CN105375919A

CN105375919A - 一种频率扩展装置和一种射频信号系统

Info

Publication number: CN105375919A
Application number: CN201410422785.1A
Authority: CN
Inventors: 何毅军; 王悦; 王铁军; 李维森
Original assignee: Suzhou Rigol Precision Electric Technologies Co Ltd
Current assignee: Suzhou Rigol Precision Electric Technologies Co Ltd
Priority date: 2014-08-26
Filing date: 2014-08-26
Publication date: 2016-03-02

Abstract

本发明提供了一种频率扩展装置和一种射频信号系统，频率扩展装置包括：滤波模块，用于滤除初始频率信号中的谐波，产生滤波后的初始频率信号；锁相环模块，用于依据一个参考信号通过锁相环产生一个本振信号；混频模块，用于依据滤波后的初始频率信号和所述本振信号进行混频和滤波，产生混频信号；放大器，用于通过对混频信号进行放大来弥补插入损耗，产生频率扩展信号。在本发明中，混频后输出中频信号的幅度与本振信号无关，中频信号的幅度与初始频率信号成线性关系，不需要ALC电路及可变衰减器等复杂电路对频率扩展信号的幅度进行精确调节，只需要对输入至频率扩展装置中的初始频率信号幅度进行精细控制，降低频率扩展的设计成本和难度。

Description

一种频率扩展装置和一种射频信号系统

技术领域

本发明涉及测试测量技术领域，特别是涉及一种频率扩展装置和一种射频信号系统。

背景技术

射频信号源是一种产生正弦信号及各种调制信号的信号发生装置，它的输出频率范围宽，可以从几kHz至几GHz，甚至达到几十GHz。幅度输出范围大，且幅度输出精度高。具有各种模拟调制和数字调制功能，广泛应用于军事、通信、教学等多领域。

射频信号源输出信号的频率范围有限，现有技术通常采用倍频方式来实现频率扩展。如图1所示，为现有技术公开的一种频率扩展装置100的结构示意图。频率扩展装置100包括：由倍频器1011和滤波器组1012构成的频率合成模块101、自动电平控制(ALC，AutomaticLevelControl)电路102和可变衰减器103。

倍频器1011用于对输入信号进行倍频，通常利用放大器来实现，放大器处于压缩(即，非线性)状态，在这种状态下，放大器输出的各次谐波将急剧变大，低次谐波甚至接近基波的幅度，然后通过滤波器组1012将基波及不需要的谐波滤除掉，得到需要输出的频率信号，这里要求滤波器组1012有很高的带外抑制。倍频器1011接收的输入信号通常要求具有较高的驱动功率，其倍频后的输出信号通常幅度固定，要通过后级的ALC电路102和可变衰减器103进行大范围精细的幅度控制，最终产生频率扩展信号。

现有技术要求ALC电路102及可变衰减器103本身的工作频率覆盖到扩展频率范围。ALC电路102中的衰减器、放大器以及检波器，随着频率的变化存在着频率响应，校准时，对于同一输出幅度，需要对不同频点进行校准；而衰减器、检波器对于同一频率、不同幅度又存在着线性误差，也需要进行校准补偿。因此，ALC电路102不但要进行频率响应的校准，还要在不同输出信号的幅度下对线性误差进行校准补偿，相当于在一个曲面上进行校准插值修正，在实际实现中增加了校准的复杂性和难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种频率扩展装置，无需ALC电路及可变衰减器等复杂电路对频率扩展信号的幅度进行精确控制，降低频率扩展装置的设计成本和难度。

为了解决上述问题，本发明公开了一种频率扩展装置，包括：

滤波模块，用于滤除初始频率信号中的谐波，产生滤波后的初始频率信号；

锁相环模块，用于依据一个参考信号通过锁相环产生一个本振信号；

混频模块，用于依据滤波后的初始频率信号和所述本振信号进行混频和滤波，产生混频信号；

放大器，用于通过对混频信号进行放大来弥补插入损耗，产生频率扩展信号。

通过本发明，将滤波后的初始频率信号和所述本振信号进行混频，对初始频率信号的频率向上扩展，由于混频后输出中频信号的幅度与本振信号无关，中频信号的幅度与初始频率信号成线性关系，随着初始频率信号幅度的变化而变化，因此，后级不需要ALC电路及可变衰减器等复杂电路对频率扩展信号的幅度进行精确调节，只需要对输入至频率扩展装置中的初始频率信号幅度进行精细控制，降低频率扩展的设计成本和难度。

作为一个举例说明，所述滤波模块具有不同滤波频段的多个并联的滤波器；所述频率扩展装置还包括：控制模块，用于选通所述多个并联的滤波器中的其中一个滤波器；所述滤波模块用于通过所述控制模块选通的滤波器滤除初始频率信号中的谐波，产生滤波后的初始频率信号。则，通过多个并联的滤波器构成滤波器组分频段滤波，可以对较大频率范围的初始频率信号进行频率扩展。

作为一个举例说明，所述频率扩展装置还包括：

直通通路，用于传输所述初始频率信号；

第一开关，用于选择将所述初始频率信号输入至所述滤波模块或者所述直通通路；

第二开关，用于选择将频率扩展信号或直通通路输出的初始频率信号作为所述频率扩展装置的输出信号；

所述控制模块还用于对第一开关的选择和第二开关的选择进行控制。

则，通过第一开关、第二开关对直通通路或者频率扩展通路的选择，频率扩展装置不仅可以输出经过扩频的频率扩展信号，还可以输出初始频率信号。

作为一个举例说明，所述参考信号来自于一个射频信号源的输出。则，锁相环模块输出的本振信号的频率将与射频信号源输出的初始频率信号同频同相，保证了频率扩展信号输出频率的准确性。

作为一个举例说明，所述频率扩展装置还包括：晶振，用于产生所述参考信号。则，该频率扩展装置可以适用于没有参考输出端口的射频信号源。

作为一个举例说明，所述控制模块的工作时钟为所述参考信号。

作为一个举例说明，所述锁相环模块包括：

鉴相器，用于将所述参考信号与定向耦合器的输出信号进行比较，产生误差电压信号；

环路滤波器，用于对误差电压进行滤波处理，产生压控信号；

压控振荡器，用于依据所述压控信号产生压控振荡器的输出信号；

定向耦合器，用于对压控振荡器的输出信号按照功率进行分配，产生定向耦合器的输出信号；

缓冲器，用于对压控振荡器的输出信号进行放大，产生所述本振信号。

则，通过设置缓冲器，可以起到信号的放大、隔离的作用。

作为一个举例说明，所述初始频率信号的频率范围为9KHz～6GHz，滤波后的初始频率信号的频率范围为1.5GHz～4.5GHz，所述频率扩展信号的频率范围为6GHz～9GHz，所述参考信号的频率范围为10GHz，所述本振信号的频率范围为10.5GHz。

作为一个举例说明，所述滤波模块包括滤波频段分别为2.5GHz、3.5GHz、4.5GHz三个并联的低通滤波器。

本发明还公开了一种射频信号系统，包括射频信号源和频率扩展装置，所述射频信号源用于产生一个初始频率信号；所述频率扩展装置包括：

作为一个举例说明，所述频率扩展装置为前述的频率扩展装置。

附图说明

图1是现有技术公开的一种频率扩展装置100的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的一种频率扩展装置200的结构示意图；

图3是锁相环模块202的一个举例说明的结构示意图；

图4是本发明实施例二提供的一种频率扩展装置400的结构示意图；

图5是本发明实施例三提供的一种频率扩展系统500的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图2，示出了本发明实施例一提供的一种频率扩展装置200的结构示意图，频率扩展装置200包括：

滤波模块201，用于滤除初始频率信号中的谐波，产生滤波后的初始频率信号；

锁相环模块202，用于依据一个参考信号Ref通过锁相环产生一个本振信号；

混频模块203，用于依据滤波后的初始频率信号和所述本振信号进行混频和滤波，产生混频信号；

放大器204，用于通过对混频信号进行放大来弥补插入损耗，产生频率扩展信号。

下面，对本实施例一作进一步说明：

滤波模块201接收需要进行频率扩展的初始频率信号，初始频率信号可以是射频信号源直接输出的射频信号，还可以是对射频信号源输出的射频信号进行处理后的信号。滤波模块201能够抑制初始频率信号的谐波分量，改善频率扩展装置200输出信号(即，频率扩展信号)的杂散及谐波指标。滤波模块201可以由低通滤波器构成，也可以由带通滤波器构成。

作为一个举例说明，滤波模块201可以仅具有一个滤波器，滤波模块201接收较小频率范围的初始频率信号，相应的，频率扩展装置200可以对较小频率范围的初始频率信号进行频率扩展。作为另一个举例说明，所述滤波模块具有不同滤波频段的多个并联的滤波器，滤波模块201接收较大频率范围的初始频率信号，相应的，频率扩展装置200可以对较大频率范围的初始频率信号进行频率扩展。滤波模块201中滤波器的数量没有具体限制，只要能抑制初始频率信号的各次谐波即可。在该举例说明中，频率扩展装置200还可以包括：控制模块，用于根据初始频率信号的频段选通所述多个并联的滤波器中的其中一个滤波器；滤波模块201用于通过所述控制模块选通的滤波器滤除初始频率信号中的谐波，产生滤波后的初始频率信号。

作为一个举例说明，如图2所示，锁相环模块202包括：鉴相器2021、环路滤波器2022、压控振荡器2023和定向耦合器2024，鉴相器2021用于将参考信号Ref与定向耦合器2024的输出信号进行比较，产生误差电压信号；环路滤波器2022用于对误差电压进行滤波处理，产生压控信号；压控振荡器2023用于依据所述压控信号产生所述本振信号；定向耦合器2024用于对所述本振信号按照功率进行分配，产生定向耦合器的输出信号。作为一个实例，定向耦合器2024也可以用功率分配器来代替。

作为另一个举例说明，参照图3，除了鉴相器2021、环路滤波器2022、压控振荡器2023和定向耦合器2024，锁相环模块202还可以包括一个缓冲器2025，设置在压控振荡器2023之后，则压控振荡器2023依据所述压控信号产生压控振荡器2023的输出信号；定向耦合器2024对压控振荡器2023的输出信号按照功率进行分配，产生定向耦合器2024的输出信号；缓冲器2025用于对压控振荡器2023的输出信号进行放大，产生输入至混频模块203中的本振信号。缓冲器2025起到信号放大、隔离的作用。

作为又一个举例说明，如图3所示，锁相环模块202还可以包括一个设置在缓冲器2025之后的倍频器2026，用于在压控振荡器2023的输出信号频率较低时，对缓冲器2025输出的信号进行倍频，使锁相环最终产生的本振信号达到所需的频率。作为再一个举例说明，锁相环模块202还可以包括一个设置在倍频器2026之后的带通滤波器，用于对本振信号中的杂散波进行滤波。

再参照图2，混频模块203由混频器2031和滤波器2032构成，先利用混频器2031将滤波后的初始频率信号和本振信号进行混频，两个信号进行相加、相减，得到所需的中频信号，然后再利用滤波器2032将初始频率信号、本振信号、以及混频器2031的镜像频率信号进行滤除，得到需要频率的信号，即混频模块203输出的混频信号。

混频模块203产生的混频信号进入放大器204中进行放大，放大器204可以由多个放大器构成。放大器204的增益用来弥补滤波模块201、混频模块203带来的插入损耗。需要说明的是，初始频率信号功率太大时，混频器2031将失真，为了保证混频器2031的线性，通常进入混频器2031的信号幅度不能太大，但在输出端要得到更高幅度的频率扩展信号，因此，需要增加放大器204的增益。

在本发明实施例一中，本振信号是混频器2031的驱动信号，在驱动信号足够大的情况下，混频器2031输出的中频信号的幅度与本振信号无关；在混频器2031不压缩的情况下，中频信号的幅度与初始频率信号成线性关系，随着初始频率信号幅度的变化而变化，因此，后级不需要ALC电路及可变衰减器等复杂电路对频率扩展信号的幅度进行精确调节，只需要对输入至频率扩展装置200中的初始频率信号幅度进行精细控制，降低频率扩展的设计成本和难度。需要说明的是，通常混频器2031的1dB压缩点大约在-5dBm或者以上，一方面要求压缩点尽量的高，保证混频器2031处于非压缩状态；另一方面，使得进入混频器2031的信号电平比较低，使混频器2031不会失真，保证混频器2031的线性。为了保证上述两个条件，本实施例中选择压缩点不大于-15dBm，低于绝大多数混频器的压缩点。

参照图4，示出了本发明实施例二提供的另一种频率扩展装置400的结构示意图，频率扩展装置400包括：

滤波模块401，其具有不同滤波频段的多个并联的滤波器，用于通过控制模块408选通的滤波器滤除初始频率信号中的谐波，产生滤波后的初始频率信号；

锁相环模块402，用于依据一个参考信号Ref通过锁相环产生一个本振信号；

混频模块403，包括混频器4031和滤波器4032，用于利用混频器4031对滤波后的初始频率信号和所述本振信号进行混频处理，利用滤波器4032对混频处理后的信号进行滤波，产生混频信号；

放大器404，用于通过对混频信号进行放大来弥补插入损耗，产生频率扩展信号；

直通通路405，用于传输所述初始频率信号；

第一开关406，用于选择将所述初始频率信号输入至所述滤波模块401或者所述直通通路405；

第二开关407，用于选择将频率扩展信号或直通通路输出的初始频率信号作为所述频率扩展装置400的输出信号；

控制模块408，用于通过控制开关4012、4013、4014和4015的选择切换选通所述多个并联的滤波器4011中的其中一个滤波器，以及对第一开关406的选择和第二开关407的选择进行控制。控制模块408的工作时钟为所述参考信号Ref。

下面，对本实施例二作进一步说明：

在本发明实施例二中，初始频率信号为射频信号源输出的射频信号，初始频率信号的频率范围为9KHz～6GHz。第一开关406用于选择信号通道，当第一开关406选择将初始频率信号输入直通通路405时，初始频率信号直接从第二开关407的输出端输出；当第一开关406选择将初始频率信号输入至滤波模块401时，即选通了频率扩展通路。

滤波模块401包括滤波器组4011、开关4012、4013、4014和4015，滤波器组4011分频段对初始频率信号的谐波分量进行抑制。在本实施例二中，实际需要扩频的信号(即，滤波后的初始频率信号)频率范围为1.5GHz～4GHz，通过滤波器组4011要抑制这个频段的谐波，由于带宽远超过一个倍频程，因此需要分频段进行抑制。通过开关4012、4013、4014和4015的选择切换进行选通滤波器。滤波器组4011具有三个低通滤波器，其截止频率分别是2.5GHz、3.5GHz、4.5GHz。作为一个举例说明，当初始频率信号的频率在1.5～2.5GHz时，选通截止频率为2.5GHz的低通滤波器，由于这个频段的二次谐波频率范围是3GHz～5GHz，超过二次的谐波频率范围更高些，利用2.5GHz的低通滤波器可以很好的抑制这些谐波分量；当初始频率信号的频率在2.5GHz～3.5GHz时，其二次谐波频率范围为5GHz～7GHz，用3.5GHz的低通滤波器可以很好的抑制；当初始频率信号的频率在3.5GHz～4.5GHz时，其二次谐波频率范围为7GHz～9GHz，用4.5GHz的低通滤波器可以很好的抑制。

需要说明的是，滤波器的滚降通常是滤波器截止频率的10～20％，为了能够很好的对谐波进行抑制，作为一个举例说明，选择滤波器的滚降为20％，那么，2.5GHz低通滤波器的滚降过渡段为2.5GHz*20％＝0.5GHz，因此，在频率为2.5+0.5＝3GHz处，滤波器具有很好的抑制作用。其它两个滤波器同理计算。

锁相环模块402包括：鉴相器4021、环路滤波器4022、压控振荡器4023和定向耦合器4024。压控振荡器4023产生本振信号，通过定向耦合器4024分出部分信号，与参考信号Ref在鉴相器4021进行鉴相，然后通过环路滤波器4022对压控振荡器4023进行锁相。在本实施例二中，输入鉴相器4021的参考信号Ref为射频信号源的参考输出，这样锁相环模块402输出的本振信号的频率将与射频信号源输出的初始频率信号同频同相，保证了第二开关407输出信号频率的准确性。

在本实施例二中，本振信号的频率为10.5GHz，本振信号进入混频器2031，与滤波后的初始频率信号进行变频，得到6GHz～9GHz和12GHz～15GHz中频信号，然后再用滤波器2032将初始频率信号、本振信号、12GHz～15GHz的镜像频率滤除，得到6GHz～9GHz的信号。

放大器404的增益用来弥补滤波模块401、混频模块403、第一开关406、第二开关407、开关4012、4013、4014和4015所带来的插入损耗。

第二开关407选通直通通路405或者频率扩展通路，将频率扩展信号或直通通路输出的初始频率信号输出。在本发明实施例中，直通通路405输出的初始频率信号的频率范围为9kHz～6GHz，频率扩展通路输出的频率扩展信号的频率范围为6GHz～9GHz，因此，频率扩展装置400最后的输出信号的频率范围为9kHz-9GHz。

需要说明的是，在线性范围内，混频模块403中的混频器4031输出的中频信号的幅度与初始频率信号的幅度成正比，也就是说，混频器4031输出信号的幅度随着初始频率信号的幅度而变化，而滤波模块401、滤波器4032、放大器404、第一开关406、第二开关407、开关4012、4013、4014和4015的插入损耗或增益都是固定的，因此该频率扩展装置400最终输出信号的幅度将与射频信号源输出的初始频率信号的幅度成正比，可以通过调节射频信号源输出信号的幅度，来得到用户需要的信号(即，频率扩展装置400的输出信号)幅度。

作为一个举例说明，在本实施例二中，参考信号Ref可以不来自于射频信号源，则频率扩展装置400还包括：晶振，用于产生所述参考信号Ref。则，晶振的输出频率分成两路，一路作为参考信号Ref给锁相环模块402提供频率参考，一路给控制模块408提供工作时钟。

参照图5，示出了本发明实施例三提供的一种频率扩展系统500的结构示意图，频率扩展系统500包括：射频信号源501和频率扩展装置502，所述射频信号源501用于产生一个初始频率信号；频率扩展装置502包括：

锁相环模块，用于依据一个参考信号Ref通过锁相环产生一个本振信号；

放大器，用于通过对混频信号进行放大来弥补插入损耗，产生频率扩展信号，作为频率扩展装置502的输出信号。

频率扩展装置502可以为前述实施例一或实施例二所述的频率扩展装置，此处不再赘述。

作为一个举例说明，射频信号源501与频率扩展装置502连接正确后，射频信号源501的显示界面上显示频率偏移为灰色，用户不可设置，系统会自动的配置频率偏移值，显示在偏移菜单中。射频信号源501的输出的初始频率信号的频率范围为MIN～MAX，则当配置的输出频率小于MAX时，频率偏移为0；当配置的输出频率大于MAX时，频率偏移为：输出频率减去MAX。例如，射频信号源501的输出的初始频率信号的频率范围为9kH～6GHz，与频率扩展装置502连接后，输出信号的频率范围为9kH～9GHz，则，用户通过配置单元210设置的输出频率为9GHz时，频率偏移为9-6＝3GHz；输出频率为5GHz时，频率偏移为0。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于频率扩展系统实施例而言，由于其与频率扩展装置实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见频率扩展装置实施例的部分说明即可。

以上对本发明所提供的一种频率扩展装置和一种射频信号系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种频率扩展装置，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的频率扩展装置，其特征在于，

所述滤波模块具有不同滤波频段的多个并联的滤波器；

所述频率扩展装置还包括：控制模块，用于选通所述多个并联的滤波器中的其中一个滤波器；

所述滤波模块用于通过所述控制模块选通的滤波器滤除初始频率信号中的谐波，产生滤波后的初始频率信号。

3.如权利要求2所述的频率扩展装置，其特征在于，

所述频率扩展装置还包括：

直通通路，用于传输所述初始频率信号；

4.如权利要求3所述的频率扩展装置，其特征在于，

所述参考信号来自于一个射频信号源的输出。

5.如权利要求3所述的频率扩展装置，其特征在于，

所述频率扩展装置还包括：

晶振，用于产生所述参考信号。

6.如权利要求4或5所述的频率扩展装置，其特征在于，

所述控制模块的工作时钟为所述参考信号。

7.如权利要求1所述的频率扩展装置，其特征在于，

所述锁相环模块包括：

8.如权利要求2所述的频率扩展装置，其特征在于，

所述初始频率信号的频率范围为9KHz～6GHz，滤波后的初始频率信号的频率范围为1.5GHz～4.5GHz，所述频率扩展信号的频率范围为6GHz～9GHz，所述参考信号的频率范围为10GHz，所述本振信号的频率范围为10.5GHz。

9.如权利要求8所述的频率扩展装置，其特征在于，

所述滤波模块包括滤波频段分别为2.5GHz、3.5GHz、4.5GHz三个并联的低通滤波器。

10.一种射频信号系统，包括射频信号源和频率扩展装置，所述射频信号源用于产生一个初始频率信号；

其特征在于，所述频率扩展装置包括：

11.如权利要求10所述的射频信号系统，其特征在于，所述频率扩展装置为权利要求2至5、7至9任一项所述的频率扩展装置。