶振、6个锁相环电路、6个滤波器及6个自动增益控制电路组成，如图2所示。由高稳定度晶振产生10MHz参考信号，采用1分8分配网络产生8路相同的10MHz参考信号，其中6路分别连接到6路锁相环电路中，1路输出和频谱仪参考信号连接，1路预留。锁相环电路接受10MHz参考信号，在主控计算机的控制下输出指定频率和指定相位的射频信号，锁相环电路与主控计算机之间通过数据总线和控制总线连接，锁相环输出的射频信号输入到滤波器滤除谐杂波，滤波器输出信号输入到自动增益控制电路，自动增益控制电路通过数据总线和控制总线与主控计算机相连，实现对6路射频信号幅度的控制。

锁相环电路采用锁相-倍频原理实现对射频信号频率和相位的控制，其电路框图如图3所示。锁相环电路接受10MHz参考信号，通过鉴相器后采用低通滤波器进行滤波，控制压控振荡器产生射频信号，对压控振荡器输出信号取样，并在主控计算机的控制下实现小数分频，分频后信号输入给鉴相器。主控计算机通过数据总线和控制总线与分频器相连，分频器设置为N分频，分频器内置一累积器，累加器的位数为m，累加器每个周期增加的值k，累加器重复加固定数值k，累加器没有溢出的时候，分频器设置为N分频，当累加器进位溢出的时候分频器设置为N+1分频，如此可以实现分频器在N和N+1分频之间切换，循环进行时可以实现小数分频。通过控制累加器的初始值可以控制分频器输入和输出信号之间的相位差。为了实现6路锁相环输出信号之间相位的精确控制，需要满足：

a.6路锁相环采用同一路参考信号，且参考信号到达锁相环参考输入端时应具有同样的相位。

b.6路锁相环的控制字需要同时更新，6路LE信号(上升沿信号)之间保持同步，6路参考信号之间上升沿同步，6路LE信号的上升沿与参考信号的上升沿同步。

合成信号检测及自适应调整模块包含具有可访问信号发生装置的主控计算机，主控计算机上安装有可控制信号发生装置频率、相位和幅度的上机位软件。上位机软件主要功能包括：A.可在图形用户界面下设置各路载波的频率和相位等关键参数；B.能够根据各路载波的频率相位等要求，自动计算锁相环所需的控制字；C.将计算好的控制字通过USB总线向信号发生装置发送。

定向耦合器对大功率多载波合成信号进行耦合，得到耦合后的小功率信号。

在进行多载波合成信号时，由于各路载波合成之前经过不同的传输路径及放大器，所以经过输出多工器之后合成的多载波波形会与预想得到的多载波合成波形存在差别，例如设置多载波频率分别为341MHz，342MHz，343MHz，344MHz，345MHz，346MHz，初始相位为10°，50°，90°，90°，50°，10°的6路多载波信号，在没有相位误差的情况下，多载波合成理想波形如图4所示。

但是由于多载波信号发生装置产生的6路多载波信号的传输路径是不同的，由此导致各路多载波的相对相位发生变化，产生波形如图5所示，可以看出与预想波形区别较大，无法满足要求。

为了实现在输出口面实现预定波形多载波合成信号，系统的主控计算机采用如下的方式纠正各路子载波的相对相位：

(1)通过GPIB接口将采集到的信号传送到主控计算机中，主控计算机对所采到的信号做逆傅里叶变换，从而可以得到341～346MHz处信号的幅度和相位，这里所得到的相位即为图5所示的多载波信号各路子载波在示波器采集信号的时刻的相位，相位值分别为0°，100°，90°，90°，50°，10°。

(2)上一步中所得到的各路子载波的相位(0°，100°，90°，90°，50°，10°)，并非初始设置的相位(10°，50°，90°，90°，50°，10°)，用初始设置的相位值减去通过逆傅里叶变换得到的相位值，可以得到两者的差值(10°，-50°，0°，0°，0°，0°)。

(3)根据上一步得到的差值，可以知道，第一路子载波相位提前10°，第二路提前310°(或者落后50°)，其他路保持不动即可以得到想要的初始相位为(10°，50°，90°，90°，50°，10°)的多载波波形，因此将得到的差值补偿到设置的初始值当中，并将这个值对应的多载波信号源的控制字写入多载波信号源，得到波形如图6所示。可以看出基于本系统可以实现相位可调的多载波合成信号。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种相位可调的多载波合成信号产生系统，其特征在于包括：信号发生装置、功率放大器、输出多工器、定向耦合器和主控计算机，其中：

信号发生装置：包括晶振、锁相环电路、滤波器以及自动增益控制电路，晶振产生参考信号并送至锁相环电路，锁相环电路根据参考信号产生指定频率和指定相位的射频信号并送至滤波器滤除谐杂波，滤波器的输出信号输入到自动增益控制电路进行射频信号的幅度控制后送至功率放大器；每一个锁相环电路、滤波器以及自动增益控制电路的组合产生一路射频信号，由锁相环电路、滤波器以及自动增益控制电路的组合产生的射频信号至少有两路；

功率放大器：对信号发生装置中由锁相环电路、滤波器以及自动增益控制电路的组合产生的射频信号进行功率放大后送至输出多工器；

输出多工器：将经功率放大后的至少两路射频信号进行合成，形成多载波合成信号；

定向耦合器：对多载波合成信号进行耦合，将耦合的信号送至主控计算机；

主控计算机：控制锁相环电路产生的射频信号的频率和相位；控制自动增益控制电路的信号调整幅度；接收定向耦合器输出的多载波合成信号，将多载波合成信号做逆傅里叶变换，得到各锁相环电路产生的射频信号的实际相位，将实际相位与预先设置的相位进行比较得到相位差后送至相应的锁相环电路进行相位调整，使得定向耦合器输出的多载波合成信号符合要求。

2.根据权利要求1所述的一种相位可调的多载波合成信号产生系统，其特征在于：所述的锁相环电路采用锁相-倍频原理实现对射频信号频率和相位的控制，包括鉴相器、低通滤波器、压控振荡器和分频器，信号发生装置产生的参考信号送至鉴相器，鉴相器的输出送至低通滤波器进行低通滤波，低通滤波器的输出送至压控振荡器并由压控振荡器产生射频信号，同时压控振荡器输出的射频信号经过采样送至分频器，分频器设置为N分频，分频器内置有累加器，累加器的位数为m，累加器每个周期重复加固定数值k，当累加器没有溢出的时候，分频器设置为N分频，当累加器进位溢出的时候分频器设置为N+1分频；通过循环进行分频器的分频数设置实现小数分频，由此控制射频信号的频率；通过控制累加器的初始值，控制分频器输入信号和输出信号之间的相位差，由此控制射频信号的相位。