CN107479089B - 一种功率检波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型功率检波器，包括：信号输入端，用于输入待检测的连续时间信号；本振单元，用于输出两路正交的本振信号，本振信号的频率为f，两路本振信号均与连续时间信号相交；混频器，用于对本振信号和连续时间信号进行乘法运算，获得频率f的频谱密度；积分器，用于分别对两路本振信号和连续时间信号相乘后的信号进行时间积分运算，得到频谱密度的实部和虚部；信号处理器，用于获取频谱密度的实部和虚部，并对实部和虚部进行求模和相除取相位计算，得到连续时间信号中频率为f的功率谱的幅度和相位。本发明结构简单，成本低，经济实用，能用于对时间信号进行傅里叶变换和频谱分析。

Description

一种功率检波器
技术领域
本发明涉及频谱仪或电磁干扰(EMI)接收机设计领域，尤其涉及一种新型功率检波器。
背景技术
现有频谱仪点频功率检波原理是通过求解点频时间信号平方和的形式求出。具体步骤为：输入时间信号经过混频滤波后，输出为主要包括某点频的时间信号，通过求解输出时间信号的平方和求出信号的功率，即可检出信号在该频率的功率。
现有频谱仪功率检波的特点：
(1)是一种近似的功率检波。因为混频滤波后的信号还包括其他频率的信号，平方和求解的能量中还包括残留的其他频率的能量，因此这种检波方式的检波结果与理论值有一定偏差。
(2)测试结果受中频滤波器带宽(RBW)设置影响，使结果不唯一。中频滤波器的带宽决定了其他频率分量的占比，会直接影响输出结果。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中频谱仪功率检波不够精确的缺陷，提供一种功率检波器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种功率检波器，包括：
信号输入端，用于输入待检测的连续时间信号；
本振单元，用于输出两路正交的本振信号，本振信号的频率为f，两路本振信号均与连续时间信号相交；
混频器，设置有两个，分别设置在两路本振信号与连续时间信号的相交位置，用于对本振信号和连续时间信号进行乘法运算，获得频率f的频谱密度；
积分器，设置有两个，分别与两个混频器的输出端相连，用于分别对两路本振信号和连续时间信号相乘后的信号进行时间积分运算，分别得到频率为f 的频谱密度的实部和虚部；
信号处理器，其输入端与两个积分器的输出端均相连，用于获取两路正交的本振信号与连续时间信号相乘后积分得到的频谱密度的实部和虚部，并对实部和虚部进行求模和相除取相位计算，得到连续时间信号中频率为f的功率谱的幅度和相位。
进一步地，本发明的该功率检波器中信号输入端的位置还设置有多级本振单元，多级本振单元输入多级本振信号，多级本振信号分别通过多个混频器与连续时间信号相乘；通过多级本振单元后的连续时间信号再分别与本振单元的两路正交信号进行乘法运算。
进一步地，本发明的多级本振单元和本振单元中所有本振频率之和等于连续时间信号中待检测的频率。
进一步地，本发明的该功率检波器包括模拟实现方式和数字实现方式。
进一步地，本发明的采用数字实现方式的功率检波器中，两个积分器的输入端位置均连接有对数放大器。
进一步地，本发明的采用数字实现方式的功率检波器中，积分器通过积分型A/D转换器实现。
本发明提供一种采用功率检波器的频谱仪，包括功率检波器，以及与其相连的射频输入衰减器、预选器、滤波器、对数放大器、扫描发生器和显示器：其中：
功率检波器，包括：
信号输入端，用于输入待检测的连续时间信号；
本振单元，用于输出两路正交的本振信号，本振信号的频率为f，两路本振信号均与连续时间信号相交；
混频器，设置有两个，分别设置在两路本振信号与连续时间信号的相交位置，用于对本振信号和连续时间信号进行乘法运算，获得频率f的频谱密度；
积分器，设置有两个，分别与两个混频器的输出端相连，用于分别对两路本振信号和连续时间信号相乘后的信号进行时间积分运算，分别得到频率为f 的频谱密度的实部和虚部；
信号处理器，其输入端与两个积分器的输出端均相连，用于获取两路正交的本振信号与连续时间信号相乘后积分得到的频谱密度的实部和虚部，并对实部和虚部进行求模和相除取相位计算，得到连续时间信号中频率为f的功率谱的幅度和相位；
射频输入衰减器和预选器依次连接在信号输入端的位置；
两路的混频器与积分器之间均连接有滤波器和对数放大器，滤波器用于滤除镜像信号，对数放大器用于提提高试信号的动态范围；
显示器与信号处理器的输出端相连，用于输出结果；
本振单元和显示器均与扫描发生器相连。
本发明产生的有益效果是：本发明的功率检波器扫频获得的频谱结果与信号傅里叶变换的结果一致，是一种对时间信号进行傅里叶变换和频谱分析的方法；实现原理简单，不要求高频信号的高采样率，降低了对A/D电子器件的要求；成本低，经济实用；可以和传统频谱仪共用很多技术，降低了仪器成本。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的原理示意图；
图2是本发明实施例的多级功率检波器结构示意图；
图3是本发明实施例的多级功率的数字实现方式一；
图4是本发明实施例的多级功率的数字实现方式二；
图5是本发明实施例的功率检波频谱仪原理图；
图6是本发明实施例的线性调频信号的平方和功率检波结果(上图)与傅里叶变换结果(下图)对比；
图7是本发明实施例的线性调频信号的新型检波结果(上图)与傅里叶变换结果(下图)对比；
图8是本发明实施例的矩形脉冲的平方和功率检波结果(上图)与傅里叶变换结果(下图)对比；
图9是本发明实施例的矩形脉冲的新型检波结果(上图)与傅里叶变换结果(下图)对比。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，针对现有频谱仪功率检波的问题，本发明设计了一种新型的基于傅里叶变换的功率检波方法，是更为精确和无近似的功率检波方法，同时克服了RBW带来的影响，是功率检波的最优解。
本发明实施例的功率检波器，包括：
信号输入端，用于输入待检测的连续时间信号；
本振单元，用于输出两路正交的本振信号，本振信号的频率为f，两路本振信号均与连续时间信号相交；
混频器，设置有两个，分别设置在两路本振信号与连续时间信号的相交位置，用于对本振信号和连续时间信号进行乘法运算，获得频率f的频谱密度；
积分器，设置有两个，分别与两个混频器的输出端相连，用于分别对两路本振信号和连续时间信号相乘后的信号进行时间积分运算，分别得到频率为f 的频谱密度的实部和虚部；
信号处理器，其输入端与两个积分器的输出端均相连，用于获取两路正交的本振信号与连续时间信号相乘后积分得到的频谱密度的实部和虚部，并对实部和虚部进行求模和相除取相位计算，得到连续时间信号中频率为f的功率谱的幅度和相位。
该功率检波器中信号输入端的位置还设置有多级本振单元，多级本振单元输入多级本振信号，多级本振信号分别通过多个混频器与连续时间信号相乘；通过多级本振单元后的连续时间信号再分别与本振单元的两路正交信号进行乘法运算。多级本振单元和本振单元中所有本振频率之和等于连续时间信号中待检测的频率。
该功率检波器包括模拟实现方式和数字实现方式。采用数字实现方式的功率检波器中，两个积分器的输入端位置均连接有对数放大器。采用数字实现方式的功率检波器中，积分器通过积分型A/D转换器实现。
(1)本发明建立了时间信号频谱的检波器的设计原理：频率为f的两路正交的本振信号与时间信号相乘后积分，获得时间信号中的频率为f的频谱密度。具体说明如下。
连续时间函数x(t)的傅里叶变换为：
e-jωt为本振产生的信号，ω＝2πf。因为：
e-jωt＝cosωt-isinωt (2)
e-jωt包含两个正交信号cosωt和sinωt。两信号的相乘x(t)·e-jωt用乘法器实现，时间积分表示相乘结果的累加。由于时间信号被截取，积分变为一段时间的积分
由(1)式可见，频率为f的本振信号与时间信号相乘后积分，获得频率 f的频谱密度。这就是精确功率检波器的设计原理。
(2)检波器的实现如图1所示，将时间信号与两路正交的频率为f的本振信号进行相乘和积分，输出为频谱密度的实部和虚部，进行求模和相除取相位计算，获得时间信号中频率为f的功率谱的幅度和相位。
图1中包含了(1)中提及的相乘和积分。图1中，x(t)表示时间信号，是被分析的对象。X(f)为x(t)的频谱，为包含实部和虚部的复数。Re(·)表示取实部，Im(·)表示取虚部。根据X(f)实部和虚部可以获得其幅度和相位。
(3)在图1中，当从开始频率fs到截止频率fe完成整个扫频过程，从检波器的输出可以获得从fs到fe的频谱。
(4)本振的混频是超外差降频过程，有时需要多级混频。多级混频检波器原理如图2所示，所有本振频率之和等于时间信号中待分析的频率f。
(5)检波器的实现方式可以用模拟或数字方式实现。图1和图2给出的是检波器的原理图示，图1和图2中的各环节都可用数字方式实现，数字实现带来很大好处。多级功率检波器及典型数字实现方式如图3所示。数字方式实现方式较多，图4是另一种数字实现方式，图中对零中频信号进行A/D转换，输入到数字信号处理器中进行积分、求模、求相位等运算。
(6)基于功率检波的频谱仪(或接收计)原理图如图4所示。图中包含了预选器；混频后有滤波器，滤掉镜像信号；有对数放大器，用于提高测试信号的动态范围。从射频输入到视频输出的整个通道与传统的峰值检波频谱仪相同，仅检波器有所不同。采用了图4的数字实现方式，也可以采用图3的数字实现方式。
本发明实施例的采用功率检波器的频谱仪，包括功率检波器，以及与其相连的射频输入衰减器、预选器、滤波器、对数放大器、扫描发生器和显示器：其中：
功率检波器，包括：
信号输入端，用于输入待检测的连续时间信号；
本振单元，用于输出两路正交的本振信号，本振信号的频率为f，两路本振信号均与连续时间信号相交；
混频器，设置有两个，分别设置在两路本振信号与连续时间信号的相交位置，用于对本振信号和连续时间信号进行乘法运算，获得频率f的频谱密度；
积分器，设置有两个，分别与两个混频器的输出端相连，用于分别对两路本振信号和连续时间信号相乘后的信号进行时间积分运算，分别得到频率为f 的频谱密度的实部和虚部；
信号处理器，其输入端与两个积分器的输出端均相连，用于获取两路正交的本振信号与连续时间信号相乘后积分得到的频谱密度的实部和虚部，并对实部和虚部进行求模和相除取相位计算，得到连续时间信号中频率为f的功率谱的幅度和相位；
射频输入衰减器和预选器依次连接在信号输入端的位置；
两路的混频器与积分器之间均连接有滤波器和对数放大器，滤波器用于滤除镜像信号，对数放大器用于提提高试信号的动态范围；
显示器与信号处理器的输出端相连，用于输出结果；
本振单元和显示器均与扫描发生器相连。
本发明的有益效果：
(1)扫频获得的频谱结果与信号傅里叶变换的结果一致，是一种对时间信号进行傅里叶变换和频谱分析的方法。
(2)实现原理简单，不要求高频信号的高采样率，降低了对A/D电子器件的要求。
(3)成本低，经济实用。可以和传统频谱仪共用很多技术，降低了仪器成本。
在本发明的另一个具体实施例中，用MATLAB开发了虚拟频谱仪软件，模拟频谱仪的各种检波方式，包括传统频谱仪平方和功率检波、本文的功率检波方式。
对频率为500MHz、5MHz线性调频、脉冲宽度10μs、占空比50％、幅度为 1V的雷达脉冲进行功率检波。图6和图7分别为平方和功率检波(RBW 1MHz，视频带宽3MHz)、功率检波结果与傅里叶变换结果对比。其中扫描周期为 20μs、步进频率为0.2MHz。
对频率为1GHz、脉冲宽度1μs、占空比1％、幅度为1V的矩形无调频雷达脉冲进行功率检波。图8和图9分别为平方和功率检波(RBW 1MHz，视频带宽3MHz)、功率检波结果与傅里叶变换结果对比。其中扫描周期为100μs、步进频率为0.2MHz。
从两组仿真对比结果可以看出，新方法在精度上获得了提升。新方法与傅里叶变换的结果几乎完全一致，具有极高的检波精度。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种功率检波器，其特征在于，包括：
信号输入端，用于输入待检测的连续时间信号；
本振单元，用于输出两路正交的本振信号，本振信号的频率为f，两路本振信号均与连续时间信号相交；
混频器，设置有两个，分别设置在两路本振信号与连续时间信号的相交位置，用于对本振信号和连续时间信号进行乘法运算，获得频率f的频谱密度；
积分器，设置有两个，分别与两个混频器的输出端相连，用于分别对两路本振信号和连续时间信号相乘后的信号进行时间积分运算，分别得到频率为f的频谱密度的实部和虚部；
信号处理器，其输入端与两个积分器的输出端均相连，用于获取两路正交的本振信号与连续时间信号相乘后积分得到的频谱密度的实部和虚部，并对实部和虚部进行求模和相除取相位计算，得到连续时间信号中频率为f的功率谱的幅度和相位。
2.根据权利要求1所述的功率检波器，其特征在于，该功率检波器中信号输入端的位置还设置有多级本振单元，多级本振单元输入多级本振信号，多级本振信号分别通过多个混频器与连续时间信号相乘；通过多级本振单元后的连续时间信号再分别与本振单元的两路正交信号进行乘法运算。
3.根据权利要求2所述的功率检波器，其特征在于，多级本振单元和本振单元中所有本振频率之和等于连续时间信号中待检测的频率。
4.根据权利要求2所述的功率检波器，其特征在于，该功率检波器包括模拟实现方式和数字实现方式。
5.根据权利要求4所述的功率检波器，其特征在于，采用数字实现方式的功率检波器中，两个积分器的输入端位置均连接有对数放大器。
6.根据权利要求4所述的功率检波器，其特征在于，采用数字实现方式的功率检波器中，积分器通过积分型A/D转换器实现。
7.一种采用权利要求1的功率检波器的频谱仪，其特征在于,包括功率检波器，以及与其相连的射频输入衰减器、预选器、滤波器、对数放大器、扫描发生器和显示器：其中：
功率检波器，包括：
信号输入端，用于输入待检测的连续时间信号；
本振单元，用于输出两路正交的本振信号，本振信号的频率为f，两路本振信号均与连续时间信号相交；
混频器，设置有两个，分别设置在两路本振信号与连续时间信号的相交位置，用于对本振信号和连续时间信号进行乘法运算，获得频率f的频谱密度；
积分器，设置有两个，分别与两个混频器的输出端相连，用于分别对两路本振信号和连续时间信号相乘后的信号进行时间积分运算，分别得到频率为f的频谱密度的实部和虚部；
信号处理器，其输入端与两个积分器的输出端均相连，用于获取两路正交的本振信号与连续时间信号相乘后积分得到的频谱密度的实部和虚部，并对实部和虚部进行求模和相除取相位计算，得到连续时间信号中频率为f的功率谱的幅度和相位；
射频输入衰减器和预选器依次连接在信号输入端的位置；
两路的混频器与积分器之间均连接有滤波器和对数放大器，滤波器用于滤除镜像信号，对数放大器用于提高试信号的动态范围；
显示器与信号处理器的输出端相连，用于输出结果；
本振单元和显示器均与扫描发生器相连。
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