CN102970030A - 利用宽带本振和高频鉴相实现频谱仪下变频的系统 - Google Patents
利用宽带本振和高频鉴相实现频谱仪下变频的系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种利用宽带本振和高频鉴相实现频谱仪下变频的系统，包括第一滤波器、第一混频器、第一本振、第二混频器、第二滤波器、第二本振、第三混频器、第三滤波器、第三本振、数字中频；射频信号进入射频前端通道后经过第一滤波器滤除镜像频率，送至第一混频器并与第一本振混频产生第一中频，第一中频经过第二滤波器的滤波后送至第二混频器并与第二本振混频后产生第二中频，第二中频经过第三滤波器滤波处理后送至第三混频器并与第三本振混频后产生第三中频，完成射频下变频后，第三中频输出至数字中频处理部分完成相应的频谱分析，所述的第一本振采用宽带本振方式，并且在第一本振锁相环中采用高频鉴相。
Description
技术领域
本发明涉及通讯测试领域，尤其是射频频谱分析仪射频信号下变频的系统，具体为利用宽带本振和高频鉴相实现频谱仪下变频的系统。
背景技术
现今的射频频谱分析仪在对射频信号进行下变频处理时，基本上都是采取超外差技术，“外差”即是频谱搬移，一定范围的射频输入信号分别与几级本振混频之后，得到一个固定频率的模拟中频信号，这个固定的模拟中频通常为十几兆至几十兆，便于满足ADC采样以及后续的数字信号处理的要求，中频信号进行数字化后完成相应的频谱分析。而实现射频下变频一般有两种方法：一是采用高低两个波段来实现下变频，低波段采用高中频的方案，高波段采用往下混频至低中频的方式，这种方式第一本振起始频率低，覆盖范围也不需要达到射频输入范围，但是这种方案明显的缺点在于当工作于高波段时，带通滤波器的实现以及全频段切换显得复杂，并影响整体扫描时间；二是全高中频的实现方式，即第一中频的选择高于射频输入信号范围的上限，因此第一本振的起始频率为第一中频，覆盖范围为射频信号输入范围，第一本振锁相环路的鉴相频率一般只有十兆至几十兆，这样限制了锁相环路的带宽，而第一本振的相位噪声直接决定了频谱仪的相位噪声指标，如果使用一次倍频程的宽带本振，受本振相位噪声的限制，带宽外的相位噪声则很难达到要求，所以一般把宽带本振分解为几个窄带本振，如图1所示，以提高相位噪声指标，但是这种方式带来的缺点是几个窄带本振的切换控制复杂，同样影响扫描速度。
发明内容
所要解决的技术问题：针对以上问题本发明提供了一种利用宽带本振和高频鉴相实现频谱仪下变频的系统，通过提高鉴相频率，宽带本振一次扫描完成全扫宽覆盖，解决传统的下变频方法控制复杂、扫描速度慢的问题，并能够提高整机相位噪声等指标。
技术方案：针对以上不足本发明提供了一种利用宽带本振和高频鉴相实现频谱仪下变频的系统，包括第一滤波器、第一混频器、第一本振、第二混频器、第二滤波器、第二本振、第三混频器、第三滤波器、第三本振、数字中频；射频信号进入射频前端通道后经过第一滤波器滤除镜像频率，送至第一混频器并与第一本振混频产生第一中频，第一中频经过第二滤波器的滤波后送至第二混频器并与第二本振混频后产生第二中频，第二中频经过第三滤波器滤波处理后送至第三混频器并与第三本振混频后产生第三中频，完成射频下变频后，第三中频输出至数字中频处理部分完成相应的频谱分析，其特征在于：所述的第一本振采用宽带本振方式，并且在第一本振锁相环中采用高频鉴相。
所述的第一本振锁相环由宽带压控振荡器、分频器、高频鉴相器、高频鉴相参考以及环路滤波器组成；宽带压控振荡器经过分频器分频后在高频鉴相器中与高频鉴相参考鉴相，误差信号经过环路滤波器积分、滤波后输出误差电压并反馈至宽带压控振荡器。
所述的宽带压控振荡器作为第一本振锁相环中的振荡器。
所述的第一本振锁相环的高频鉴相参考选用OCXO“恒温晶体振荡器”。
所述的环路滤波器采用输出电压范围超过二十伏的多阶有源环路滤波器。
所述的第一本振锁相环的环路带宽为200kHz。
所述的所述的第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器为低通滤波器。
所述的第一中频为4000MHz的高中频。
所述的第一本振锁相环的输出由基于ARM的控制系统来控制。
所述的基于ARM的控制系统:先设置好中心频率、扫频宽度参数后，ARM控制系统根据这些设置参数，再结合实现射频下变频的调谐方式，计算出第一本振应该输出的频率“根据调谐方式，第一本振输出频率为射频输入频率加上第一中频后的频率”，然后根据第一本振输出频率以及所采用的鉴相参考频率，计算出第一本振的分频比“分频比即计算所得第一本振频率除以鉴相参考频率所得”，分频比转换为二进制数据后由基于ARM的控制系统通过数据总线发送给射频前端模块，射频前端模块中的CPLD“可编程逻辑器件”接收到上层发送下来的串行数据后，再将数据发送给第一本振的分频器；通过锁相环控制，第一本振锁相环路输出相应的频率，并根据相应的设置完成射频下变频。
有益效果：①由于第一本振选择一次性调谐覆盖射频输入范围的宽带本振，不需要分成几个窄带本振通过切换实现全频段扫描，简化了控制过程，同时解决了由控制切换过程所带来的增加扫描时间的问题，由于只用一个宽带的本振，使得电路设计上也得到了简化，为射频前端的小型化创造了条件；②第一本振锁相环输出的相位噪声，在环路带宽内由参考频率的相位噪声起主导作用，环路带宽以外以压控振荡器的相位噪声为主导，而宽带压控振荡器在近旁的相位噪声不够理想，在提高了第一本振鉴相频率后，环路带宽设计增大，宽带本振的近旁相位噪声对环路输出的相位噪声影响减小，从而使得锁相环输出信号的近旁和远端的相位噪声都得到保证，从而提高了整机的相位噪声指标。
附图说明
图1：几个窄带本振构成第一本振的原理框图；
图2：利用宽带本振和高频鉴相实现下变频的原理框图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细地说明。
如图2所示，利用宽带本振和高频鉴相实现频谱仪下变频的系统，包括第一滤波器、第一混频器、第一本振、第二混频器、第二滤波器、第二本振、第三混频器、第三滤波器、第三本振、数字中频；所述第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器为低通滤波器。
三级本振与三级混频器组成三级下变频通道，为了抑制镜像频率，9kHz-3000MHz的射频信号进入射频前端通道后经过第一滤波器滤除镜像频率，送至第一混频器并与第一本振混频产生第一中频，第一中频为4000MHz左右的高中频，第一中频经过第二滤波器的滤波后送至第二混频器并与第二本振混频后产生第二中频，第二中频经过第三滤波器滤波处理后送至第三混频器并与第三本振混频后产生第三中频，完成射频下变频后，第三中频输出至数字中频处理部分完成相应的频谱分析。
所述的第一本振采用宽带本振的方式，并且在第一本振锁相环中采用高频鉴相。
所述的第一本振锁相环由宽带压控振荡器、分频器、高频鉴相器、高频鉴相参考以及环路滤波器组成；宽带压控振荡器经过分频器分频后在高频鉴相器中与高频鉴相参考鉴相，误差信号经过环路滤波器积分、滤波后输出误差电压并反馈至宽带压控振荡器。
所述的宽带压控振荡器作为第一本振锁相环中的振荡器，由于采用高中频的方案，高中频选取为4000MHz左右，并且射频输入信号范围为9kHz-3000MHz，第一本振调谐范围从第一中频开始，连续调谐覆盖整个射频信号输入范围，不需要分成几段通过切换完成覆盖。因此第一本振锁相环中的宽带压控振荡器至少覆盖4000MHz至7000MHz这个范围，本发明选择振荡范围为4000MHz至8000MHz的宽带压控振荡器以满足条件。
本发明将第一本振锁相环中的高频鉴相器参考频率提高至100MHz，选择振荡频率为100MHz的OCXO“恒温晶体振荡器”作为第一本振锁相环的高频鉴相参考，恒温晶体振荡器具有稳定度高、相位噪声指标很好的特点，在偏移1KHz的位置，相位噪声可以达到-145dBc以上，在偏移10KHz的位置，相位噪声可以达到-155dBc以上。第一本振锁相环通过高频鉴相保证了第一本振输出频率的近旁相位噪声指标。
第一本振锁相环采用宽带锁相的方式，由于第一本振锁相环环路中高频鉴相器的鉴相参考频率由100MHz的恒温晶振提供，在锁相环鉴相参考频率得到大幅提高的条件下，给第一本振锁相环的环路带宽的提高提供了先决条件，本发明设计第一本振锁相环的环路带宽为200kHz左右，由于作为第一本振的压控振荡器调谐范围很宽，调谐电压范围高至20多伏，第一本振的环路滤波器采用输出电压范围超过二十伏的多阶有源环路滤波器，结合环路中压控振荡器的压控增益、高频鉴相器鉴相电流等参数，通过设置环路滤波器的参数，将第一本振锁相环环路带宽设置为200kHz左右。由于锁相环环路输出频率的相位噪声在环路带宽内主要由高频鉴相参考的相噪特性决定，而在环路带宽外主要由宽带压控振荡器决定，而本发明所选的宽带压控振荡器在偏离载波200kHz以外（环路带宽外）的相位噪声很好，因此，宽带锁相保证了第一本振输出频率的远端相位噪声指标。
利用宽带本振和高频鉴相，并且采取宽带锁相的方式，既保证了第一本振的近旁相位噪声，又保证了远端的相位噪声，从而提高了频谱仪整机的相位噪声指标；同时在增大环路带宽的条件下缩短了第一本振锁相环环路的锁定时间，从而提高了整机的速度。
第一本振锁相环的输出由基于ARM的控制系统来控制，实际上是通过控制宽带压控振荡器在分频器中的分频比来实现第一本振的输出频率，第一本振的输出频率为分频比与鉴相参考频率的乘积，由于采用的是连续调谐的宽带本振，只需要改变第一本振的分频比就能改变第一本振的输出频率，而不需要其他的控制指令。
在对频谱仪整机设置好中心频率、扫频宽度等参数后，ARM控制系统根据这些设置参数，再结合实现射频下变频的调谐方式，计算出第一本振应该输出的频率（根据调谐方式，第一本振输出频率为射频输入频率加上第一中频后的频率），然后根据第一本振输出频率以及所采用的鉴相参考频率，计算出第一本振的分频比（分频比即计算所得第一本振频率除以鉴相参考频率所得），分频比转换为二进制数据后由基于ARM的控制系统通过数据总线发送给射频前端模块，射频前端模块中的CPLD“可编程逻辑器件”接收到上层发送下来的串行数据后，再将数据发送给第一本振的分频器。通过锁相环控制，第一本振锁相环路输出相应的频率，并根据相应的设置完成射频下变频。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限制于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种利用宽带本振和高频鉴相实现频谱仪下变频的系统，包括第一滤波器、第一混频器、第一本振、第二混频器、第二滤波器、第二本振、第三混频器、第三滤波器、第三本振、数字中频；射频信号进入射频前端通道后经过第一滤波器滤除镜像频率，送至第一混频器并与第一本振混频产生第一中频，第一中频经过第二滤波器的滤波后送至第二混频器并与第二本振混频后产生第二中频，第二中频经过第三滤波器滤波处理后送至第三混频器并与第三本振混频后产生第三中频，完成射频下变频后，第三中频输出至数字中频处理部分完成相应的频谱分析，其特征在于：所述的第一本振采用宽带本振方式，并且在第一本振锁相环中采用高频鉴相。
2.根据权利要求1所述的利用宽带本振和高频鉴相实现频谱仪下变频的系统，其特征在于：所述的第一本振锁相环由宽带压控振荡器、分频器、高频鉴相器、高频鉴相参考以及环路滤波器组成；宽带压控振荡器经过分频器分频后在高频鉴相器中与高频鉴相参考鉴相，误差信号经过环路滤波器积分、滤波后输出误差电压并反馈至宽带压控振荡器。
3.根据权利要求2所述的利用宽带本振和高频鉴相实现频谱仪下变频的系统，其特征在于：所述的宽带压控振荡器作为第一本振锁相环中的振荡器。
4.根据权利要求2所述的利用宽带本振和高频鉴相实现频谱仪下变频的系统，其特征在于：所述的第一本振锁相环的高频鉴相参考选用OCXO“恒温晶体振荡器”。
5.根据权利要求2所述的利用宽带本振和高频鉴相实现频谱仪下变频的系统，其特征在于：所述的环路滤波器采用输出电压范围超过二十伏的多阶有源环路滤波器。
6.根据权利要求2所述的利用宽带本振和高频鉴相实现频谱仪下变频的系统，其特征在于：所述的第一本振锁相环的环路带宽为200kHz。
7.根据权利要求1所述的利用宽带本振和高频鉴相实现频谱仪下变频的系统，其特征在于：所述的第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器为低通滤波器。
8.根据权利要求1所述的利用宽带本振和高频鉴相实现频谱仪下变频的系统，其特征在于：所述的第一中频为4000MHz的高中频。
9.根据权利要求1所述的利用宽带本振和高频鉴相实现频谱仪下变频的系统，其特征在于：所述的第一本振锁相环的输出由基于ARM的控制系统来控制。
10.根据权利要求9所述的利用宽带本振和高频鉴相实现频谱仪下变频的系统，其特征在于：所述的基于ARM的控制系统:先设置好中心频率、扫频宽度参数后，ARM控制系统根据这些设置参数，再结合实现射频下变频的调谐方式，计算出第一本振应该输出的频率“根据调谐方式，第一本振输出频率为射频输入频率加上第一中频后的频率”，然后根据第一本振输出频率以及所采用的鉴相参考频率，计算出第一本振的分频比“分频比即计算所得第一本振频率除以鉴相参考频率所得”，分频比转换为二进制数据后由基于ARM的控制系统通过数据总线发送给射频前端模块，射频前端模块中的CPLD“可编程逻辑器件”接收到上层发送下来的串行数据后，再将数据发送给第一本振的分频器；通过锁相环控制，第一本振锁相环路输出相应的频率，并根据相应的设置完成射频下变频。
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