CN103869158B - 一种频谱分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种频谱分析仪，所述频谱分析仪包括一种可变环路带宽的锁相环，锁相环包括：鉴相器、滤波单元、控制单元、压控振荡器和分频器；滤波单元包括并联的第一滤波支路和第二滤波支路；第一滤波支路包括串联的第一环路滤波器和第一开关，第二滤波支路包括串联的第二环路滤波器和第二开关；第一环路滤波器与第二环路滤波器具有不同的环路带宽；控制单元，与第一开关和第二开关连接，用于根据预置扫宽切换第一开关或者第二开关，来选择第一环路滤波器和第二环路滤波器的其中一个，以改变锁相环的环路带宽。该锁相环可以使得频谱分析仪近旁相位噪声达到晶体振荡器输出的相当指标，同时宽Span时远端获得VCO实际的相位噪声指标。

Description

一种频谱分析仪

技术领域

本发明涉及通用电子测量测试领域，具体地涉及一种可变环路带宽的频谱分析仪。

背景技术

频谱分析仪是一种用来对被测信号进行频谱分析的接收机，可以测量未知信号的频率、幅度，失真等相关参数，具有很宽的频率测量范围，具有很高的幅度监测灵敏度。主要应用于基站维护、电子产品研发、生产等领域。相位噪声是频谱分析仪的一个重要的指标，相位噪声是指单位Hz的噪声密度与信号总功率之比，表现为载波相位的随机漂移。频谱分析仪低的相位噪声，体现了分辨大信号近旁小信号的能力。图1为现有技术的近旁小信号被高的相位噪声淹没的示意图。如图1所示，由于近旁相位噪声较高，导致附近的小信号被噪声淹没，其中标号10为被相位噪声淹没的小信号。频谱分析仪的相位噪声由本振信号决定，而本振信号的相位噪声指标的主要因素是时钟的抖动和电源的干扰。

频谱分析仪的相位噪声指标取决于本地振荡器（简称本振，LO），本振PLL的典型方框图如图2所示，图2为现有技术的频谱分析仪本振方框图。本振PLL主要由鉴相器21、环路滤波器22、压控振荡器VCO23、分频器24和晶体振荡器25组成，鉴相器21的参考信号由晶体振荡器25提供。压控振荡器VCO23的输出信号经分频器24，得到与参考信号相同频率的信号，然后输入至鉴相器21，与参考信号的相位进行比较，得到两个信号的相位差，该相位差经过环路滤波器22的积分滤波，变成直流信号，然后去控制VCO23的输出频率。此环路经过一定时间，相位差将趋于零，即VCO23输出信号与参考信号相位同步。现有的锁相环PLL方案中，锁相环输出的相位噪声取决于振荡器本身的相位噪声，因此要获得低的相位噪声指标的频谱分析仪，需要不断降低本振输出的相位噪声。

发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术至少存在以下不足：

PLL输出的相位噪声与环路带宽（环路滤波器带宽）有密切关系。在环路带宽之内，PLL输出的相位噪声取决于参考信号，即将参考信号的相位噪声折算到锁相环输出频率时的相位噪声；环路带宽之外，PLL输出的相位噪声取决于振荡器本身的相噪指标。因此研究人员可以通过调整环路带宽，获得较低的相位噪声。

通常利用晶体振荡器输出信号作为PLL的参考信号，它的特点是近旁相位噪声比较好，而远端相位噪声比较差；PLL中的振荡器通常使用压控振荡器（VCO），VCO的特点是近旁相噪比较差，而远端相位噪声比较好。因此当PLL的环路带宽较宽时，近旁（环路带宽内）的相位噪声会比较好，但远端相位噪声会变差；相反如果采用比较窄的环路带宽时，近旁相位噪声变差，但远端相位噪声会变好。在设计中研究人员很难近旁和远端同时兼顾。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种频谱分析仪，以解决现有频谱分析仪中PLL输出信号近旁和远端的相位噪声指标不能同时兼顾的问题。

为达上述目的，本发明实施例提供一种频谱分析仪，所述频谱分析仪包括一种可变环路带宽的锁相环，所述锁相环包括：鉴相器、滤波单元、控制单元、压控振荡器和分频器；所述鉴相器连接所述滤波单元，所述滤波单元连接所述压控振荡器，所述压控振荡器连接所述分频器，所述分频器连接所述鉴相器，所述控制单元连接所述滤波单元；

所述滤波单元包括并联的第一滤波支路和第二滤波支路；所述第一滤波支路包括串联的第一环路滤波器和第一开关，所述第二滤波支路包括串联的第二环路滤波器和第二开关；所述第一环路滤波器与所述第二环路滤波器具有不同的环路带宽；

所述控制单元，与所述第一开关和第二开关连接，用于根据预置扫宽切换所述第一开关或者第二开关，来选择所述第一环路滤波器和所述第二环路滤波器的其中一个，以改变所述锁相环的环路带宽。

本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果在于：

本发明实施例的频谱分析仪设计两组环路带宽，通过开关切换，结合频谱分析仪的扫宽（Span）的设置，当Span小时，关注近旁相噪时采用宽的环路带宽，而当Span大时更关注远端相噪时采用较窄的环路带宽，使得整个范围内都能够得到更低的相位噪声。通过本发明实施例，可以使得频谱分析仪近旁相位噪声达到晶体振荡器输出的相当指标，同时宽Span时远端获得VCO实际的相位噪声指标。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术的近旁小信号被高的相位噪声淹没的示意图；

图2为现有技术的频谱分析仪本振方框图；

图3为本发明实施例的频谱分析仪中一种可变环路带宽的锁相环的整体结构示意图；

图4A为本发明实施例的锁相环的环路滤波器（采用无源RC滤波器）电路框图；

图4B为本发明实施例的锁相环的环路滤波器（采用有源比例积分滤波器）电路框图；

图5为本发明实施例依据图3的可变环路带宽的锁相环的一种结构示意图；

图6为本发明实施例依据图3的可变环路带宽的锁相环的另一种结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例的频谱分析仪的技术方案是设计两组环路带宽，通过开关切换，结合频谱分析仪的扫宽（Span）的设置，当Span小时，关注近旁相噪时采用宽的环路带宽，而当Span大时更关注远端相噪时采用较窄的环路带宽，使得整个范围内都能够得到更低的相位噪声。通过本发明实施例，可以使得频谱分析仪近旁相位噪声达到晶体振荡器输出的相当指标，同时宽Span时远端获得VCO实际的相位噪声指标。

图3为本发明实施例的频谱分析仪中的可变环路带宽的锁相环的整体结构示意图。如图3所示，该可变环路带宽的锁相环包括：鉴相器31、滤波单元32、控制单元35、压控振荡器33和分频器34；鉴相器31连接滤波单元32，滤波单元32连接压控振荡器33，压控振荡器33连接分频器34，分频器34连接鉴相器31，控制单元35连接滤波单元32；

滤波单元35包括并联的第一滤波支路和第二滤波支路；第一滤波支路包括串联的第一环路滤波器321和第一开关322，第二滤波支路包括串联的第二环路滤波器323和第二开关324；第一环路滤波器321与第二环路滤波器323具有不同的环路带宽；

控制单元35，与第一开关322和第二开关324连接，用于根据预置扫宽切换第一开关322或者第二开关324，来选择第一环路滤波器321和第二环路滤波器323的其中一个，以改变锁相环的环路带宽。

图3中，f1是参考信号的频率，fv是振荡器的输出频率，f2为振荡频率经分频器分频后的频率。

在第一实施例中，第一环路滤波器321与第二环路滤波器323均为无源滤波器。

在第二实施例中，第一环路滤波器321与第二环路滤波器323均为有源滤波器。

在第一实施例中，第一环路滤波器包括一个共用的电阻器和第一电容器，第二环路滤波器包括共用的电阻器和第二电容器，第一电容器与第二电容器并联，第一电容器的一端接地，另一端连接第一开关，第二电容器的一端接地，另一端连接第二开关，第一电容器与第二电容器的电容值不同，共用的电阻器连接于鉴相器与压控振荡器之间；

控制单元，用于切换到第一开关，以仅选择第一电容器与共用的电阻器构成RC滤波器；或者切换到第二开关，以仅选择第二电容器与共用的电阻器构成RC滤波器。这里的在第一开关与第二开关之间进切换，是指使其中一个开关闭合，且另一开关断开。当切换到某个开关时，使该开关闭合，并使另一开关断开。

第一电容器的电容值为10pF至100pF，第二电容器的电容值为1nF至3.3uF。

在第二实施例中，第一环路滤波器与第二环路滤波器共用一个运算放大器，并在所述运算放大器的负输入端和输出端之间设置并联的两路电路，每一路电路包括串联的电阻器和电容器，两路电路的电容器的电容值不同；两路电路的其中一路设置有第一开关，另一路设置有第二开关。

该控制单元，用于切换该第一开关或第二开关，以选择上述两路电路的其中一路与该共用的运算放大器构成有源滤波器。

在上述实施例中，第一开关322和第二开关324可以采用场效应管、模拟开关或者继电器。

以下对本发明实施例的可变环路带宽的锁相环和频谱分析仪进行更为详细的说明：

锁相环中环路滤波器的形式多种多样，总的来说可以大致分为有源比例积分滤波器和无源RC低通滤波器两类，其滤波器电路形式分别如图4A和图4B所示，环路滤波器的带宽由RC来确定。图4A为本发明实施例的锁相环的环路滤波器（采用无源RC滤波器）电路框图；图4B为本发明实施例的锁相环的环路滤波器（采用有源比例积分滤波器）电路框图。

图4A中的无源滤波器的噪声更低。当振荡器的输出频率范围比较小时，即锁相环工作于窄带时，这时压控电压在比较小范围内控制振荡器。该类滤波器的截止频率计算公式为：f＝1/(2πRC)。

图4B中的滤波器为积分滤波器，它输出的最大电压范围与运算放大器的正负电源相等，通常适用于压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）的输出频率范围较大时，压控电压的要求范围比较大。其阻容值取值与图4A相同，f＝1/(2πR2C)。图4B中，因为该滤波器形式是比例积分滤波器，因此R1取值等于R2。

本发明实施例的设计是采用两种参数的滤波器，通过开关选择来改变环路带宽。

环路带宽的切换需要与频谱分析仪的Span大小配合来进行，当Span小时采用宽环路带宽，近旁的相位噪声由参考信号决定，计算公式如下：

P_noise=20log(f_o/f_c)+φ_noies

其中：f_o为锁相环输出的频率；

f_c为参考信号的频率；

φ_noies为参考信号的相位噪声；

P_noise为锁相环输出的相位噪声。

当频谱分析仪Span比较大时，将开关选择至较窄的环路带宽，这时信号远端相位噪声取决于VCO。

在本发明实施例中，并联两路环路滤波器时，通常两路滤波器形式相同。实际应用中，当选择图4A中的电路形式时，可以用开关切换两个不同的电容，从而改变滤波器的截止频率；当选择图4B中的电路形式时，用开关切换两组R2C值，以达到改变环路滤波器带宽的目的。

如图3所示，控制单元35发出开关控制信号来控制开关，与频谱分析仪的Span设置相关，Span超过某个值时，将环路带宽切换至较窄一路；当Span低于某个值时，将环路带宽切换至较宽一路。Span判断的这个值，与环路带宽的较大值相等或略低。例如：两个环路带宽10kHz和500kHz，这个判别值通常设置在300-500kHz之间，当Span大于300k时，将环路带宽切换至10kHz；当环路带宽小于300kHz时，将环路带宽切换至500kHz。开关控制信号可以是一路，因为两个开关只能选其一。开关要求引入的噪声超低，通常选择噪声比较低的场效应管，如2N7002；或者低噪声的模拟开关DG417/418/419等；或者继电器都可以实现。

滤波单元的实现方式包括如下两种：

1）、当图3的方案具体实施电路选择图4A方案时，请参阅图5：

相同的标号指示与图3中相同的器件，32A指示一种滤波单元。电阻R设置在主干路上，两个电容C1和C2取不同的值，端口11和12通常接地（单端形式）；根据Span的值来切换开关2和4，来选择环路滤波器带宽。

假如C1容值比较小，C2容值比较大，那么当环路带宽较大时，C2断开，C1接通，C1的电容值一般在几十pF至100pF之间，环路带宽大概在几百kHz以下；当环路带宽较小时，C1可以断开（也可以不断开，小容值电容与大容值电容并联时，总容值与大容值接近），C2连接，其中通常会达到1nF以上，电容越大环路越窄（当甚至达到1uF以上时，带宽通常会小于5kHz），通常几十kHz的环路带宽，电容值会在1nF至3.3uF之间。

实际中图5所示的电路通常下面两个端口接地，鉴相器是差分输出，但只取其中一路即可，VCO的压控端是单路。

2）、当图3中的方案具体实施电路选择图4B的方案时，请参阅图6：

相同的标号指示与图3中相同的器件，32B指示另一种滤波单元。电阻R1设置在主干路上，阻容R2、C2形成一路，阻容R3、C3形成另一路，根据Span的值切换开关2和4，来选择环路滤波器带宽。阻容R2、C2；R3、C3取值不同，以此来适应噪声指标，其取值范围与上面基本相同，计算公式也相同。较佳地，R1、R2、R3电阻值相等。

当采用图6所示电路时，可以用差分输入，也可以同图5，鉴相器其中一路接到运算放大器的负端，正端接一固定的电压，该固定电压要求稳定，通常在0-10V之间。开关要求引入的噪声比较低，通常用场效管来实现。

本发明实施例设计两组环路带宽，通过开关切换，结合频谱分析仪的扫宽（Span）的设置，当Span小时，关注近旁相噪时采用宽的环路带宽，而当Span大时更关注远端相噪时采用较窄的环路带宽，使得整个范围内都能够得到更低的相位噪声。通过本发明实施例，可以使得频谱分析仪近旁相位噪声达到晶体振荡器输出的相当指标，同时宽Span时远端获得VCO实际的相位噪声指标。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块（illustrative logical block），单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性（interchangeability），上述的各种说明性部件（illustrative components），单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

本发明实施例中所描述的各种说明性的逻辑块，或单元都可以通过通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路（ASIC），现场可编程门阵列（FPGA）或其它可编程逻辑装置，离散门或晶体管逻辑，离散硬件部件，或上述任何组合的设计来实现或操作所描述的功能。通用处理器可以为微处理器，可选地，该通用处理器也可以为任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以通过计算装置的组合来实现，例如数字信号处理器和微处理器，多个微处理器，一个或多个微处理器联合一个数字信号处理器核，或任何其它类似的配置来实现。

本发明实施例中所描述的方法或算法的步骤可以直接嵌入硬件、处理器执行的软件模块、或者这两者的结合。软件模块可以存储于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中其它任意形式的存储媒介中。示例性地，存储媒介可以与处理器连接，以使得处理器可以从存储媒介中读取信息，并可以向存储媒介存写信息。可选地，存储媒介还可以集成到处理器中。处理器和存储媒介可以设置于ASIC中，ASIC可以设置于用户终端中。可选地，处理器和存储媒介也可以设置于用户终端中的不同的部件中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种频谱分析仪，其特征在于，所述频谱分析仪包括一种可变环路带宽的锁相环，所述锁相环包括：鉴相器、滤波单元、控制单元、压控振荡器和分频器；所述鉴相器连接所述滤波单元，所述滤波单元连接所述压控振荡器，所述压控振荡器连接所述分频器，所述分频器连接所述鉴相器，所述控制单元连接所述滤波单元；

所述滤波单元包括并联的第一滤波支路和第二滤波支路；所述第一滤波支路包括串联的第一环路滤波器和第一开关，所述第二滤波支路包括串联的第二环路滤波器和第二开关；所述第一环路滤波器与所述第二环路滤波器具有不同的环路带宽；

所述控制单元，与所述第一开关和第二开关连接，用于根据预置扫宽切换所述第一开关或者第二开关，来选择所述第一环路滤波器和所述第二环路滤波器的其中一个，以改变所述锁相环的环路带宽。

2.根据权利要求1所述的频谱分析仪，其特征在于，所述控制单元，具体用于当所述扫宽大于等于一个预置扫宽时，控制所述开关来选择所述第一环路滤波器和所述第二环路滤波器中环路带宽小的一个；并当所述扫宽小于所述预置扫宽时，控制所述开关来选择所述第一环路滤波器和所述第二环路滤波器中环路带宽大的一个。

3.根据权利要求1所述的频谱分析仪，其特征在于，所述第一环路滤波器与所述第二环路滤波器均为无源滤波器。

4.根据权利要求1所述的频谱分析仪，其特征在于，所述第一环路滤波器与所述第二环路滤波器均为有源滤波器。

5.根据权利要求3所述的频谱分析仪，其特征在于，所述第一环路滤波器包括一个共用的电阻器和第一电容器，所述第二环路滤波器包括所述共用的电阻器和第二电容器，所述第一电容器与所述第二电容器并联，所述第一电容器的一端接地，另一端连接所述第一开关，所述第二电容器的一端接地，另一端连接所述第二开关，所述第一电容器与所述第二电容器的电容值不同，所述共用的电阻器连接于所述鉴相器与所述压控振荡器之间；

所述控制单元，用于切换到所述第一开关，以仅选择所述第一电容器与所述共用的电阻器构成RC滤波器；或者切换到所述第二开关，以仅选择所述第二电容器与所述共用的电阻器构成RC滤波器。

6.根据权利要求5所述的频谱分析仪，其特征在于，所述第一电容器的电容值为10pF至100pF，所述第二电容器的电容值为1nF至3.3uF。

7.根据权利要求4所述的频谱分析仪，其特征在于，所述第一环路滤波器与所述第二环路滤波器共用一个运算放大器，并在所述运算放大器的负输入端和输出端之间设置并联的两路电路，每一路电路包括串联的电阻器和电容器，两路电路的电容器的电容值不同；所述两路电路的其中一路设置有所述第一开关，另一路设置有所述第二开关；

所述控制单元，用于切换所述第一开关或第二开关，以选择所述两路电路的其中一路与所述运算放大器构成有源滤波器。

8.根据权利要求1所述的频谱分析仪，其特征在于，所述第一开关和第二开关采用场效应管、模拟开关或者继电器。