CN104635048B - 一种具有低底噪功能的频谱分析仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有低底噪功能的频谱分析仪，包括测量信号输入端、具有第一输入端、第一输出端、第二输出端的第一开关单元，具有第二输入端、第三输入端、第三输出端的第二开关单元，具有第四输入端、第五输入端、第四输出端的第三开关单元，校准信号源，包含步进衰减器的信号输出单元，固定衰减单元，控制单元，测量信号输入端连接第一输入端，第一输出端连接第二输入端，第三输出端连接信号输出单元，校准信号源连接第五输入端，第二输出端连接第四输入端，第四输入端连接第四输出端，在第四输出端与第三输入端之间连接固定衰减单元，控制单元控制第一开关单元、第二开关单元和第三开关单元的通断。通过对开关单元的连接改造，降低了底噪。
Description
技术领域
本发明涉及频谱分析装置领域，特别涉及一种具有低底噪功能的频谱分析仪。
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，具有很低的幅度监测灵敏度。主要应用于基站维护、电子产品研发、生产等领域。频谱分析仪一般分为扫频式和实时分析式两类。
参照图1，现有技术的频谱分析仪100采用超外差式结构，对通过射频前端模块101引入的输入信号、中频通道模块102对其进行多次变频，使之变成中频信号，然后送至包含ADC采样单元，数字中频滤波器单元，检波器单元及显示器单元的显示模块103进行输出和显示。在射频前端模块101中，被测信号从输入端口进入，用单刀双掷开关1来选通前端链路或者选通功率负载2，单刀双掷开关1有可能要承受较大功率，因此经常采用大功率单刀双掷开关或继电器来构成。单刀双掷开关4用于选通将被测信号输入前端链路还是将校准信号3接入前端链路从而进行自校准，校准信号3通常由频谱分析仪100的内部电路产生。单刀双掷开关5与单刀双掷开关7共同配合选通固定衰减器6是否接入前端链路。固定衰减器6可以承受较大的输入功率，当用频谱分析仪100测量较大功率的信号时，为了保证混频器13工作在线性区域，需要先将输入信号进行衰减；固定衰减器6通常具有较高的压缩点，以确保到达混频器13的被测信号不会被压缩。步进衰减器8是一个衰减量可调的衰减器，而且具有较宽的衰减器范围，可将输入的被测信号继续衰减至混频器13的最佳混频电平。单刀双掷开关9和单刀双掷开关11共同配合选通前置放大器10，前置放大器10用于小信号的测量，当被测量的信号幅度比较小且接近频谱分析仪100的低噪时，打开前置放大器10，将减小射频前端链路的噪声系数，即降低了噪声，这样小信号可以被准确的测量。滤波器12是一个低通滤波器，其作用是对混频器13的镜像频率进行抑制。
在频谱分析仪100中，有一个称做“底噪”的重要参数，底噪亦称背景噪声。一般指系统中除有用信号以外的总噪声。
频谱分析仪100的底噪公式为：（DANL=kTB+[10log（RBW/Hz）]dB+NFSA‐2.5）
DANL：平均噪声电平，即底噪；
kTB：热噪声功率，K为波尔兹曼常数，k=1.38*10‐23W/Hz；T为温度；B为噪声带宽；
RBW：频谱分析仪100的分辨带宽；
NFSA：射频前端模块101的噪声系数；
‐2.5：抽样检波器对噪声的欠加重和对数平均值的平均。
在研究中发现，上式中，当环境温度为290K时，且噪声带宽在1Hz内时的热噪声功率kTB的值为常数‐174dBm，而通常用DANL表征频谱分析仪100的底噪时，频谱分析仪100的分辨带宽都归一化到1Hz，因此，可以看出，改善频谱分析仪100的底噪只需要减小NFSA值，即减小射频前端模块101的噪声系数。
参照图2，用一个二端口网络200做实验，计算二端口网络200的噪声系数NFSA，需要先计算二端口网络200的噪声因子F，把噪声因子用分贝（dB）来表示就是噪声系数NFSA，噪声因子F的计算公式如下：其中F1、G1分别代表器件201的噪声因子和增益；F2、G2分别代表器件202的噪声因子和增益。
由此可以推出由多级网络构成的频谱分析仪100的噪声因子的计算公式为：
上式中，参照图1，
噪声因子F1主要是由射频前端模块101中的无源器件引起的；
噪声因子（F2‐1/G1）主要是由射频前端模块101中的前置放大器10引起的；
噪声因子（F3‐1/G1G2）主要是由射频前端模块101中的滤波器12引起的；
噪声因子（F4‐1/G1G2G3）主要是由射频前端模块101中的混频器13引起的。
研究中发现，射频前端模块101的无源器件中，单刀双掷开关的数量对噪声因子的影响较大，因此减少射频前端模块101中单刀双掷开关的数量可以降低射频前端模块101的噪声因子，进而也就降低了频谱分析仪100的底噪。
参照图1，在射频前端模块101中，到达步进衰减器8的输入信号有两条信号通路，一条是用于测量小功率信号的信号通路，从输入端口开始经过单刀双掷开关1、单刀双掷开关4，单刀双掷开关5和单刀双掷开关7的信号通路，另一条用于测量大功率信号的信号通路，从输入端口开始经过单刀双掷开关1、单刀双掷开关4、单刀双掷开关5，固定衰减器6和单刀双掷开关7的通路。从以上两条信号通路可以看出，其中的每一条信号通路都包含4个单刀双掷开关。对于两条信号通道，由于输入信号经过的开关数量相同，由开关引起的底噪功率也基本相同。众所周知，同样功率的底噪，对于小功率信号而言，其影响更大，不仅会影响小功率信号的测量范围，也会影响其测量精度。
总而言之，精确测量被测信号的幅度是频谱分析仪100最基本的功能之一，但由于现有技术中的频谱分析仪在小功率信号测量时，存在底噪的较高的问题，限制了频谱分析仪100测量微小信号的能力。
发明内容
本发明的目的在于：解决现有技术中的频谱分析仪在测量小功率信号时，底噪较高的技术问题，提供一种具有低底噪功能的频谱分析仪。
本发明提供的一种具有低底噪功能的频谱分析仪，包括一个测量信号输入端（301）、一个具有第一输入端（302）、第一输出端（303）、第二输出端（304）的第一开关单元（31），一个具有第二输入端（305）、第三输入端（306）、第三输出端（307）的第二开关单元（32），一个具有第四输入端（308）、第五输入端（309）、第四输出端（310）的第三开关单元（34），一个校准信号源（314），一个包含步进衰减器的信号输出单元（33），一个固定衰减单元（35），一个控制单元（36），所述测量信号输入端（301）连接所述第一输入端（302），所述第一输出端（303）连接所述第二输入端（305），所述第三输出端（307）连接所述信号输出单元（33），所述校准信号源（314）连接所述第五输入端（309），所述第二输出端（304）连接所述第四输入端（308），所述第四输入端（308）连接所述第四输出端（310），在所述第四输出端（310）与所述第三输入端（306）之间连接所述固定衰减单元（35），所述控制单元（36）控制所述第一开关单元（31）、第二开关单元（32）和第三开关单元（34）的通断。
本发明公开的一种具有低底噪功能的频谱分析仪，通过对射频前端的开关单元的连接关系进行改造，减少了射频前端测量信号通路中的开关单元的数量，降低了频谱分析仪的底噪。并且由于开关单元数量减少，更利于控制单元（36）对开关单元进行控制，同时降低了成本、提高了所述频谱分析仪的小信号测量范围和测量精度。
作为一种举例，所述控制单元（36）可以对一个低电平参考电平敏感，控制所述第一开关单元（31）的所述第一输入端（302）连接所述第一输出端（303），控制所述第二开关单元（32）的所述第二输入端（305）连接所述第三输出端（307），所述控制单元（36）可以对一个高电平参考电平敏感，控制所述第一开关单元（31）的所述第一输入端（302）连接所述第二输出端（304），控制所述第二开关单元（32）的第三输入端（306）连接所述第三输出端（307）。
作为一种举例，所述低电平参考电平可以是由所述测量信号输入端（301）输出的低电平信号，所述高电平参考电平可以是由所述测量信号输入端（301）输出的高电平信号。
作为一种举例，所述控制单元（36）可以依据所述测量信号输入端（301）输出的电平信号的电平值小于一个阈值电平值，将所述电平信号确认为低电平信号，所述控制单元（36）可以依据所述测量信号输入端（301）输出的电平信号的电平值大于上述阈值电平值，将所述电平信号确认为高电平信号。
当低电平信号输入频谱分析仪时，频谱分析仪的底噪对低电平信号的影响尤为明显。由于控制单元（36）在所述测量信号输入端获取的信号为低电平信号时，控制所述第一开关单元（31）的所述第一输入端（302）连接所述第一输出端（303），控制所述第二开关单元（32）的所述第二输入端（305）连接所述第三输出端（307），从而减少了低电平信号通路中的一个开关单元，特别降低了低电平信号输入时，频谱分析仪的底噪，提高了测量精度。
作为一种举例，所述控制单元（36）可以对环境温度敏感，在环境温度超出预定范围时，控制所述第三开关单元（34）的所述第五输入端（309）连接所述第四输出端（310），控制所述第二开关单元（32）的所述第三输入端（306）连接所述第三输出端（307）。
当环境温度超出预定范围时，控制单元（36）控制校准信号源（314）输出的校准信号通过固定衰减单元（35）的通路输入频谱分析仪，使频谱分析仪启动自校准功能，保证了频谱分析仪在不同环境温度下，测量的准确性。
作为一种举例，所述控制单元（36）还可以控制所述第一开关单元（31）的所述第一输入端（302）连接所述第二输出端（304）。
在频谱分析仪进行自校准的过程中，将所述第一开关单元（31）的所述第一输入端（302）连接所述第二输出端（304）也就切断了测量信号输入频谱分析仪的路径，进一步地保证了自校准的准确性。
附图说明
图1是现有技术频谱分析仪100的结构框图
图2是二端口网络200的结构示意图
图3是本发明优选实施例1的频谱分析仪300的结构框图
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的优选实施例做进一步详细的说明。
优选实施例1：参照图3，优选实施例1的频谱分析仪300，包括一个测量信号输入端301、一个具有第一输入端302、第一输出端303、第二输出端304的第一开关单元31，一个具有第二输入端305、第三输入端306、第三输出端307的第二开关单元32，一个具有第四输入端308、第五输入端309、第四输出端310的第三开关单元34，一个校准信号源314，一个包含步进衰减器的信号输出单元33，一个固定衰减单元35，一个控制单元36，测量信号输入端301连接第一输入端302，第一输出端303连接第二输入端305，第三输出端307连接信号输出单元33，校准信号源314连接第五输入端309，第二输出端304连接第四输入端308，第四输入端308连接第四输出端310，在第四输出端310与第三输入端306之间连接固定衰减单元35，控制单元36控制第一开关单元31、第二开关单元32和第三开关单元34的通断。
参照图3，结合参照图1，本优选实施例1中的信号输出单元33可以实现现有技术射频前端模块101中的步进衰减器8以后的全部电路的功能，以及实现现有技术中频通道模块102和显示模块103的功能。
本实施例所述的频谱分析仪300在测量小功率信号时，由第一开关单元31和第二开关单元32形成通路，在测量大功率信号时，第一开关单元31、第三开关单元34，固定衰减单元35和第二开关单元32形成通路，可以看出在测量小功率信号的通路中，只有第一开关单元31和第二开关单元32这两个开关，比较现有技术，这一条用于测量小功率信号的通路中的开关单元（31、34）的数量明显比现有技术减少了，从而，大大降低了频谱分析仪300的底噪。
参照图1，比较现有技术，现有技术中的校准信号3通过单刀双掷开关4进入射频前端模块101，现有技术的射频前端模块101中，到达步进衰减器8的输入信号有两条信号通路，第一条是用于测量小功率信号的信号通路，从输入端口开始经过单刀双掷开关1、单刀双掷开关4，单刀双掷开关5和单刀双掷开关7的信号通路，第二条用于测量大功率信号的信号通路，从输入端口开始经过单刀双掷开关1、单刀双掷开关4、单刀双掷开关5，固定衰减器6和单刀双掷开关7的通路。
由于校准信号3是一个固定电平幅度的值，校准信号3要么是一个小功率信号，要么是一个大功率信号，而现有技术中也存在一条用于测量小功率信号的信号通路和一条用于测量大功率信号的信号通路。这决定了校准信号3要么通过上述第一条通道进行校准，要么通过上述第二条通道进行校准。也就是说，现有技术中的校准信号3只能校准一条通道。
参照图3，本发明优选实施例1中，校准信号源314输出的校准信号，通过第三开关单元34、固定衰减单元35和第二开关单元32进入到信号输出单元33中，也就是将校准信号源314输出的校准信号限定为只经过大功率信号的通道，与现有技术的校准信号3也只能校准一条通道的技术方案相比，本发明的技术方案并没有折损校准效果，而是在保证了校准效果的基础上，降低了频谱分析仪300的底噪。
本优选实施例1中，第一开关单元31、第二开关单元32和第三开关单元34均采用单刀双掷开关构成。作为另外的举例，第一开关单元31、第二开关单元32和第三开关单元34也可以采用单刀三掷、单刀四掷等开关构成，只是如果采用单刀三掷、单刀四掷等开关时，会出现闲置的端子，所以，采用单刀双掷开关效果为最好。
本优选实施例1中，控制单元36利用现场可编程门阵列（Field-ProgrammableGate Array，FPGA）来实现。作为另外的举例，控制单元36也可以由复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）来实现，控制单元36并不局限于FPGA或CPLD，只要能够控制第一开关单元31、第二开关单元32和第三开关单元34通断的控制系统都能作为控制单元36的实现方式。
优选实施例2：参照图3，优选实施例2仍然沿用优选实施例1的框图，在本优选实施例2中，当用户知道测量信号的电平的情况下，用户可以通过频谱分析仪300的键盘来设置一个与该测量信号电平相同的参考电平，使得测量信号在频谱分析仪300的显示屏上易于被观察，当用户通过键盘输入参考电平时，控制单元36也被预先设定了判断该参考电平为低电平或为高电平的命令，当控制单元36检测到所述参考电平为低电平时，控制单元36控制第一开关单元31的第一输入端302连接第一输出端303，控制第二开关单元32的第二输入端305连接第三输出端307，使得低电平信号通过第一开关单元31和第二开关单元32直接进入信号输入单元33。当低电平信号输入频谱分析仪300时，频谱分析仪300的底噪对低电平信号的影响尤为明显。由于控制单元36实时检测低电平信号，并控制第一开关单元31和第二开关单元32的通断，减少了低电平信号通路中的开关单元数量，因此特别降低了低电平信号输入时，频谱分析仪300的底噪，提高了测量精度。而当控制单元36检测到所述参考电平为高电平时，控制单元36控制第一开关单元31的第一输入端302连接第二输出端304，控制第二开关单元32的第三输入端306连接第三输出端307，使得高电平信号先经过固定衰减器35衰减以后再进入信号输出单元33。
作为另外的举例，在本举例说明中，控制单元36将该参考电平与阈值电平进行比较，当参考电平小于阈值电平时，控制单元36控制第一开关单元31的第一输入端302连接第一输出端303，控制第二开关单元32的第二输入端305连接第三输出端307，使得低电平信号通过第一开关单元31和第二开关单元32直接进入信号输入单元33。当低电平信号输入频谱分析仪300时，频谱分析仪300的底噪对低电平信号的影响尤为明显。由于控制单元36实时检测低电平信号，并控制第一开关单元31和第二开关单元32的通断，减少了低电平信号通路中的开关单元数量，因此特别降低了低电平信号输入时，频谱分析仪300的底噪，提高了测量精度。而当参考电平大于上述阈值电平时，控制单元36控制第一开关单元31的第一输入端302连接第二输出端304，控制第二开关单元32的第三输入端306连接第三输出端307，使得高电平信号先经过固定衰减器35衰减以后再进入信号输出单元33。
作为另外的举例，在本举例说明中，控制单元36还设有一个检测单元，对测量信号输入端301获取的测量信号的电平进行检测，当测量信号的电平小于一个阈值电平时，控制单元36控制第一开关单元31的第一输入端302连接第一输出端303，控制第二开关单元32的第二输入端305连接第三输出端307，使得低电平信号通过第一开关单元31和第二开关单元32直接进入信号输入单元33。当低电平信号输入频谱分析仪300时，频谱分析仪300的底噪对低电平信号的影响尤为明显。由于控制单元36实时检测低电平信号，并控制第一开关单元31和第二开关单元32的通断，减少了低电平信号通路中的开关单元数量，因此特别降低了低电平信号输入时，频谱分析仪300的底噪，提高了测量精度和小信号的测量范围。而当测量信号的电平大于上述阈值电平时，控制单元36控制第一开关单元31的第一输入端302连接第二输出端304，控制第二开关单元32的第三输入端306连接第三输出端307，使得高电平信号先经过固定衰减器35衰减以后再进入信号输出单元33。
作为另外的举例，在本举例说明中，频谱分析仪300在默认情况下，被设定为第一开关单元31的第一输入端302连接第一输出端303，控制第二开关单元32的第二输入端305连接第三输出端307，仅当控制单元36的检测单元检测到的测量信号的电平大于上述阈值电平时，控制单元36控制第一开关单元31的第一输入端302连接第二输出端304，控制第二开关单元32的第三输入端306连接第三输出端307，使得高电平信号先经过固定衰减器35衰减以后再进入信号输出单元33。
本优选实施例2及上述各举例说明中，阈值电平的值均为15dB，作为另外的举例，阈值电平可也可以设置为其它值，如10dB。
优选实施例3，参照图3，优选实施例3仍然沿用优选实施例1和优选实施例2的框图，优选实施例3可以应用于优选实施例1中或应用于优选实施例2中。优选实施例3中的控制单元36实时检测环境温度，在环境温度超出30摄氏度或低于0摄氏度时，控制第三开关单元34的第五输入端309连接第四输出端310，控制第二开关单元32的第三输入端306连接第三输出端307。使得校准信号源314输出的校准信号经过第三开关单元34、固定衰减单元35、第二开关单元32进入信号输出单元33对频谱分析仪300进行自校准，保证了频谱分析仪300在不同环境温度下，测量的准确性。
作为另外的举例，在本举例说明中，还可以设置其他的环境温度值作为启动自校准的阈值温度，例如可以设置在环境温度值高于25摄氏度时启动自校准或者可以设置在环境温度值低于-10摄氏度时启动自校准。
作为另外的举例，在本举例说明中，当频谱分析仪300开机时或人为手动启动自校准按键时，控制单元36也控制第三开关单元34的第五输入端309连接第四输出端310，控制第二开关单元32的第三输入端306连接第三输出端307。使得校准信号源314输出的校准信号经过第三开关单元34、固定衰减单元35、第二开关单元32进入信号输出单元33对频谱分析仪300进行自校准，从而保证频谱分析仪300在不同环境温度下，测量的准确性。
在本优选实施例3中，为了防止频谱分析仪300在自校准过程中，测量信号对自校准过程可能产生的干扰，控制单元36还控制第一开关单元31的第一输入端302连接第二输出端304。将第一开关单元31的第一输入端302连接第二输出端304也就切断了测量信号输入频谱分析仪300的路径，进一步地保证了自校准的准确性。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所应理解的是，以上优选实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种具有低底噪功能的频谱分析仪，包括一个测量信号输入端(301)、一个具有第一输入端(302)、第一输出端(303)、第二输出端(304)的第一开关单元(31)，一个具有第二输入端(305)、第三输入端(306)、第三输出端(307)的第二开关单元(32)，一个具有第四输入端(308)、第五输入端(309)、第四输出端(310)的第三开关单元(34)，一个校准信号源(314)，一个包含步进衰减器的信号输出单元(33)，一个固定衰减单元(35)，一个控制单元(36)，其特征在于，所述测量信号输入端(301)连接所述第一输入端(302)，所述第一输出端(303)连接所述第二输入端(305)，所述第三输出端(307)连接所述信号输出单元(33)，所述校准信号源(314)连接所述第五输入端(309)，所述第二输出端(304)连接所述第四输入端(308)，所述第四输入端(308)连接所述第四输出端(310)，在所述第四输出端(310)与所述第三输入端(306)之间连接所述固定衰减单元(35)，所述控制单元(36)控制所述第一开关单元(31)、第二开关单元(32)和第三开关单元(34)的通断；
所述控制单元(36)对一个低电平参考电平敏感，控制所述第一开关单元(31)的所述第一输入端(302)连接所述第一输出端(303)，控制所述第二开关单元(32)的所述第二输入端(305)连接所述第三输出端(307)，所述控制单元(36)对一个高电平参考电平敏感，控制所述第一开关单元(31)的所述第一输入端(302)连接所述第二输出端(304)，控制所述第二开关单元(32)的第三输入端(306)连接所述第三输出端(307)；
所述控制单元(36)对环境温度敏感，在环境温度超出预定范围时，控制所述第三开关单元(34)的所述第五输入端(309)连接所述第四输出端(310)，控制所述第二开关单元(32)的所述第三输入端(306)连接所述第三输出端(307)。
2.根据权利要求1所述的频谱分析仪，其特征在于，所述低电平参考电平是由所述测量信号输入端(301)输出的低电平信号，所述高电平参考电平是由所述测量信号输入端(301)输出的高电平信号。
3.根据权利要求2所述的频谱分析仪，其特征在于，所述控制单元(36)依据所述测量信号输入端(301)输出的电平信号的电平值小于一个阈值电平值，将所述电平信号确认为低电平信号，所述控制单元(36)依据所述测量信号输入端(301)输出的电平信号的电平值大于上述阈值电平值，将所述电平信号确认为高电平信号。
4.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(36)还控制所述第一开关单元(31)的所述第一输入端(302)连接所述第二输出端(304)。
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| CN103178868A (zh) * | 2011-12-21 | 2013-06-26 | 神讯电脑(昆山)有限公司 | 射频传输电路及其电子装置与其节省功率方法 |
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2013
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