CN107576846B - 一种基于取样变频技术的高精度频率测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于取样变频技术的高精度频率测量系统及方法，包括：依次连接的中频处理部件、射频计算部件和射频校验部件；中频处理部件用于实现中频测量过程中的针对某一输入本振测量中频、判断中频测量结果是否满足频率测量分辨率要求以及判断中频测量结果中是否存在影响测量的交调信号，如果存在则进行交调排除；射频计算部件用于根据中频处理部件两次测量的中频值，计算出谐波次数、正负号以及对应的射频值；射频校验部件用于校验射频计算部件计算出来的射频值是否为谐波信号，如果是谐波信号则进行谐波排除。本发明有益效果：可以实现高频信号的稳定测量；可以有效排除影响测量的交调信号进行正确的频率测量；可以识别谐波并有效排除。

Description

一种基于取样变频技术的高精度频率测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于取样变频技术的高精度频率测量系统及方法。

背景技术

当采用取样变频技术进行频率测量时，需要由本振及其谐波信号同被测信号混频来产生中频信号，当本振扫描到有中频信号落在中频带内之后，通过微调本振，使中频信号再次落在中频带内，分别测量出微调前后的中频频率，根据微调前后的中频频率，即可得到被测信号的频率值。同时中频信号及其谐波也会再与本振及其谐波交叠混频，从而在混频器的输出端夹杂着众多不同频率的交调信号。当交调信号的频率落在中频带内且与中频信号距离很近时，就会被当作中频信号来处理，从而导致频率测量结果错误。

影响频率测量的交调信号分为两类：

1)中频信号的谐波与本振信号再次混频产生的信号落在中频带内且与中频信号距离很近时；

2)中频的谐波正好落在中频带内。

以上两种情况下交调信号会被当作真正的中频信号处理，最终导致测量结果错误。因此，每次检测到有信号落在中频带内时，都需要判断当前检测到的信号是否存在影响测量的交调信号，如果存在影响测量的交调信号则需要剔除出去，只有这样才能保证测量结果正确。

另外，由于取样器本身的非线性导致在某些本振点测到的中频信号存在不稳定现象，只有排除不稳定的本振点、锁定稳定的本振点才能进行稳定的频率测量。

当信号的幅度较高时，还会出现信号的压缩甚至变形，导致其谐波信号幅度与被测信号幅度均在比较器磁滞区间内，因此，还需要有效地识别谐波及被测信号，才能得到正确的测量结果。

图1为常用的高频信号测量框图，包括：中频测量部件，射频计算部件，本振反算部件。处理步骤如下：中频测量部件用于调谐本振LO_i(范围LO₁…LO_n)测量出中频频率IF_i；射频计算部件通过中频频率与本振、谐波次数的关系计算出射频频率RF_i；本振反算部件用于根据射频频率反算出理论上最优的本振LO_j，然后重新调用中频测量部件测量出中频频率IF_j，最后再通过射频计算部件计算出射频信号RF_j。

现实情况下，由于交调信号的存在，本振扫描过程中检测到的“中频信号”未必是期望的中频信号，而是交调信号。通过对取样器的输出信号进行频谱分析可以发现，其中不仅有中频信号f_IF(即被测信号f_IN和本振f_LO的N次谐波混频后得到的信号)，还有交调信号f_IF’，其中包括中频信号f_IF的M(M＝2，3……)次谐波产生的交调信号，以及中频信号f_IF的M(M＝1，2，3……)次谐波与本振信号的N次谐波再次混频所产生的交调信号。在被测信号功率较高且与中频信号f_IF距离很近时，交调信号的影响较为明显，虽然较中频信号的幅度有所衰减，但有些交调信号落在中频带内时依然能够被检测出来。这种情况下，交调信号f_IF’就会被当成中频信号f_IF，从而会导致测量错误，因此，为了保证频率测量的准确性，必须将这些交调信号剔除出去。此外，由于取样器本身的非线性导致在某些本振点测到的中频信号存在不稳定情况，所以，必须锁定稳定的本振点才能连续稳定的进行频率测量。最后，当输入信号幅度较大时，信号还会出现压缩甚至变形，此时，还需要排除谐波信号才能正确的测量出被测信号。

发明内容

本发明针对通过取样变频技术进行高频测量时出现的上述缺陷，提出了一种基于取样变频技术的高精度频率测量系统及方法。通过中频稳定性检测、交调排除和射频校验等一系列方法，解决了通过取样器将高频信号变成较低频率的中频信号过程中存在的下列问题：

(1)交调信号的排除问题，在被测信号功率较高且与中频信号距离很近时，交调信号的影响较为明显，虽然较中频信号的幅度有所衰减，但有些交调信号落在中频带内时依然能够被检测出来，这种情况下，交调信号就会被当成中频信号从而会导致测量错误，因此，为了保证频率测量的准确性，必须将这些交调信号剔除。

(2)信号的稳定性识别问题，由于取样器本身的非线性导致在某些本振点测到的中频信号存在不稳定现象，如何锁定稳定的本振点进行测量是本发明解决的一个关键问题。

(3)当信号的幅度较高时，信号会出现压缩甚至变形，导致其谐波信号幅度与被测信号幅度均在比较器磁滞区间内，如何排除谐波信号也是本发明所要解决的一个重要问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明公开了一种基于取样变频技术的高精度频率测量系统，包括：依次连接的中频处理部件、射频计算部件和射频校验部件；

所述中频处理部件用于实现中频测量过程中的针对某一输入本振测量中频、判断中频测量结果是否满足频率测量分辨率要求以及判断中频测量结果中是否存在影响测量的交调信号；

所述射频计算部件用于根据中频处理部件两次测量的中频值，计算出谐波次数、正负号以及对应的射频值；

所述射频校验部件用于校验射频计算部件计算出来的射频值是否为谐波信号。

进一步地，所述中频处理部件包括：

中频测量部件：用于针对某一输入本振测量中频，锁定该本振执行多次中频测量并保存中频测量结果；

中频优化部件：用于读取中频测量部件的多个中频测量值，判断这些中频测量值是否满足频率测量分辨率要求，若满足计算其平均值作为交调排除部件的输入参数；

交调排除部件：用于读取中频优化部件输入的中频值，判断该中频值附近是否存在影响测量的交调信号。影响测量的交调信号包括两类：

中频信号f_IF的M次谐波产生的交调信号，其中，M＝2，3……；

中频信号f_IF的M次谐波与本振信号的N次谐波再次混频所产生的交调信号，且这些交调信号与中频信号距离很近时，其中，M＝1，2，3……；N＝2，3……。

进一步地，所述中频优化部件判断中频测量部件输入的多个中频值是否满足频率测量分辨率要求，若满足，计算其平均值并将该平均值送交调排除部件；若不满足，则通知中频处理部件当前中频测量失败。

进一步地，所述交调排除部件判断中频优化部件输入的中频值附近是否存在影响测量的交调信号，如果存在影响测量的交调信号，则通知中频处理部件当前中频存在交调；如果不存在影响测量的交调信号，则保存该中频值作为射频计算部件的输入参数。

进一步地，所述射频校验部件校验射频计算部件计算出来的射频值是否为谐波信号，如果是谐波信号，则进行谐波排除；否则，将该射频作为最终射频测量结果输出。

进一步地，所述中频处理部件与射频计算部件连接；射频计算部件分别接收两次中频处理部件的中频测量结果，并根据两次中频测量结果计算出谐波次数、正负号以及对应的射频值。

本发明公开了一种基于取样变频技术的高精度频率测量方法，包括以下步骤：

(1)调谐本振信号，本振信号频率调谐范围为LO₁，LO₂，…，LO_n，利用本振信号测量中频；

(2)当某一本振LO_i能够测量出中频时，锁定该本振LO_i执行多次中频测量IF₁，IF₂，…，IF_k，k≥3；

(3)进行中频测量结果的稳定性判断，计算中频测量结果IF₁、IF₂、…，IF_k是否满足频率测量分辨率要求。

A)若满足，则计算IF₁、IF₂、…，IF_k的平均值IF_avg，判断该平均值IF_avg附近是否存在影响测量的交调信号；

a)如果不存在影响测量的交调信号，保存该平均值作为IF_first；

b)如果存在影响测量的交调信号，修改下一调谐本振点LO_(i+1)，重复步骤(1)～(3)；

B)若不满足，修改下一本振调谐点LO_(i+1)，重复步骤(1)～(3)；

(4)微调本振LO_j＝LO_i+δ，重复步骤(1)～(3)，测量下一中频IF_second；

(5)根据两次本振设置LO_i、LO_j得到的中频测量结果IF_first、IF_second，分别计算出谐波次数N和正负号Sign，得到被测信号的频率值RF。

(6)判断射频频率值RF是否存在谐波；

A)如果存在谐波，则进行谐波排除，得到谐波排除后的射频测量值RF_out；

B)如果不存在谐波，则将该RF作为射频测量值RF_out；

(7)结束。

本发明有益效果：

1、可以实现高频信号的稳定测量：在调谐本振测量中频的过程中，如果当前本振测量的中频信号不稳定，就会出现不断调谐本振测量中频问题，无法锁定本振进行连续、稳定的频率测量。

2、可以有效排除影响测量的交调信号进行正确频率测量：由于变频取样测量高频信号必然存在交调信号，如果不排除影响测量的交调信号就会导致中频测量错误，从而无法正确计算出射频频率，本发明通过分析交调信号产生的原因，在每次中频测量时对影响测量的交调信号进行及时有效排除，从而保证中频的正确测量。

3、可以识别谐波并有效排除：当被测信号幅度较高时，信号会出现压缩甚至变形，其谐波信号的幅度较大，在本振调谐测量中频过程中就会检测出来，从而导致测量出来的中频不是真实信号的中频，而是谐波信号的中频，最终通过该中频计算出来的射频信号错误，本发明在射频信号测量出来后，进行了谐波的有效识别，排除了被测信号本身存在的谐波，正确的测量出信号频率。

附图说明

图1为常规高频信号测量系统框图；

图2为本发明高频信号测量系统框图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的说明。

本发明公开了一种基于取样变频技术的高精度频率测量系统，如图1所示，包括：

中频处理部件、射频计算部件、射频校验部件。其中，中频处理部件包括中频测量部件、中频优化部件、交调排除部件。

中频处理部件用于控制中频测量流程，调谐本振执行中频测量、中频优化和交调排除。

中频测量部件用于针对某一输入本振测量中频，锁定该本振执行多次中频测量并保存中频测量结果；

中频优化部件读取中频测量部件的多个中频测量值，判断这些中频测量值是否满足频率测量分辨率要求，若满足计算其中频平均值送交调排除部件；若不满足则通知中频处理部件当前中频测量失败。

交调排除部件用于读取中频优化部件输入的中频值，判断该中频值附近是否存在影响测量的交调信号f_IF’(包括中频信号f_IF的M(M＝2，3……)次谐波产生的交调信号，以及中频信号f_IF的M(M＝1，2，3……)次谐波与本振信号的N次谐波再次混频所产生的交调信号)，如果存在影响测量的交调信号，则通知中频处理部件当前中频存在交调；如果不存在影响测量的交调信号，则保存该中频值作为射频计算部件的输入参数。

射频计算部件用于计算中频处理部件两次测量的中频值，计算出谐波次数、正负号以及对应的射频值。

射频校验部件用于校验射频计算部件计算出来的射频值是否为谐波信号，如果是谐波信号，则进行谐波排除，否则将该射频作为最终射频测量结果输出。

本发明公开了一种基于取样变频技术的高精度频率测量方法，包括：

(1)中频处理部件调谐本振，本振频率调谐范围为LO₁，LO₂，…，LO_n，调用中频测量部件测量中频；

(2)当某一本振LO_i能够测量出中频时，锁定该本振LO_i执行多次中频测量IF₁，IF₂，…，IF_k，k≥3；

(3)中频处理部件调用中频优化部件进行中频的稳定性判断，判断中频测量结果IF₁、IF₂、…，IF_k是否满足频率测量分辨率要求；

A)若满足，则中频处理部件计算中频IF₁，IF₂，…，IF_k的平均值IF_avg，调用交调排除部件判断该平均值IF_avg附近是否存在影响测量的交调信号；

a)如果不存在影响测量的交调信号，中频处理部件保存该平均值作为IF_first；

b)如果存在影响测量的交调信号，修改下一调谐本振点LO_(i+1)，重复步骤(1)～(3)；

B)若不满足，修改下一本振调谐点LO_(i+1)，重复步骤(1)～(3)；

其中，频率测量分辨率可按如下公式判断：

Δf＝(100ps÷T_Gate)×IF_avg，

│IF_i-IF_avg│≤3×Δf，

其中，IF_i为IF₁、IF₂、…、IF_k中的某一中频值；T_Gate为测量输入的闸门时间；

若│IF_i-IF_avg│≤3×Δf，则满足频率测量分辨率，否则为不满足频率测量分辨率。

影响测量的交调信号判别方法如下：

f_IF’＝│n×f_LO±m×f_IF│，

│f_IF-f_IF’│＞f_min,

其中，n取值1，2；m取值1，2，3，4；f_LO为本振频率；f_IF为中频频率；f_IF’为交调信号；f_min为正确测量时，被测中频与交调信号的最小频率间距；

若│f_IF-f_IF’│＞f_min，则存在影响测量的交调信号；否则不存在影响测量的交调信号。

(4)微调本振LO_j＝LO_i+δ，重复步骤(1)～(3)，测量下一中频IF_second；

(5)中频处理部件调用射频计算部件，根据公式f_IN＝N×f_LO+Sign×f_IF，分别计算出谐波次数N和正负号Sign，即可得到被测信号的频率值RF。

谐波次数N计算公示为：N＝│IF_second-IF_first│÷│LO_j-LO_i│；

正负号Sign计算规则为：

如果IF_second＞IF_first且LO_j＞LO_i，或者IF_second<IF_first且LO_j<LO_i，则Sign取负；

如果IF_second＞IF_first且LO_j<LO_i，或者IF_second<IF_first且LO_j＞LO_i，Sign取正。

(6)调用射频校验部件计算射频频率RF是否存在谐波；

A)如果存在谐波，则进行谐波排除，得到谐波排除后的射频测量值RF_out；

B)如果不存在谐波，则将该RF作为射频测量值RF_out；

判断射频频率值RF是否存在谐波及进行谐波排除的方法为：

1)RF’＝RF÷i，其中i取值2，3，4，…,M；M为正整数；

2)取i＝2，计算出RF’，根据RF’返算出理想本振；

3)将所得理想本振代入步骤(1)-步骤(5)，得到射频RF_harm；

4)若RF_harm＝RF’，则存在谐波，进入步骤5)；否则，不存在谐波，进入步骤6)；

5)取下一个i值，重复步骤1)-4)，直到RF_harm≠RF’；将最后RF_harm＝RF’时的RF’作为射频测量值RF_out，结束；

6)将RF作为射频测量值RF_out，结束。

(7)至此，整个中频测量及射频计算过程完毕。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种基于取样变频技术的高精度频率测量系统，其特征在于，包括：依次连接的中频处理部件、射频计算部件和射频校验部件；

所述中频处理部件用于实现中频测量过程中的针对某一输入本振测量中频、判断中频测量结果是否满足频率测量分辨率要求，以及判断中频测量结果中是否存在影响测量的交调信号；

所述射频计算部件用于根据中频处理部件两次测量的中频值，计算出谐波次数、正负号以及对应的射频值；

所述射频校验部件用于校验射频计算部件计算出来的射频值是否为谐波信号，如果是谐波信号则进行谐波排除。

2.如权利要求1所述的一种基于取样变频技术的高精度频率测量系统，其特征在于，所述中频处理部件包括：

中频测量部件：用于针对某一输入本振测量中频，锁定该本振执行多次中频测量并保存中频测量结果；

中频优化部件：用于读取中频测量部件的多个中频测量值，判断这些中频测量值是否满足频率测量分辨率要求，若满足计算其平均值作为交调排除部件的输入参数；

交调排除部件：用于读取中频优化部件输入的中频值，判断该中频值附近是否存在影响测量的交调信号，如果存在影响测量的交调信号，则进行交调排除。

3.如权利要求2所述的一种基于取样变频技术的高精度频率测量系统，其特征在于，所述中频优化部件判断中频测量部件输入的多个中频值是否满足频率测量分辨率要求，若满足，则计算其平均值送交调排除部件；若不满足，则通知中频处理部件当前中频测量失败。

4.如权利要求2所述的一种基于取样变频技术的高精度频率测量系统，其特征在于，所述交调排除部件判断中频值附近是否存在影响测量的交调信号，如果存在影响测量的交调信号，则通知中频处理部件当前中频存在交调；如果不存在影响测量的交调信号，则保存该中频值作为射频计算部件的输入参数。

5.如权利要求1所述的一种基于取样变频技术的高精度频率测量系统，其特征在于，所述射频校验部件校验射频计算部件计算出来的射频值是否为谐波信号，如果是谐波信号，则进行谐波排除；否则，将该射频值作为最终射频测量结果输出。

6.如权利要求1所述的一种基于取样变频技术的高精度频率测量系统，其特征在于，所述中频处理部件与射频计算部件连接；射频计算部件分别接收两次中频处理部件的中频测量结果，并根据两次中频测量结果计算出谐波次数、正负号以及对应的射频值。

7.一种基于取样变频技术的高精度频率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)调谐本振信号，本振信号频率调谐范围为LO₁，LO₂，…，LO_n，利用本振信号测量中频；

(2)当某一本振LO_i能够测量出中频时，锁定该本振LO_i执行多次中频测量IF₁，IF₂，…，IF_k，k≥3；

(3)进行中频测量结果的稳定性判断，判断中频测量结果IF₁，IF₂，…，IF_k是否满足频率测量分辨率要求；

中频测量结果IF₁，IF₂，…，IF_k是否满足频率测量分辨率的方法为：

若│IF_i-IF_avg│≤3×Δf，则满足频率测量分辨率，否则为不满足频率测量分辨率；

其中，Δf＝(100ps÷T_Gate)×IF_avg，IF_i为IF₁、IF₂、…、IF_k中的某一中频值；T_Gate为测量输入的闸门时间，IF_avg为IF₁，IF₂，…，IF_k的平均值；

A)若满足，判断该平均值IF_avg附近是否存在影响测量的交调信号；

a)如果不存影响测量的在交调信号，保存该平均值作为IF_first；

b)如果存在影响测量的交调信号，修改下一调谐本振点LO_(i+1)，重复步骤(1)～(3)；

B)若不满足，修改下一调谐本振点LO_(i+1)，重复步骤(1)～(3)；

(4)微调本振，使LO_j＝LO_i+δ，重复步骤(1)～(3)，测量下一中频IF_second；

(5)根据两次本振设置LO_i、LO_j得到的中频测量结果IF_first、IF_second，分别计算出谐波次数N和正负号Sign，得到被测信号的频率值RF；

(6)判断射频频率值RF是否存在谐波；

A)如果存在谐波，则进行谐波排除，得到谐波排除后的射频测量值RF_out；

B)如果不存在谐波，则将该RF作为射频测量值RF_out；

(7)结束。

8.如权利要求7所述的一种基于取样变频技术的高精度频率测量方法，其特征在于，所述步骤(3)中，判断IF₁，IF₂，…，IF_k的平均值IF_avg附近是否存在影响测量的交调信号的方法为：

若│f_IF-f_IF’│＞f_min，则存在影响测量的交调信号；否则不存在的影响测量交调信号；

其中，f_IF’＝│n×f_LO±m×f_IF│,n取值1，2；m取值1，2，3，4；f_LO为本振频率；f_IF为中频频率；f_IF’为交调信号；f_min为正确测量时被测中频与交调信号的最小频率间距。

9.如权利要求7所述的一种基于取样变频技术的高精度频率测量方法，其特征在于，所述步骤(6)中，判断射频频率值RF是否存在谐波的方法为：

1)RF’＝RF÷i，其中i取值2，3，4，…,M；M为正整数；

2)取i＝2，计算出RF’，根据RF’返算出理想本振；

3)将所得理想本振代入步骤(1)-步骤(5)，得到射频RF_harm；

4)若RF_harm＝RF’，则存在谐波，进入步骤5)；否则，不存在谐波，进入步骤6)；

5)取下一个i值，重复步骤1)-4)，直到RF_harm≠RF’；将最后RF_harm＝RF’时的RF’作为射频测量值RF_out，结束；

6)将RF作为射频测量值RF_out，结束。