CN104698274A - 一种具有本振校准功能的频谱分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有本振校准功能的频谱分析仪，涉及频谱分析装置领域，包括输出本振信号的本振单元、所述本振信号包括本振频率值及本振信号幅度，输出中频信号的混频器单元，连接所述本振单元与所述混频器单元的驱动单元，还包括一个可变增益模块、一个控制单元、一个数模转换模块、一个存储器，所述可变增益模块设置在所述本振单元与所述驱动单元之间，所述控制单元通过所述数模转换模块来调节所述可变增益模块的增益。由于增加了可以控制本振信号幅度的可变增益模块，使得本振信号幅度可以在不同本振频率值下进行调整，进而使得所述混频器更容易达到最优性能，从而使整个频谱分析仪的相应指标整体提升。

Description

一种具有本振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，特别涉及一种具有本振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。频谱分析仪又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果，能分析1赫兹以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。频谱分析仪的主要技术指标有频率范围、分辨力、扫频速度、灵敏度、显示方式和假响应等，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包括射频前端模块101、中频通道模块102和显示模块103，射频前端模块101包括信号输入端口1011，对信号输入端口1011引入的输入信号进行前置放大、滤波等处理并输出一个前端被测信号a的前端电路1012，射频前端模块101还包括一个产生本振信号b1的本振单元1014，驱动单元1015对本振信号b1进行驱动以产生满足混频器1013需求的本振信号b1’，混频器1013将前端被测信号a及本振信号b1’进行混频，产生中频信号c，中频通道模块102对中频信号c进行多次混频再进行ADC采样、并经过数字中频滤波器、检波器和视频滤波等处理后送入包含控制器的显示模块103进行输出和显示。

本振单元1014一般由压控振荡器VCO和鉴相模块构成，当然也可以由压控振荡器VCO通过锁相电路锁定得到。驱动单元1015一般包括放大模块、滤波模块。

参照图2，在现有技术中具有低频通路和高频通路的频谱分析仪200中，射频前端模块201包括前端电路2012和前端电路2016，前端电路2012和前端电路2016分别对信号输入端口2011引入的输入信号进行前置放大、滤波等处理并输出一个前端被测信号a1和一个前端被测信号a2，本振单元2014产生本振信号b2，驱动单元2015对本振信号b2进行驱动以产生满足混频器2013和混频器2017需求的本振信号b2’，混频器2013将前端被测信号a1及本振信号b2’进行混频，产生高波段中频信号c1，混频器2017将前端被测信号a2及本振信号b2’进行混频，产生低波段中频信号c2。

可以看出，无论在频谱分析仪100中还是在频谱分析仪200中，本振信号b’对混频器1013或2013或2017的性能都是有很大影响的。

本振单元输出的本振信号具体包括本振频率值及本振信号幅度，由于现有技术的频谱分析仪需要测量的频率范围比较宽，一般在几个G赫兹，甚至几十个G赫兹以上，在频谱分析仪的整机方案设计中，输入混频器的本振频率值的范围也比较宽，混频器在不同的本振频率值下需要不同的本振幅度才能达到最优性能，否则容易使变频损耗，变频失真等现象更加恶化。而现有的技术方案，尚无法满足混频器的最优性能，从而导致整个频谱分析仪的相应指标整体下降。

发明内容

本发明的目的在于：解决现有技术中混频器存在变频损耗和变频失真等技术问题，提供一种具有本振校准功能的频谱分析仪。

本发明提供的一种具有本振校准功能的频谱分析仪，包括输出本振信号的本振单元、所述本振信号包括本振频率值及本振信号幅度，输出中频信号的混频器单元，连接所述本振单元与所述混频器单元的驱动单元，还包括一个可变增益模块、一个控制单元、一个数模转换模块、一个存储器，所述可变增益模块设置在所述本振单元与所述驱动单元之间，所述控制单元通过所述数模转换模块来调节所述可变增益模块的增益。

本发明公开的一种具有本振校准功能的频谱分析仪，由于增加了可以控制本振信号幅度的可变增益模块，使得本振信号幅度可以在不同本振频率值下进行调整，进而使得所述混频器更容易达到最优性能，从而使整个频谱分析仪的相应指标整体提升。

作为一种举例，所述控制单元通过所述数模转换模块，依据预存在所述存储器中的一组本振校准数据来调节所述可变增益模块的增益，所述本振校准数据是指多个本振频率值及与所述多个本振频率值对应的所述数模转换模块的输出值。

由于存储器中预存的一组本振校准数据是通过对混频器的最优性能测试而得到的数据，所述控制单元依据预存在存储器中的所述本振校准数据来调节可变增益模块的增益，使得混频器在任意一个本振频率值下都能达到最优性能，进一步提高了频谱分析仪的整体性能。

作为一种举例，所述可变增益模块是可变衰减模块，在所述可变衰减模块与所述本振单元之间还连接一个放大器模块。

采用可变衰减模块来改变本振信号幅度值，由于可变衰减模块对本振信号幅度做了衰减，为了弥补过度的衰减，在其前级使用一个放大器模块，这样的设计，可以使放大器模块与可变衰减模块相互配合，能够更快地调整到合适的本振幅度值。

作为一种举例，所述可变衰减模块包括一个本振信号输入端、一个本振信号输出端、依次串联连接在所述本振信号输入端和本振信号输出端之间的第一电容和第二电容，在所述第一电容和所述第二电容之间还依次反向串联至少一个PIN二极管，在所述第一电容与所述至少一个PIN二极管之间设有一个第一节点，所述第一节点通过一个第一电感和一个电阻接地，在所述至少一个PIN二极管和所述第二电容之间设有一个第二节点，所述第二节点通过一个第二电感连接所述数模转换模块的输出端。

特殊的可变衰减模块设计，对其他电路干扰小，可变增益衰减的增益量灵活可调。

作为一种举例，在所述第一电容和所述第二电容之间依次反向串联4个PIN二极管。

4个PIN二极管的设计，使得可变增益衰减调节精度和灵活度达到最优。

作为一种举例，所述可变衰减模块包括一个本振信号输入端、一个本振信号输出端、依次串联在所述本振信号输入端和本振信号输出端之间的第一电容和第二电容，在所述第一电容和所述第二电容之间还依次正向串联至少一个PIN二极管，在所述第一电容与所述至少一个PIN二极管之间设有一个第一节点，所述第一节点通过一个第二电感连接所述数模转换模块的输出端，在所述至少一个PIN二极管和所述第二电容之间设有一个第二节点，所述第二节点通过一个第一电感和一个电阻接地。

作为一种举例，在所述第一电容和所述第二电容之间依次正向串联4个PIN二极管。

作为一种举例，所述可变增益模块是可变增益放大器，所述驱动单元是一个放大器。

当本振单元输出的本振信号幅度整体偏小时，所述可变增益模块可以采用可变增益放大器，在所述驱动单元也采用放大器的情况下，就降低了对可变增益放大器的可变增益幅度量的需求，使得可变增益模块可控性强，并降低了对频谱分析仪的干扰。

本发明的另一个目的在于：解决现有技术中混频器单元存在变频损耗和变频失真等技术问题，提供一种本振校准方法。

本发明提供的本振校准方法包括以下步骤：

设置本振频率值；

判断所述设置的本振频率值是否与所述预存的本振校准数据中的一个本振频率值相同；

如果相同，调用所述预存的本振校准数据中与该本振频率值对应的数模转换模块的输出值，调节所述可变增益模块的增益；

如果不相同，从所述预存的本振校准数据中取前后两个与所述设置的本振频率值最接近的频率值；

利用线性插值计算出所述设置的本振频率值对应的数模转换模块的输出值，调节所述可变增益模块的增益。

本发明的本振校准方法，通过对本振单元的校准，可以实时保证混频器单元的最优性能，尤其是无论本振单元设定的频率值是否在预存的本振校准数据中，都能达到较好的校准效果。

附图说明

图1是现有技术频谱分析仪100的结构示意图

图2是现有技术频谱分析仪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的结构示意图

图4是本发明优选实施例2的频谱分析仪400的结构示意图

图5是应用于频谱分析仪400的可变增益模块4016的电路图

图6是本发明优选实施例中将多个本振幅度值转化为产生本振幅度值时数模转换模块3017的多个输出值的方法流程图

图7是本发明优选实施例中本振校准方法的方法流程图

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。

参照图3，本优选实施例1中的频谱分析仪300，包括射频前端模块301、中频通道模块302和显示模块303，射频前端模块301包括信号输入端口3011，对信号输入端口3011引入的输入信号进行前置放大、滤波等处理并输出一个前端被测信号a3的前端电路3012，射频前端模块301包括输出本振信号b3的本振单元3014、所述本振信号b3包括本振频率值及本振信号幅度，输出中频信号c3的混频器单元3013，顺序连接在本振单元3014和混频器单元3013之间的可变增益模块3016和驱动单元3015，驱动单元3015产生本振信号b3’，混频器单元3013将前端被测信号a3及本振信号b3’进行混频，产生中频信号c3，中频通道模块302对中频信号c3进行ADC采样、并经过数字中频滤波器、检波器和视频滤波等处理后送入包含控制器的显示模块303进行输出和显示。本优选实施例1的可变增益模块3016是一个可变增益放大器，驱动单元3015选用一个放大器，可变增益模块3016连接在本振单元3014与驱动单元3015之间，控制单元3018通过数模转换模块3017连接可变增益模块3016，控制单元3018还有一个检测端连接到驱动单元3015的输出端，控制单元3018中包含一个存储器（图中未示），在频谱分析仪300进行本振校准前，已经对混频器单元3013进行了最优性能测试，获取了一组本振校准数据，这种最优性能测试可以由控制单元3018直接对混频器单元3013直接检测记录得到，也可以通过检测频谱分析仪300的最终输出值而检测记录得到。所述本振校准数据是指，使得混频器单元3013达到最优性能时，输入混频器单元3013的多个本振频率值，及与多个本振频率值依次对应的多个本振幅度值，在存储本振校准数据时，为了校准方便，将多个本振幅度值转化为产生所述多个本振幅度值时数模转换模块3017的多个输出值。参照图6，示出了将多个本振幅度值转化为产生本振幅度值时数模转换模块3017的多个输出值的方法流程图。步骤s601通过对混频器单元3013的性能测试，获取本振信号的频率与本振信号的信号幅度之间的对应关系；步骤s602将本振信号设置为需求的最小本振频率值；步骤s603、s604、s605、s607、s608依次判断所述多个本振频率值对应的本振信号的信号幅度是否在依据所述混频器单元的性能测试确定的本振信号幅度的误差允许范围内；步骤s606当所述本振信号幅度在所述误差允许范围内，保存所述多个本振频率值及所述多个本振频率值对应的数模转换模块3017的输出值作为频谱分析仪300的本振校准数据。

作为另外的举例，在本举例说明中，也可以不将多个本振幅度值转化为产生所述多个本振幅度值时数模转换模块3017的多个输出值，控制单元3018直接检测本振信号b3’的本振幅度值，进而实时调整可变增益模块3016的增益值。

参照图7，示出了一种本振校准方法的方法流程图，频谱分析仪300开机时，步骤s701首先设置一个本振频率值，步骤s702实时检测所述设置的本振频率值，并与存储器中预存的本振频率值相比较，步骤s706如果所述设置的本振频率值与所述预存的本振校准数据中的一个本振频率值相同，则调用所述预存的本振校准数据中与该本振频率值对应的数模转换模块3017的输出值，调节可变增益模块3016的增益；步骤s703如果不相同，从所述预存的本振校准数据中取前后两个与所述设置的本振频率值最接近的频率值，步骤s704利用线性插值计算出所述设置的本振频率值对应的数模转换模块3017的输出值，步骤s705通过书目转换模块3017调节可变增益模块3016的增益，使得本振信号b3’的本振频率值和本振幅度值达到混频器单元3013的性能最佳要求。

这里对线性插值计算做一下解释，例如存储器中存储的本振信号的本振频率值是以0.1GHz作为一个步进单位，4.1GHz本振频率值对应一个数模转换模块3017的输出值8dBm，4.2GHz本振频率值对应一个数模转换模块3017的输出值9dBm，如果此时本振单元3014设置的本振信号b3的本振频率值为4.15GHz，控制单元3018并不直接取8dBm或9dBm作为数模转换模块3017的输出值，而是通过线性插值运算来计算出一个数模转换模块3017的输出值，使得本振校准更加精准。

本优选实施例1的频谱分析仪300及应用于频谱分析仪300的本振校准方法，实时保证了混频器单元3013的最优性能，且无论本振单元3014设定的本振频率值是否在预存的本振校准数据中，都能达到较好的校准效果。

作为另外的举例，在本举例说明中，控制单元3018并不通过数模转换模块3017，依据预存在所述存储器中的一组本振校准数据来调节可变增益模块3016的增益，而是直接调节可变增益模块3016的增益，由于增加了可以控制本振信号幅度的可变增益模块，使得本振信号幅度可以在不同本振频率值下进行调整，进而使得所述混频器更容易达到最优性能，从而使整个频谱分析仪的相应指标整体提升。

参照图4，本优选实施例2中的频谱分析仪400，包括射频前端模块401、中频通道模块402和显示模块403，射频前端模块401包括信号输入端口4011，对信号输入端口4011引入的输入信号进行前置放大、滤波等处理并输出一个前端被测信号a4的前端电路4012，射频前端模块401包括输出本振信号b4的本振单元4014、所述本振信号b4包括本振频率值及本振信号幅度，输出中频信号c4的混频器单元4013，顺序连接在本振单元4014和混频器单元4013之间的放大器模块4018、可变衰减模块4016和驱动单元4015，驱动单元4015产生本振信号b4’，混频器单元4013将前端被测信号a4及本振信号b4’进行混频，产生中频信号c4，中频通道模块402对中频信号c4进行ADC采样、并经过数字中频滤波器、检波器和视频滤波等处理后送入包含控制器的显示模块403进行输出和显示。本优选实施例2中用来控制可变衰减模块3016的控制器是包含在显示模块403中的控制器，所述控制器通过数模转换模块4017连接可变衰减模块4016，控制器还有一个检测端连接到驱动单元4015的输出端，存储器包含在控制器中，应用于本优选实施例2的校准方法与应用于优选实施例1中的校准方法相同，这里不再描述。

参照图5，结合参照图4，本优选实施例2的可变衰减模块4016包括一个本振信号输入端501、一个本振信号输出端502、依次串联连接在本振信号输入端501和本振信号输出端502之间的第一电容503和第二电容504，在第一电容503和第二电容504之间还依次反向串联4个PIN二极管505，在第一电容503与4个PIN二极管505之间设有一个第一节点506，第一节点506通过一个第一电感507和一个电阻508接地，在4个PIN二极管505和第二电容504之间设有一个第二节点508，第二节点508通过一个第二电感509连接数模转换模块4017的输出端，本振信号输入端501连接本振单元4014的输出端，本振信号输出端502连接驱动单元4015的输入端。可控增益衰减模块4016利用加正电压时，4个PIN二极管505等效为小电阻的特性来实现，PIN二极管的电阻比一般PN结的电阻要低得多，当其作为衰减器时，控制电流连续变化，允许其电阻为最低值和最高值之间的任一值，从而实现可变的功能，控制4个PIN二极管505实现衰减的电压由数模转换模块4017给出。根据实际需要，可以调整PIN二极管的数量和数模转换模块4017的参考电压，来调整实际需要控制的动态范围。因此作为另外的举例，在本举例说明中，PIN二极管的数量并不局限于4个，可以是多于4个或者少于4个的其他值。第一电感507和第二电感509的作用是通直隔交，避免数模转换模块4017对交流通路的影响，电阻508的作用是提供直流通路，第一电感507也可以不经过电阻508而直接接地。

由于可变衰减模块4016是对本振信号b进行了衰减，为了弥补其带来的这种衰减，前级增加一个放大器模块4018。这样的设计，可以使放大器模块与可变衰减模块相互配合，能够更快地调整到合适的本振幅度值。

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 (9)

1.一种具有本振校准功能的频谱分析仪，包括：输出本振信号的本振单元、所述本振信号包括本振频率值及本振信号幅度，输出中频信号的混频器单元，连接所述本振单元与所述混频器单元的驱动单元，其特征在于，还包括一个可变增益模块、一个控制单元、一个数模转换模块、一个存储器，所述可变增益模块设置在所述本振单元与所述驱动单元之间，所述控制单元通过所述数模转换模块来调节所述可变增益模块的增益。

2.根据权利要求1所述的频谱分析仪，其特征在于，所述控制单元通过所述数模转换模块，依据预存在所述存储器中的一组本振校准数据来调节所述可变增益模块的增益，所述本振校准数据是指多个本振频率值及与所述多个本振频率值对应的所述数模转换模块的输出值。

3.根据权利要求1或2所述的频谱分析仪，其特征在于，所述可变增益模块是可变衰减模块，在所述可变衰减模块与所述本振单元之间还连接一个放大器模块。

4.根据权利要求3所述的频谱分析仪，其特征在于，所述可变衰减模块包括一个本振信号输入端、一个本振信号输出端、依次串联在所述本振信号输入端和本振信号输出端之间的第一电容和第二电容，在所述第一电容和所述第二电容之间还依次反向串联至少一个PIN二极管，在所述第一电容与所述至少一个PIN二极管之间设有一个第一节点，所述第一节点通过一个第一电感和一个电阻接地，在所述至少一个PIN二极管和所述第二电容之间设有一个第二节点，所述第二节点通过一个第二电感连接所述数模转换模块的输出端。

5.根据权利要求4所述的频谱分析仪，其特征在于，在所述第一电容和所述第二电容之间依次反向串联4个PIN二极管。

6.根据权利要求3所述的频谱分析仪，其特征在于，所述可变衰减模块包括一个本振信号输入端、一个本振信号输出端、依次串联在所述本振信号输入端和本振信号输出端之间的第一电容和第二电容，在所述第一电容和所述第二电容之间还依次正向串联至少一个PIN二极管，在所述第一电容与所述至少一个PIN二极管之间设有一个第一节点，所述第一节点通过一个第二电感连接所述数模转换模块的输出端，在所述至少一个PIN二极管和所述第二电容之间设有一个第二节点，所述第二节点通过一个第一电感和一个电阻接地。

7.根据权利要求6所述的频谱分析仪，其特征在于，在所述第一电容和所述第二电容之间依次正向串联4个PIN二极管。

8.根据权利要求1或2所述的频谱分析仪，其特征在于，所述可变增益模块是可变增益放大器，所述驱动单元是一个放大器。

9.一种应用于权利要求1至8中任意频谱分析仪的本振校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

设置本振频率值；

判断所述设置的本振频率值是否与所述预存的本振校准数据中的一个本振频率值相同；

如果相同，调用所述预存的本振校准数据中与该本振频率值对应的数模转换模块的输出值，调节所述可变增益模块的增益；

如果不相同，从所述预存的本振校准数据中取前后两个与所述设置的本振频率值最接近的频率值；

利用线性插值计算出所述设置的本振频率值对应的数模转换模块的输出值，调节所述可变增益模块的增益。