CN104635049B - 一种具有校准功能的频谱分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有校准功能的频谱分析仪，涉及频谱分析装置领域。包括并行输出高波段校准源基准和低波段校准源基准的基准产生单元、产生功率基准的DAC单元、分时接收所述高波段校准源基准和低波段校准源基准，并根据功率基准产生校准信号的自动电平控制单元，接收所述校准信号并具有高频通道和低频通道的信号处理单元。由于在自动电平控制单元接收高波段校准源基准，产生校准信号时，信号处理单元的高频通道接收校准信号，在自动电平控制单元接低波段校准源基准，产生校准信号时，信号处理单元的低频通道接收校准信号。因此，无论频谱分析仪对高波段信号进行测量还是对低波段信号进行测量，都能够保证对测量结果校准的准确性。

Description

一种具有校准功能的频谱分析仪

技术领域

本发明涉及频谱分析装置领域，特别涉及一种具有校准功能的频谱分析仪。

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、幅值，失真等相关参数，通常具有很宽的频率和幅值测量范围。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多采用超外差式结构，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，控制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输出单元3接入前端链路从而进行自校准，校准信号输出单元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，当被测量的信号幅值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。

参照图2，在与本申请同日递交的一件专利申请中还公开了一种改进的频谱分析仪200，在频谱分析仪200中，中频通道模块202对通过射频前端模块201引入的输入信号进行多次变频，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，控制单元及显示器单元的显示模块203进行输出和显示。与现有技术频谱分析仪100不同的是：该申请将射频前端模块101中的单刀双掷开关4放置到该申请射频前端模块201中的固定衰减器6之前，使校准信号输出单元3通过固定衰减器6的通路进入频谱分析仪200中。

在频谱分析仪100或频谱分析仪200中，由于射频前端模块101或射频前端模块201会随着时间和温度的变化而引起增益的变化，使频谱分析仪100或频谱分析仪200测量的信号不准确，因此，频谱分析仪100或频谱分析仪200会通过校准信号输出单元3输出一路校准信号，频谱分析仪100或频谱分析仪200将其通过测量得到的校准信号的幅值与校准信号的实际幅值做差值，显示模块103或显示模块203中的控制单元将所述差值保存起来，在频谱分析仪100或频谱分析仪200以后的测量结果中，都会自动加上该差值，以减少测量结果的误差。

参照图3，结合参考图1、图2，无论在射频前端模块101中还是在射频前端模块201中，在步进衰减器8后面都可以设置两路波段信号通路，如由第一前置放大器301以及与第一前置放大器301顺序连接的第一滤波器302、第一混频器303组成的低波段信号通道307，通过第一混频器303输出一路低波段中频信号A；以及由第二前置放大器304及与第二前置放大器304顺序连接的第一滤波器组305、第二混频器306组成的高波段信号通道308，通过第二混频器输出一路高波段中频信号B。

以图2为例，低波段中频信号A和高波段中频信号B输出后，在中频通道模202中再经过一次混频，使低波段中频信号A和高波段中频信号B变成相同频率的中频信号，然后送至显示模块203进行输出和显示。

参照图3，结合参考图1、图2，现有的校准信号输出单元3可以输出一路校准信号，要么是高波段校准信号，要么是低波段校准信号，当射频前端模块101或射频前端模块201中的步进衰减器8后面具有低波段信号通道307和高波段信号通道308时，校准信号输出单元3也只输出一路校准信号进行校准。比如，当校准信号输出单元3输出的是低波段校准信号时，所述低波段校准信号仅通过低波段信号通道307进入中频通道模块202和显示模块203，频谱分析仪100或频谱分析仪200将测量值与低波段校准信号的实际幅值做差值，并将所述差值保存起来，在频谱分析仪100或频谱分析仪200以后的测量结果中，都会自动减除该差值，以减少测量结果的误差；当频谱分析仪100或频谱分析仪200测量高波段信号时，也采用上述低波段校准信号产生的差值来校准测量结果。

又比如，校准信号输出单元3输出的是高波段校准信号时，所述高波段校准信号也仅通过高波段信号通道308进入中频通道模块202和显示模块203，频谱分析仪100或频谱分析仪200将测量值与高波段校准信号的实际幅值做差值，并将所述差值保存起来，在频谱分析仪100或频谱分析仪200以后的测量结果中，都会自动减除该差值，以减少测量结果的误差；当频谱分析仪100或频谱分析仪200测量低波段信号时，也采用上述高波段校准信号产生的差值来校准测量结果。

但是，研究中发现，现有技术所采用的校准方法是有缺陷的，无论校准信号的频率采用高频还是低频，或是采用高频和低频信号的临界频率信号，并不能同时满足频谱分析仪100或频谱分析仪200对高波段信号和低波段信号测量的准确性，如，当采用一路低波段校准信号对频谱分析仪100或频谱分析仪200进行校准时，频谱分析仪100或频谱分析仪200对高波段信号进行测量时产生的测量误差较大，当采用一路高波段校准信号对频谱分析仪100或频谱分析仪200进行校准时，频谱分析仪100或频谱分析仪200又对低波段信号进行测量时产生了较大的测量误差。

发明内容

本发明的目的在于：解决现有技术的频谱分析仪不能同时满足对高波段信号和低波段信号测量的准确性的技术问题，提供一种具有校准功能的频谱分析仪。

本发明提供的一种具有校准功能的频谱分析仪(400)，参考图4，包括一个产生校准源基准的基准产生单元（401）、一个产生功率基准（c）的DAC单元（404）、一个依据所述校准源基准和所述功率基准（c），输出校准信号（d）的自动电平控制单元（403）、和一个接收所述校准信号(d)的具有高频通道（406）和低频通道（407）的信号处理单元（405），所述基准产生单元（401）并行输出一个高波段校准源基准（a）和一个低波段校准源基准（b），所述自动电平控制单元（403）分时接收所述高波段校准源基准（a）和低波段校准源基准（b），产生所述校准信号（d）；在所述自动电平控制单元（403）接收所述高波段校准源基准（a），产生所述校准信号（d）时，所述信号处理单元（405）的高频通道（406）接收所述校准信号（d），在所述自动电平控制单元（403）接收所述低波段校准源基准（b），产生所述校准信号（d）时，所述信号处理单元（405）的低频通道（407）接收所述校准信号（d）。

本发明公开的具有校准功能的频谱分析仪(400)，由于所述基准产生单元（401）并行输出一个高波段校准源基准（a）和一个低波段校准源基准（b），且在所述自动电平控制单元（403）接收所述高波段校准源基准（a），产生所述校准信号（d）时，所述信号处理单元（405）的高频通道（406）接收所述校准信号（d），信号处理单元（405）将其通过测量得到的信号幅值与校准信号（d）的实际幅值做差值，并将所述差值保存起来，在频谱分析仪（400）对高波段信号进行测量的测量结果中，会自动减除该差值，以减少高波段测量结果的误差；在所述自动电平控制单元（403）接收所述低波段校准源基准（b），产生所述校准信号（d）时，所述信号处理单元（405）的低频通道（407）接收所述校准信号（d），信号处理单元（405）将其通过测量得到的信号幅值与校准信号（d）的实际幅值做差值，并将所述差值保存起来，在频谱分析仪（400）对低波段信号进行测量的测量结果中，都会自动减除该差值，以减少低波段测量结果的误差；由此，无论频谱分析仪（400）对高波段信号进行测量还是对低波段信号进行测量，都能够保证测量结果的准确性。

作为一种举例，在所述自动电平控制单元（403）接收所述高波段校准源基准(a)，产生所述校准信号(d)时，所述DAC单元（404）产生的功率基准(c)可以为一个高波段功率基准，在所述自动电平控制单元（403）接收所述低波段校准源基准(b)，产生所述校准信号时(d)，所述DAC单元（404）产生的功率基准(c)可以为一个低波段功率基准。

由于自动电平控制单元（403）对于不同波段的校准源基准会产生不同的频率响应，导致输出的校准信号(d)的幅值产生变动，所以当所述自动电平控制单元（403）接收高波段校准源基准(a)时，所述DAC单元（404）为所述自动电平控制单元（403）产生一个高波段功率基准，以保证自动电平控制单元（403）在接收高波段校准源基准(a)时，产生预定幅值的校准信号(d)。当所述自动电平控制单元（403）接收低波段校准源基准时(b)，所述DAC单元（404）为所述自动电平控制单元（403）产生一个低波段功率基准，以保证自动电平控制单元（403）在接收低波段校准源基准(b)时，产生预定幅值的校准信号(d)。

作为一种举例，所述自动电平控制单元（403）可以在一个单刀双掷开关单元（402）的控制下，分时接收所述高波段校准源基准(a)和低波段校准源基准(b)。

作为一种举例，所述自动电平控制单元（403）可以包括依次串联连接的校准源基准输入端（410）、可变衰减器（501），放大器（502），功率分配器（503）和校准信号输出端（411），所述功率分配器（503）还分出一路连接一个检波二极管（504）的阴极，所述检波二极管（504）的阳极连接一个比较器（505）的反相输入端，所述比较器（505）的同相输入端连接所述DAC单元（404），在所述比较器（505）的反相输入端与所述比较器（505）的输出端之间连接一个积分器（507），所述比较器（505）的输出端还连接所述可变衰减器（501）的控制端。

所述DAC单元（404）为所述自动电平控制单元（403）输入一个功率基准(c)，使得所述自动电平控制单元（403）可以产生一个预定电压幅值的校准信号(d)，将所述校准信号(d)经过所述检波二极管（504）检波后的电压信号通过比较器（505）与所述功率基准(c)的电压进行比较，将比较后的电压差通过积分器（507）进行积分变成直流电流信号输入至可变衰减器（501），当校准信号(d)的电压幅值小于预定电压幅值时，说明经过检波二极管（504）检波后的电压较小，这时，检波后的电压信号再与所述功率基准(c)的电压进行比较，得到一个比较大的电压差；这个差值通过积分器（507）输出一个偏大的直流电流信号，这个偏大的直流电流信号调节可变衰减器（501），使可变衰减器（501）的衰减量变小，可变衰减器（501）输出的电压就变大了，校准信号(d)也就变大了。相反，当校准信号(d)的电压幅值大于预定电压幅值时，说明经过检波二极管（504）检波后的电压较大，这时，检波后的电压信号再与所述功率基准(c)的电压进行比较，得到一个比较小的电压差；这个差值通过积分器（507）输出一个偏小的直流电流信号，这个偏小的直流电流信号调节可变衰减器（501），使可变衰减器（501）的衰减量变大，可变衰减器（501）输出的电压就变小了，校准信号也就变小了。如此反复，最终使得所述自动电平控制单元（403）产生所述预定电压幅值的校准信号(d)。自动电平控制单元（403）的上述电路设计，使得自动电平控制单元（403）内部可以依据其输出的校准信号(d)进行自动调整，保证了所述自动电平控制单元（403）输出校准信号(d)的稳定性。

作为一种举例，所述基准产生单元（401）可以包括依次串联连接的锁相环（601）和晶振（602），所述锁相环（601）设有一个输出端（603）用于输出所述高波段校准源基准(a)，所述输出端（603）还通过一个除法器（604）输出所述低波段校准源基准(b)。

本发明的频谱分析仪通过内部的锁相环（601）和晶振（602）产生所述高波段校准源基准（a），再通过一个除法器（604）除以相应的倍数得到所述低波段校准源基准（b），电路简单，产生基准准确，无需外部电路。

附图说明

图1是现有技术频谱分析仪100的结构框图

图2是同日专利申请中频谱分析仪200的结构框图

图3是频谱分析仪100或频谱分析仪200中两路波段信号通路示意图

图4是本发明优选实施例1的频谱分析仪400的结构框图

图5是本发明优选实施例2的频谱分析仪500的结构框图

图6是本发明优选实施例2中自动电平控制单元403的电路示意图

图7是本发明优选实施例2中基准产生单元401的电路示意图

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4，优选实施例1的频谱分析仪400，包括并行输出高波段校准源基准a和低波段校准源基准b的基准产生单元401、产生功率基准c的DAC单元404、自动电平控制单元403，所述自动电平控制单元403分时接收所述高波段校准源基准a和低波段校准源基准b，并根据功率基准c产生校准信号d，信号处理单元405接收校准信号d，参照图4，结合参照图1，本优选实施例1中的信号处理单元405可以实现现有技术射频前端模块101中的开关4以后的全部电路功能，以及实现现有技术中频通道模块102和显示模块103的全部功能。

作为另外的举例，在本举例说明中，参照图4，结合参照图2，信号处理单元405可以实现射频前端模块201中的固定衰减器6以后的全部电路功能，以及实现中频通道模块202和显示模块203的全部功能。

在本优选实施例1中，信号处理单元405内部具有高频通道406和低频通道407。在自动电平控制单元403接收高波段校准源基准a，产生校准信号d时，信号处理单元405的高频通道406接收校准信号d，信号处理单元405在接收校准信号d的同时，对校准信号d进行测量，将通过测量得到的校准信号d的幅值与校准信号d的实际幅值做差值，并将所述差值保存起来，在频谱分析仪400对高波段信号进行测量的测量结果中，都会自动减除该差值，以减少高波段测量结果的误差；在自动电平控制单元403接收低波段校准源基准b，产生校准信号d时，信号处理单元405的低频通道407接收校准信号d。信号处理单元405在接收校准信号d的同时，对校准信号d进行测量，信号处理单元405将通过测量得到的校准信号d的幅值与校准信号d的预定幅值做差值，并将所述差值保存起来，在频谱分析仪400对低波段信号进行测量的测量结果中，都会自动减除该差值，以减少低波段测量结果的误差。

因此，无论频谱分析仪400对高波段信号进行测量还是对低波段信号进行测量，都能够保证对测量结果校准的准确性。

优选实施例2：参照图5，在本优选实施例2中，自动电平控制单元403在单刀双掷开关单元402的控制下，分时接收高波段校准源基准a和低波段校准源基准b。本优选实施例中，由信号处理单元405中的控制单元控制单刀双掷开关402的通断，进行校准时，控制单元随机选通单刀双掷开关单元402，例如使自动电平控制单元403先接收高波段校准源基准a，待高波段校准结束后，控制单元再选通单刀双掷开关单元402，使自动电平控制单元403接收低波段校准源基准b，直至低波段校准结束。

作为另外的举例，在本举例说明中，控制单元随机选通单刀双掷开关单元402，使自动电平控制单元403先接收低波段校准源基准b待低波段校准结束后，控制单元再选通单刀双掷开关单元402，使自动电平控制单元403接收高波段校准源基准a，直至高波段校准结束。

作为另外的举例，在本举例说明中，单刀双掷开关单元402还可以是单刀四掷开关等其他开关，如果采用单刀四掷开关，会空闲两个开关，用于其他部件的开关控制。

在优选实施例2中，在自动电平控制单元403接收高波段校准源基准a，产生校准信号d时，DAC单元404产生的功率基准c是一个高波段功率基准，在自动电平控制单元403接收低波段校准源基准b，产生校准信号d时，DAC单元404产生的功率基准c是一个低波段功率基准。

由于自动电平控制单元403对于不同波段的校准源基准会产生不同的频率响应，导致输出的校准信号d的幅值产生变动，所以当自动电平控制单元403接收高波段校准源基准a时，DAC单元404为自动电平控制单元403产生一个高波段功率基准，以保证自动电平控制单元（403）在接收高波段校准源基准a时，产生预定幅值的校准信号d。当自动电平控制单元403接收低波段校准源基准b时，DAC单元404为自动电平控制单元403产生一个低波段功率基准，以保证自动电平控制单元403在接收低波段校准源基准b时，产生预定幅值的校准信号d。

所述高波段功率基准与所述低波段功率基准是这样得到的：在频谱分析仪500进行整机装机之前，当自动电平控制单元403接收高波段校准源基准a，并期望产生一个预定幅值的校准信号d时，可在自动电平控制单元403的输出端处连接一个功率计，检测校准信号d的幅值。在不断调节DAC单元404，使校准信号d达到该预定幅值时，记录DAC单元404的设置值，该设置值即为使DAC单元404产生高波段功率基准的设置值；当自动电平控制单元403接收低波段校准源基准b，并期望产生一个预定幅值的校准信号d时，可在校准信号d的输出端处连接一个功率计，不断调节DAC单元404的参考电压，当校准信号d的输出端处输出的校准信号d达到预定幅值时，记录DAC单元404的参考电压值，该参考电压值即为DAC单元404的低波段功率基准。

参照图6，在本优选实施例2中，自动电平控制单元403包括依次串联连接的校准源基准输入端410、可变衰减器501，放大器502，功率分配器503和校准信号输出端411，功率分配器503还分出一路连接一个检波二极管504的阴极，检波二极管504的阳极连接一个比较器505的反相输入端，比较器505的同相输入端连接DAC单元404，在比较器505的反相输入端与比较器505的输出端之间连接一个积分器507，比较器505的输出端还连接可变衰减器501的控制端。

下面以自动电平控制单元403接收高波段校准源基准a产生校准信号d为例，说明自动电平控制单元403的工作原理：自动电平控制单元403接收高波段校准源基准a时，DAC单元404为自动电平控制单元403输入一个高波段功率基准，使得自动电平控制单元403可以产生预定电压幅值的校准信号d，校准信号d经过检波二极管504检波后的电压信号通过比较器505与所述高波段功率基准的电压进行比较，将比较后的电压差通过积分器507进行积分变成直流电流信号输入至可变衰减器501，当校准信号d的电压幅值小于预定电压幅值时，经过检波二极管504检波后的电压较小，这时，检波后的电压信号再与所述高波段功率基准的电压进行比较，得到一个比较大的电压差；这个差值通过积分器507输出一个偏大的直流电流信号，这个偏大的直流电流信号调节可变衰减器501，使可变衰减器501的衰减量变小，可变衰减器501输出的电压就变大了，校准信号d也就变大了。相反，当校准信号d的电压幅值大于预定电压幅值时，经过检波二极管504检波后的电压较大，这时，检波后的电压信号再与所述高波段功率基准的电压进行比较，得到一个比较小的电压差；这个差值通过积分器507输出一个偏小的直流电流信号，这个偏小的直流电流信号调节可变衰减器501，使可变衰减器501的衰减量变大，可变衰减器501输出的电压就变小了，校准信号d也就变小了。如此反复，最终使得自动电平控制单元403产生所述预定电压幅值的校准信号d。自动电平控制单元403的上述电路设计，使得自动电平控制单元403内部可以依据其输出的校准信号d的幅值大于或小于预定幅值时进行自动调整，保证了自动电平控制单元403输出预定幅值的校准信号d的稳定性。

在本优选实施例2中，功率分配器503是一个节点，作为另外的举例，功率分配器503也可以采用三个电阻构成，例如在现有功率分配器503的节点处与放大器502之间连接一个18欧姆电阻、与校准信号输出端411之间连接一个18欧姆电阻、与检波二极管504之间连接一个18欧姆电阻。

在本优选实施例2中，可变衰减器501采用一个集成的可变衰减器件，作为另外的举例，可变衰减器501还可以采用低通滤波器构成。

在本优选实施例2中，为了同时适应高波段校准源基准a和低波段校准源基准b，放大器502采用宽带放大器。

在本优选实施例2中，为了同时适应高波段校准源基准a和低波段校准源基准b，检波二极管504采用宽带二极管。

参照图7，在本优选实施例2中，基准产生单元401包括依次串联连接的锁相环601和晶振602，锁相环601设有一个输出端603输出高波段校准源基准a，输出端603还通过一个除法器604输出低波段校准源基准b。在本优选实施例2中，输出端603输出的高波段校准源基准a的频率为3.5GHz，低波段校准源基准b的频率为50MHz，除法器604的倍数是70。作为另外的举例，高波段校准源基准a的频率与低波段校准源基准b的频率并不局限于3.5GHz和50MHz，可以取其他的值，但两者相除的倍数等于除法器604的倍数。

两路校准源基准一般采用两套电路来实现，本优选实施例2通过内部的锁相环601和晶振602产生高波段校准源基准a，再通过除法器604除以相应的倍数得到低波段校准源基准b，电路简单，产生基准准确，无需外部电路。

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 (5)

1.一种具有校准功能的频谱分析仪，包括：一个产生校准源基准的基准产生单元(401)、一个产生功率基准的DAC单元(404)、一个依据所述校准源基准和所述功率基准，输出校准信号的自动电平控制单元(403)、和一个接收所述校准信号的具有高频通道(406)和低频通道(407)的信号处理单元(405)，其特征在于，所述基准产生单元(401)并行输出一个高波段校准源基准和一个低波段校准源基准，所述自动电平控制单元(403)分时接收所述高波段校准源基准和低波段校准源基准，产生所述校准信号；在所述自动电平控制单元(403)接收所述高波段校准源基准，产生所述校准信号时，所述信号处理单元(405)的高频通道(406)接收所述校准信号，在所述自动电平控制单元(403)接收所述低波段校准源基准，产生所述校准信号时，所述信号处理单元(405)的低频通道(407)接收所述校准信号。

2.根据权利要求1所述的频谱分析仪，其特征在于：在所述自动电平控制单元(403)接收所述高波段校准源基准，产生所述校准信号时，所述DAC单元(404)产生的功率基准为一个高波段功率基准，在所述自动电平控制单元(403)接收所述低波段校准源基准，产生所述校准信号时，所述DAC单元(404)产生的功率基准为一个低波段功率基准。

3.根据权利要求2所述的频谱分析仪，其特征在于，所述自动电平控制单元(403)在一个单刀双掷开关单元(402)的控制下，分时接收所述高波段校准源基准和低波段校准源基准。

4.根据权利要求3所述的频谱分析仪，其特征在于，所述自动电平控制单元(403)包括依次串联连接的校准源基准输入端(410)、可变衰减器(501)，放大器(502)，功率分配器(503)和校准信号输出端(411)，所述功率分配器(503)还分出一路连接一个检波二极管(504)的阴极，所述检波二极管(504)的阳极连接一个比较器(505)的反相输入端，所述比较器(505)的同相输入端连接所述DAC单元(404)，在所述比较器(505)的反相输入端与所述比较器(505)的输出端之间连接一个积分器(507)，所述比较器(505)的输出端还连接所述可变衰减器(501)的控制端。

5.根据权利要求1、2、3或4任一所述的频谱分析仪，其特征在于，所述基准产生单元(401)包括依次串联连接的锁相环(601)和晶振(602)，所述锁相环(601)设有一个输出端(603)用于输出所述高波段校准源基准，所述输出端(603)还通过一个除法器(604)输出所述低波段校准源基准。