CN103595493A - 一种提高宽带信号分析仪器灵敏度和动态范围的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高宽带信号分析仪器灵敏度和动态范围的装置及方法，其中的装置，不仅包括程控步进衰减器、高低波段开关、低波段混频通路、高波段混频通路、中频处理电路、采集处理电路与控制模块，还包括宽带放大器、校准模块、同轴开关组件、可变增益控制电路与增益预检测电路。本发明能够根据被测信号幅度对宽带信号分析仪器接收处理通路特性的不同要求，设计了专门的高灵敏度和大动态范围通路，实现了仪器灵敏度、动态范围以及压缩、失真等性能指标的最佳化；另外，设计了通路自动增益检测和控制的方法，实现了被测信号的自动测量，可以进一步自动优化灵敏度和动态范围，减小测试误差。

Description

一种提高宽带信号分析仪器灵敏度和动态范围的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种提高宽带信号分析仪器灵敏度和动态范围的装置，以及一种提高宽带信号分析仪器灵敏度和动态范围的方法。

背景技术

为了得到高的灵敏度，宽带信号分析仪器接收通路噪声系数应该尽可能小；为了实现足够大的动态范围，宽带信号分析仪器接收通路除了噪声系数小外，还应具有足够高的增益压缩点和失真截获点等，尽量避免产生压缩和失真。

在宽带信号分析仪器中，灵敏度和动态范围是非常重要的指标。灵敏度反映了仪器可测量低电平信号的能力；动态范围则体现了仪器测量同时存在的两个信号幅度差的能力。为了得到优异的测量灵敏度，传统信号分析仪器通常在接收前端通加入低噪声放大器；但是加入低噪声放大器却使仪器测量大幅度信号的能力变差，即动态范围指标会受一定影响。

传统宽带信号分析仪器接收处理通路中，通常包括程控步进衰减器、高低波段开关、低波段混频通路、高波段混频通路、中频处理电路、采集处理电路以及控制模块等功能单元，原理如图1所示。

其中：

程控步进衰减器实现输入端口的阻抗匹配和对输入信号的幅度调整，通常可实现2dB步进（或5dB步进）的、最大超过60dB的衰减控制。

高低波段开关实现高低频段信号的通路选择。

低波段混频通路实现低频段信号的滤波和混频，将低波段信号变为中频信号。

高波段混频通路实现高频段信号的滤波和混频，将高波段信号变为中频信号。

中频处理电路实现中频信号的滤波、放大和增益补偿等。

采集处理电路实现信号的采集和数字化处理。

控制模块实现信号轨迹的处理、送显以及整机的控制等。

按照该种方案设计的宽频带信号分析仪器的最优灵敏度通常约为-150dBm（仪器分辨率带宽为1Hz），最大动态范围通常约为110dB。

为了改善仪器的灵敏度，可以在上述接收通路中增加开关放大器，原理如附图2所示。开关放大器有两种工作模式：放大模式和直通模式。当工作于放大模式时，由于通路中增加了低噪声前置放大器，接收通路的噪声系数明显降低，因此整机的灵敏度有显著改善，最优可超过-165dBm（仪器分辨率带宽为1Hz）；但是，此时整机测量幅度较大信号的能力就会下降，会产生压缩和失真，因此，动态范围指标受到影响。当工作于直通模式时，由于电子开关的存在，通常此时通路会引入3-7dB的插损，灵敏度指标和动态范围指标都会受到恶化。

另外，上述传统方案中，高低波段开关也会给通路带来约3-7dB的差损，对整机的灵敏度和动态范围也造成了一定的影响。

现有技术存在的不足包括：

1）目前宽带信号分析仪器普遍采用的接收通路方案不能同时保证高灵敏度和大动态范围指标的实现。

2）通路增加开关放大器后，不能根据被测信号幅度的大小自动选择通路模式，容易带来测试误差，比如存在大幅度信号时选择放大模式，则会带来压缩和失真；信号幅度较小时选择直通模式，会使信号淹没在噪声中。

发明内容

针对上述缺点，本发明的任务在于提供一种提高宽带信号分析仪器灵敏度和动态范围的装置，以及一种提高宽带信号分析仪器灵敏度和动态范围的方法。

其技术解决方案是：

一种提高宽带信号分析仪器灵敏度和动态范围的装置，包括：

程控步进衰减器，用于实现输入端口的阻抗匹配和对输入信号的幅度调整；

高低波段开关，用于实现高低频段信号的通路选择；

低波段混频通路，用于实现低频段信号的滤波和混频，将低波段信号变为中频信号；

高波段混频通路，用于实现高频段信号的滤波和混频，将高波段信号变为中频信号；

中频处理电路，用于实现中频信号的滤波、放大和增益补偿；

采集处理电路，用于实现信号的采集和数字化处理；

控制模块，用于实现信号轨迹的处理、送显以及整机的控制；

还包括：

宽带放大器，用于完成宽带信号的放大；

校准模块，用于提供校准信号，完成对高灵敏度通路和大动态范围通路的幅度校准，提高测量幅度的准确性和一致性；

同轴开关组件，用于完成高灵敏度通路和大动态范围通路的选择；

可变增益控制电路，用于完成通路信号的增益调整；

增益预检测电路，用于完成通路信号增益的检波和幅度检测。

上述程控步进衰减器，一是依次通过同轴开关组件、低波段混频通路接入中频处理电路，二是依次通过同轴开关组件、高波段混频通路接入中频处理电路；上述校准模块接入程控步进衰减器，宽带放大器与高低波段开关依次串接后接入同轴开关组件；上述中频处理电路、可变增益控制电路、采集处理电路与控制模块依次串接，增益预检测电路并联在由可变增益控制电路、采集处理电路与控制模块组成的串联通路上；上述控制模块分别通过信号线路连接校准模块、可变增益控制电路、同轴开关组件与程控步进衰减器。

上述同轴开关组件为机械开关。

一种提高宽带信号分析仪器灵敏度和动态范围的方法，包括提供上述提高宽带信号分析仪器灵敏度和动态范围的装置，还有如下步骤：

步骤1：控制模块根据用户设置的状态或程序默认的初始设置状态对通道状态进行设置；

步骤2：增益预检测电路对通路信号增益进行预先检测，将检测结果送到控制模块，控制模块根据预先设置好的判定算法进行判定：如果检测信号幅度小于设定的阈值，则设置通路中的各部件或模块工作在高灵敏度模式；如果检测信号幅度大于等于设定的阈值，则设置通路中的各部件或模块工作在大动态能范围模式；

步骤3：在高灵敏度模式时，输入信号经程控步进衰减器、同轴开关组件、宽带放大器、高低波段开关后，再进入低波段混频通路或高波段混频通路，然后经中频处理电路、可变增益控制电路、采集处理电路和12控制模块，完成被测信号的处理和测试；

步骤4：在大动态范围模式时，输入信号经程控步进衰减器、同轴开关组件直接进入低波段混频通路或高波段混频通路，然后经中频处理电路、可变增益控制电路、采集处理电路和12控制模块，完成被测信号的处理和测试；

步骤5：如果被测信号幅度发生变化，根据增益预检测电路的检测值，达到设定的幅度阈值，则控制模块自动进行高灵度模式和大动态范围模式的切换；

步骤6：根据测试信号的幅度，可以自动选择程控步进衰减器的衰减量和可变增益控制电路的放大量，以进一步优化灵敏度和动态范围；程控步进衰减器可以选择直通或者衰减，其中最小衰减量为2dB，最大衰减量可超过60dB，衰减步进量为2dB；可变增益控制电路可实现总量超过50dB、1dB步进的增益调整；

步骤7：当用户执行通路校准时，通路会切换校准模块输出的校准信号，对高灵敏度以及大动态范围通路进行幅度定标和校准。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明能够根据被测信号幅度对宽带信号分析仪器接收处理通路特性的不同要求，设计了专门的高灵敏度和大动态范围通路，实现了仪器灵敏度、动态范围以及压缩、失真等性能指标的最佳化。另外，设计了通路自动增益检测和控制的方法，实现了被测信号的自动测量，可以进一步自动优化灵敏度和动态范围，减小测试误差。

本发明可以保证宽频带信号分析仪器同时具有优异的灵敏度和动态范围，并且可以根据被测信号自动进行通路设置，使测量结果达到最优。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作更进一步的说明：

图1为现有一种宽带信号分析仪器灵敏度和动态范围的装置的原理示意图。

图2为现有另一种宽带信号分析仪器灵敏度和动态范围的装置的原理示意图。

图3为本发明中提高宽带信号分析仪器灵敏度和动态范围的装置一种实施方式的原理示意图。

具体实施方式

结合图3，一种提高宽带信号分析仪器灵敏度和动态范围的装置，包括：

程控步进衰减器2，用于实现输入端口的阻抗匹配和对输入信号的幅度调整。

高低波段开关4，用于实现高低频段信号的通路选择。

低波段混频通路6，用于实现低频段信号的滤波和混频，将低波段信号变为中频信号。

高波段混频通路7，用于实现高频段信号的滤波和混频，将高波段信号变为中频信号。

中频处理电路8，用于实现中频信号的滤波、放大和增益补偿。

采集处理电路10，用于实现信号的采集和数字化处理。

控制模块12，用于实现信号轨迹的处理、送显以及整机的控制。

宽带放大器3，用于完成宽带信号的放大。将现有宽带信号分析仪器灵敏度和动态范围的装置中开关宽带放大器改进为宽带放大器，即将开关宽带放大器中的旁路电子开关去掉，只保留放大状态，这样噪声系数会减小3dB-7dB，因此灵敏度会有进一步提高。

校准模块1，用于提供校准信号，完成对高灵敏度通路和大动态范围通路的幅度校准，提高测量幅度的准确性和一致性。

同轴开关组件5，用于完成高灵敏度通路和大动态范围通路的选择。高灵敏度通路时输入信号经同轴开关组件、宽带放大器、高低波段开关后，再进入低波段混频通路或高波段混频通路；大动态范围通路时输入信号经同轴开关组件直接进入低波段混频通路或高波段混频通路。同轴开关组件为机械开关，相对于电子开关，机械开关插损小，隔离度高。

可变增益控制电路9，用于完成通路信号的增益调整，除了进一步优化灵敏度和动态范围外，还使信号进入采集处理电路时具有最佳的电平，保证测量的准确度。

增益预检测电路11，用于完成通路信号增益的检波和幅度检测。

上述程控步进衰减器，一是依次通过同轴开关组件、低波段混频通路接入中频处理电路，二是依次通过同轴开关组件、高波段混频通路接入中频处理电路；上述校准模块接入程控步进衰减器，宽带放大器与高低波段开关依次串接后接入同轴开关组件；上述中频处理电路、可变增益控制电路、采集处理电路与控制模块依次串接，增益预检测电路并联在由可变增益控制电路、采集处理电路与控制模块组成的串联通路上；上述控制模块分别通过信号线路连接校准模块、可变增益控制电路、同轴开关组件与程控步进衰减器。

一种提高宽带信号分析仪器灵敏度和动态范围的方法，包括提供上述提高宽带信号分析仪器灵敏度和动态范围的装置，还有如下步骤：

步骤1：控制模块根据用户设置的状态或程序默认的初始设置状态对通道状态进行设置。

步骤2：增益预检测电路对通路信号增益进行预先检测，将检测结果送到控制模块，控制模块根据预先设置好的判定算法进行判定：如果检测信号幅度小于设定的阈值（比如-30dBm），则设置通路中的各模块工作在高灵敏度模式；如果检测信号幅度大于等于设定的阈值，则设置通路中的各模块工作在大动态能范围模式。

步骤3：在高灵度模式时，输入信号经程控步进衰减器、同轴开关组件、宽带放大器、高低波段开关后，再进入低波段混频通路或高波段混频通路，然后经中频处理电路、可变增益控制电路、采集处理电路和控制模块，完成被测信号的处理和测试。

步骤4：在大动态范围模式时，输入信号经程控步进衰减器、同轴开关组件直接进入低波段混频通路或高波段混频通路，然后经中频处理电路、可变增益控制电路、采集处理电路和控制模块，完成被测信号的处理和测试。

步骤5：如果被测信号幅度发生变化，根据增益预检测电路的检测值，达到设定的幅度阈值，则控制模块自动进行高灵度模式和大动态范围模式的切换。

步骤6：根据测试信号的幅度，可以自动选择程控步进衰减器的衰减量和可变增益控制电路的放大量，以进一步优化灵敏度和动态范围。程控步进衰减器可以选择直通或者衰减，其中最小衰减量为2dB，最大衰减量可超过60dB，衰减步进量为2dB。可变增益控制电路可实现总量超过50dB、1dB步进的增益调整。

步骤7：当用户执行通路校准时，通路会切换1校准模块输出的校准信号，对高灵敏度以及大动态范围通路进行幅度定标和校准。

在宽带微波毫米波波段，与图1所示的方案相比，本发明灵敏度可以提高约20dB，动态范围提高约3-6dB（依据频段）；与附图2所示的方案相比，本发明灵敏度可以提高约3dB，动态范围提高约5-15dB（依据频段）。另外本方案增加了可变增益自动控制和自动检测功能，可根据被测信号进一步自动优化灵敏度和动态范围。

上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。

本发明中的提高宽带信号分析仪器灵敏度和动态范围的装置适用于宽带信号分析仪器接收处理通路（电路）。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员还可以作出这样或那样的容易变化方式，诸如等同方式，或明显变形方式。上述的变化方式均应在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种提高宽带信号分析仪器灵敏度和动态范围的装置，包括：

程控步进衰减器，用于实现输入端口的阻抗匹配和对输入信号的幅度调整；

高低波段开关，用于实现高低频段信号的通路选择；

低波段混频通路，用于实现低频段信号的滤波和混频，将低波段信号变为中频信号；

高波段混频通路，用于实现高频段信号的滤波和混频，将高波段信号变为中频信号；

中频处理电路，用于实现中频信号的滤波、放大和增益补偿；

采集处理电路，用于实现信号的采集和数字化处理；

控制模块，用于实现信号轨迹的处理、送显以及整机的控制；

其特征在于还包括：

宽带放大器，用于完成宽带信号的放大；

校准模块，用于提供校准信号，完成对高灵敏度通路和大动态范围通路的幅度校准，提高测量幅度的准确性和一致性；

同轴开关组件，用于完成高灵敏度通路和大动态范围通路的选择；

可变增益控制电路，用于完成通路信号的增益调整；

增益预检测电路，用于完成通路信号增益的检波和幅度检测。

2.根据权利要求1所述的提高宽带信号分析仪器灵敏度和动态范围的装置，其特征在于：上述程控步进衰减器，一是依次通过同轴开关组件、低波段混频通路接入中频处理电路，二是依次通过同轴开关组件、高波段混频通路接入中频处理电路；上述校准模块接入程控步进衰减器，宽带放大器与高低波段开关依次串接后接入同轴开关组件；上述中频处理电路、可变增益控制电路、采集处理电路与控制模块依次串接，增益预检测电路并联在由可变增益控制电路、采集处理电路与控制模块组成的串联通路上；上述控制模块分别通过信号线路连接校准模块、可变增益控制电路、同轴开关组件与程控步进衰减器。

3.根据权利要求1所述的提高宽带信号分析仪器灵敏度和动态范围的装置，其特征在于：上述同轴开关组件为机械开关。

4.一种提高宽带信号分析仪器灵敏度和动态范围的方法，包括提供如权利要求1所述提高宽带信号分析仪器灵敏度和动态范围的装置，还有如下步骤：

步骤1：控制模块根据用户设置的状态或程序默认的初始设置状态对通道状态进行设置；

步骤2：增益预检测电路对通路信号增益进行预先检测，将检测结果送到控制模块，控制模块根据预先设置好的判定算法进行判定：如果检测信号幅度小于设定的阈值，则设置通路中的各部件或模块工作在高灵敏度模式；如果检测信号幅度大于等于设定的阈值，则设置通路中的各部件或模块工作在大动态能范围模式；

步骤3：在高灵敏度模式时，输入信号经程控步进衰减器、同轴开关组件、宽带放大器、高低波段开关后，再进入低波段混频通路或高波段混频通路，然后经中频处理电路、可变增益控制电路、采集处理电路和12控制模块，完成被测信号的处理和测试；

步骤4：在大动态范围模式时，输入信号经程控步进衰减器、同轴开关组件直接进入低波段混频通路或高波段混频通路，然后经中频处理电路、可变增益控制电路、采集处理电路和12控制模块，完成被测信号的处理和测试；

步骤5：如果被测信号幅度发生变化，根据增益预检测电路的检测值，达到设定的幅度阈值，则控制模块自动进行高灵度模式和大动态范围模式的切换；

步骤6：根据测试信号的幅度，可以自动选择程控步进衰减器的衰减量和可变增益控制电路的放大量，以进一步优化灵敏度和动态范围；程控步进衰减器可以选择直通或者衰减，其中最小衰减量为2dB，最大衰减量可超过60dB，衰减步进量为2dB；可变增益控制电路可实现总量超过50dB、1dB步进的增益调整；

步骤7：当用户执行通路校准时，通路会切换校准模块输出的校准信号，对高灵敏度以及大动态范围通路进行幅度定标和校准。

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