CN107885275B - 一种信号源分析仪的宽频段中频的自动调理装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信号源分析仪的宽频段中频的自动调理装置和方法，属于电子测试技术领域，本发明方法构建了两级增益可控的增益调整模块，一个是5dB大步进增益调整模块，负责增益的粗调，一个是0.25dB的小步进增益调整模块，负责增益的精调；本发明根据10MHz～67GHz宽频段信号在频率和幅度两个维度，对信号的通道的频响进行校准，依据射频信号功率值，直流偏置搜索后，实时调整两级可控增益调整模块，实现中频增益的自动调整。本发明方法可保证中频信号的幅度在不饱和的情况下，调整到ADC信号采集的最大动态范围内，提高了相位噪声测量灵敏度。

Description

一种信号源分析仪的宽频段中频的自动调理装置和方法

技术领域

本发明属于电子测试技术领域，具体涉及一种信号源分析仪的宽频段中频的自动调理装置和方法。

背景技术

在信号源分析仪的相位噪声测量中，中频信号位于ADC接收信号的前端。中频信号过大，会导致ADC输出饱和，中频信号过小，会导致ADC测量灵敏度降低。按照相位噪声的概念，相位噪声是噪声相对于载波功率的比值，所以，在满足ADC采集的动态范围内前提下，应尽量提高信号的幅度。此外，ADC动态范围还要受到ADC的谐波失真、无杂散动态范围(SFDR)、信噪比(SNR)等指标的影响，需要在设计中采取一定的措施来优化和提高。因此，中频数字化后，如何保证中频处理的大动态范围是设计中面临的挑战之一。

模拟中频方案中，通路采用多级中频放大器和对数放大器，线性通路有超过90dB的动态范围，对数通路有超过100dB甚至更高的动态范围，ADC处理的是直流或低频信号，如果通路压缩点设计不合理，反而会容易造成大信号压缩，导致动态范围的降低。因此模拟中频方案需要合理分配接收通路增益，严格设计每级部件的增益压缩点，防止对大信号造成压缩。

传统的依据幅度自动增益调理方案，如1所示，核心思想是利用通路中抗混叠滤波器有较长的延时特性，在ADC之前加一个可变增益调节器，在扫描过程中，使电路能进行充分的峰值预检测和增益判别，进而调整进入ADC的信号增益，实现后端电路的增益调整。该方案的难点是时序的逻辑控制，必须保证在较短的群延时时间周期内完成信号的幅度控制。另外，通过幅度判别，这种调整是“定性”的不精确的调整方法，不能实现ADC采集前端精确的调整。

现有技术缺点：

传统的方案中，通过对幅度进行测量，根据幅度调整通道前端的可变增益，实现后端电路的增益调整，这种调整是“定性”的不精确的调整方法，不能实现ADC采集前端精确的调整的需求。

传统的方案中主要是根据输入信号的幅度调整后端增益，这种方法只是考虑的信号的幅度维度，而没有考虑信号的频率维度，不同的频率点在硬件电路中具有不同的频响。当输入信号的频率范围较宽，例如到67GHz宽频段的信号时，不同频率的信号会导致后端通道的频响差异较大，如果只根据信号幅度调整，会导致不同的频率点在相同的幅度下，后端的中频增益不同。

传统的测量方法需要在一定的群延时时间内，完成幅度检测和增益控制，不同的滤波器群延时特性不一致，这样导致时序控制复杂，设计和实现困难。另外如果信号幅度非常大，如果不能实时的调整通道增益，会导致突发的输入幅度过载，烧毁仪器，带来损失。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明公开了一种信号源分析仪的宽频段中频的自动调理装置和方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种信号源分析仪的宽频段中频的自动调理装置，包括功分模块、程控步进衰减模块、下变频本振模块、毫米波下变频模块、调谐本振模块、混频模块、低通模块、直流偏置调整模块、ADC模块、频率测量模块、功率测量模块、上游粗调增益调整模块以及下游精调增益调整模块；

功分模块，被配置为用于将10MHz～67GHz宽频段的射频信号分成两路，一路输出至衰减模块，另一路输出至功率测量模块；

程控步进衰减模块，被配置为用于对射频信号进行信号调理；

下变频本振模块，被配置为用于产生下变频本振信号；

毫米波下变频模块，输入信号频率范围为10MHz～67GHz，被配置为用于将接收到的7GHz～67GHz的射频信号与下变频本振模块产生的下变频本振信号下变频到200MHz～3GHz的中频信号；

调谐本振模块，被配置为用于产生调谐本振信号；

其中混频模块、低通滤波模块以及直流偏置调整单元组成鉴频鉴相单元，被配置为用于对微波毫米波下变频模块和调谐本振模块的两路输入信号进行鉴频鉴相；

在锁相环法相位噪声测量过程中，混频模块作鉴相器使用，输出鉴相电压；在鉴频法相位噪声测量中，混频模块作下变频器用，将被测信号变换到固定中频；

低通模块，被配置为被配置为对中频信号的杂波信号进行带外抑制；

直流偏置调整模块，被配置为用于对中频输出信号进行直流偏置调整，保证输出的信号对称并且不饱和；

ADC模块，被配置为将中频信号转化为数字信号，该数字信号作为误差信号对调谐本振模块进行调节实现环路锁定；

频率测量模块，被配置为用于对被测信号的频率进行测量，并依据频率测量值调整调谐本振模块；

功率测量模块，被配置为用于对被测信号的载波功率进行测量，并依据载波功率测量值，调整程控衰减模块，防止信号过大，导致后端电路饱和；

上游粗调增益调整模块，被配置为用于对被测信号的功率进行粗调；

下游精调增益调整模块，被配置为用于对被测信号的功率进行精调。

优选地，上游粗调增益调整模块为大增益调整模块，步进幅度为5dB；下游精调增益调整模块为小增益调整模块，步进幅度为0.25dB。

此外，本发明还提到一种信号源分析仪的宽频段中频的自动调理方法，该方法采用如上所述的信号源分析仪的宽频段中频的自动调理装置，包括如下步骤：

步骤1：被测信号经过功分模块后分成两路；其中一路输出至功率测量模块和频率测量模块；另一路输出至程控衰减模块；

步骤2：经过功率测量模块和频率测量模块，测量输入信号的幅度值和频率值；

步骤3：依据输入信号的幅度值和频率值，加载通道的频响校准数据；

步骤4：通过程控衰减模块对射频信号进行信号调理后进入上游粗调增益调整模块；

步骤5：依据输入信号的幅度值调整上游粗调增益调整模块，依据输入信号频率值使频率低于7GHz的信号通过直通通道进入混频模块；7GHz～67GHz的射频信号进入毫米波下变频模块；

步骤6：毫米波下变频模块将接收到的7GHz～67GHz的射频信号与下变频本振模块产生的下变频本振信号进行下变频，输出200MHz～3GHz的中频信号至混频模块；

步骤7：依据整机中频信号的输出要求以及频响校准数据，调整上游粗调增益调整模块，用于保证中频输出的精确控制；

步骤8：通过混频模块，将频率低于7GHz的信号、中频信号与调谐本振模块产生的调谐本振信号进行混频后送入低通模块；

步骤9：通过低通模块，对中频信号的杂波信号进行带外抑制；

步骤10：通过直流偏置调整模块，对中频输出信号进行直流偏置调整，保证输出的信号对称并且不饱和；

步骤11：调整下游精调增益调整模块，对输出信号的幅度进行放大；

步骤12：通过ADC模块对经过调整下游精调增益调整模块放大后的输出信号进行采样，得到数字信号，并将该数字信号作为误差信号对调谐本振模块进行调节实现环路锁定。

本发明所带来的有益技术效果：

1、本发明可以实时调整ADC前端的增益，相当于扩展了ADC的量程范围，使得无论信号大小始终调整至ADC合适的量程范围来提高动态范围；可以实时“精确”调整ADC前端电路的中频输出幅度，实现了通道增益控制由原先由“定性”向“定量”分析转变。

2、构建了两级增益可控的增益调整模块，一个是5dB大步进上游增益调整模块，负责增益的粗调，一个是0.25dB的小步下游增益调整模块，负责增益的精调；依据测量的频率值和功率值实时调整上游和下游的增益调整模块，保证了测量的动态范围。

3、10MHz～67GHz宽频段的信号，在频率和幅度两个维度，对信号的通道的频响进行校准，依据射频信号功率值，直流偏置搜索后，实时调整两级可控增益调整模块，实现中频增益的自动调整，可保证中频信号的幅度在不饱和的情况下，调整到ADC信号采集的最大动态范围内，从而提高相位噪声测量灵敏度。

附图说明

图1是现有技术中依据幅度自动增益调理的方案图。

图2是本发明中频增益自动调理装置的原理框图。

其中，1-功分模块；2-频率测量模块；3-功率测量模块；4-程控步进衰减模块；5-上游粗调增益调整模块；6-下变频本振模块；7-毫米波下变频模块；8-调谐本振模块；9-混频模块；10-低通模块；11-直流偏置调整模块；12-下游精调增益调整模块；13-ADC模块；

图3是本发明中频增益自动调理方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

1、方案原理

为了实现对大信号和小信号的最佳采样，本项目将采用中频增益自动调理技术，根据测量信号幅度和频率两个维度来实时调整A/D转换器前端的增益控制量，使得A/D转换器在大信号和小信号时都工作在满量程范围，从而保证大信号具有一定的衰减，小信号也有最好的分辨率。中频增益自动调理装置的原理框图如图2所示，核心思想是无论输入的是大信号还是小信号，都可以通过上下游两级粗调和精调增益调整模块对信号在频率和幅度两个维度上进行自动调理。自动调理还负责直流偏置调整功能，因为相噪对直流偏置敏感，所以直流偏置调整的目的是保证信号是对称不饱和的，以便恢复原来信号幅度值。此外，通过实时对信号幅度检测和调整，可以防止信号过载从而保护ADC。因为可以实时测量信号的频率和幅度，上述步骤可以实时的通过流水作业方式完成而没有时间差，在信号到达ADC之前自动调理电路已获取了信号的频率和功率特征，因此可以在两个维度上调整可以“精确”控制进入ADC的信号的幅度。

如图2所示的一种信号源分析仪的宽频段中频的自动调理装置，包括功分模块1、频率测量模块2、功率测量模块3、程控步进衰减模块4、上游粗调增益调整模块5、下变频本振模块6、毫米波下变频模块7、调谐本振模块8、混频模块9、低通模块10、直流偏置调整模块11、下游精调增益调整模块12以及ADC模块13；

功分模块1，被配置为用于将10MHz～67GHz宽频段的射频信号分成两路，一路输出至程控步进衰减模块4，另一路输出至功率测量模块3；

频率测量模块2，用于对被测信号的频率进行测量，并依据频率测量值调整调谐本振模块8；

功率测量模块3，用于对被测信号的载波功率进行测量，并依据载波功率测量值，调整程控步进衰减模块4，防止信号过大，导致后端电路饱和；

程控步进衰减模块4，用于对射频信号进行信号调理；

下变频本振模块6，用于产生下变频本振信号；

毫米波下变频模块7，输入信号频率范围为10MHz～67GHz，对于低于7GHz的信号走直通通道；被配置为用于将接收到的7GHz～67GHz的射频信号与下变频本振模块6产生的下变频本振信号下变频到200MHz～3GHz的中频信号；然后直通通道和混频通道合为一路中频信号，中频信号与调谐本振信号进入鉴频鉴相单元。

调谐本振模块8，用于产生调谐本振信号；

混频模块9、低通模块10以及直流偏置调整模块11，用于对微波毫米波下变频模块7和调谐本振模块8的两路输入信号进行鉴频鉴相；

在锁相环法相位噪声测量过程中，混频模块9用作鉴相器使用，输出为鉴相电压，经低通模块10滤波和直流偏置模块11调整后输出到高速ADC进行采样。在鉴频法相位噪声测量中，混频模块9作下变频器用，将被测信号变换到固定中频，中频信号经一组低通模块10滤除带外干扰，输出到ADC模块13进行采样分析。

直流偏置调整模块11，对中频输出信号进行直流偏置调整，保证输出的信号对称并且不饱和；

ADC模块13，将中频信号转化为数字信号，该数字信号作为误差信号对调谐本振模块8进行调节实现环路锁定；

上游粗调增益调整模块5，用于对被测信号的功率进行粗调；

下游精调增益调整模块12，用于对被测信号的功率进行精调。

上游粗调增益调整模块5为大增益调整模块，步进幅度为5dB；下游精调增益调整模块12为小增益调整模块，步进幅度为0.25dB。

2、设计实现

被测信号经过功分模块后进入频率功率测量模块，它可以实时测量输入信号的频率和幅度的变化。另外通过提前对整机10MHz～67GHz宽频段通路的频响校准，我们可以得到整机的整个频响特性。正是由于具有了整机频响特性数据和被测信号的频率和幅度数据，所以可以保证信号到达ADC之前能够及时对输入信号进行电平判别处理和增益调整。及时检测信号电平，然后在实时决定需要调整的放大器增益并且完成电路设置。调整后具有最佳增益的信号到达ADC，使动态范围最大化。特别是对那些需要更大动态范围的包含大、小信号的测量时，动态范围已经通过加在ADC前面的增益改善了。方案设计时，考虑到输出信号的功率值不仅随频率发生变化，而且也随功率值发生变化，所以本方案从频率和功率两个维度上进行增益控制。

第一，在频率维度上，本项目相位噪声覆盖10MHz～67GHz频率范围，信号接收通路上包含了衰减模块、上游粗调增益调整模块、下游精调增益调整模块、下变频本振模块、毫米波下变频模块、混频模块等，其中衰减模块、上游粗调增益调整模块、下游精调增益调整模块、混频模块、的频率响应是渐变的，容易进行线性拟合，而下变频本振模块和毫米波下变频模块的开关滤波器通道通路多，各通路的频响和增益差别较大，频响补偿既要考虑各频段的纹波起伏又要考虑切换频段时变化，频响补偿数据主要包括固定的频率点和非固定的频率点，对于频率波段切换时的临界点，采用固定的频率点进行频响补偿。对于其它频率点，校准时先进行初值设置，参考电平0dBm,连接外部校准源，以1MHz为步进，从小到大改变输入信号频率，测得各点对应的幅度值，建立频率响应补偿数据。数据使用时，依据实时测量的频率值加载频率响应补偿数据。

第二，在功率维度上，射频信号经过功分模块进入频率功率测量模块，在功率测量模块检测输入信号的功率值，当功率值较大时，首先调整上游粗调程控增益调整模块，然后在调整下游精调程控增益调整模块，通过上游粗调程控增益调整模块和下游精调程控增益调整模块两级调整，保证输出中频信号满足要求。

我们构建了两级增益控制的增益调整模块，一个在粗调的5dB大步进，一个在精调的0.25dB的小步进，依据测量的频率值和功率值实时调整游粗调程控增益调整模块和下游精调程控增益调整模块，使输出的中频增益满足要求。工程实践中，一般我们需要将中频信号的功率调整到比ADC最大动态范围小2～3dB左右，提高相位噪声测量灵敏度。这里需要注意的是，下游精调增益的调整是在直流偏置调整之后进行的，因为相位噪声测量时电路对直流偏置敏感，直流偏置不合适的时候，会导致输出的信号消峰或者信号饱和，导致后端ADC采集错误，所以直流偏置调整的目的是保证输入到ADC采集的信号是对称且不饱和的。

3、整机工作流程

以上介绍了自动增益调理的整机工作原理，下面介绍本发明的整机工作流程，工作流程如图3所示，具体包括如下步骤：

步骤1：被测信号经过功分模块后分成两路；其中一路输出至功率测量模块和频率测量模块；另一路输出至程控衰减模块；

步骤2：经过功率测量模块和频率测量模块，测量输入信号的幅度值和频率值；

步骤3：依据输入信号的幅度值和频率值，加载通道的频响校准数据；

步骤4：通过程控衰减模块对射频信号进行信号调理后进入上游粗调增益调整模块；

步骤5：依据输入信号的幅度值调整上游粗调增益调整模块，依据输入信号频率值使频率低于7GHz的信号通过直通通道进入混频模块；7GHz～67GHz的射频信号进入毫米波下变频模块；

步骤6：毫米波下变频模块将接收到的7GHz～67GHz的射频信号与下变频本振模块产生的下变频本振信号进行下变频，输出200MHz～3GHz的中频信号至混频模块；

步骤7：依据整机中频信号的输出要求以及频响校准数据，调整上游粗调增益调整模块，用于保证中频输出的精确控制；

步骤8：通过混频模块，将频率低于7GHz的信号、中频信号与调谐本振模块产生的调谐本振信号进行混频后送入低通模块；

步骤9：通过低通模块，对中频信号的杂波信号进行带外抑制；

步骤10：通过直流偏置调整模块，对中频输出信号进行直流偏置调整，保证输出的信号对称并且不饱和；

步骤11：调整下游精调增益调整模块，对输出信号的幅度进行放大；

步骤12：通过ADC模块对经过调整下游精调增益调整模块放大后的输出信号进行采样，得到数字信号，并将该数字信号作为误差信号对调谐本振模块进行调节实现环路锁定。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种信号源分析仪的宽频段中频的自动调理装置，其特征在于：包括功分模块、程控步进衰减模块、下变频本振模块、毫米波下变频模块、调谐本振模块、混频模块、低通模块、直流偏置调整模块、ADC模块、频率测量模块、功率测量模块、上游粗调增益调整模块以及下游精调增益调整模块；

功分模块，被配置为用于将10MHz～67GHz宽频段的射频信号分成两路，一路输出至衰减模块，另一路输出至功率测量模块；

程控步进衰减模块，被配置为用于对射频信号进行信号调理；

下变频本振模块，被配置为用于产生下变频本振信号；

毫米波下变频模块，输入信号频率范围为10MHz～67GHz，被配置为用于将接收到的7GHz～67GHz的射频信号与下变频本振模块产生的下变频本振信号下变频到200MHz～3GHz的中频信号；

调谐本振模块，被配置为用于产生调谐本振信号；

其中混频模块、低通滤波模块以及直流偏置调整单元组成鉴频鉴相单元，被配置为用于对微波毫米波下变频模块和调谐本振模块的两路输入信号进行鉴频鉴相；

在锁相环法相位噪声测量过程中，混频模块作鉴相器使用，输出鉴相电压；在鉴频法相位噪声测量中，混频模块作下变频器用，将被测信号变换到固定中频；

低通模块，被配置为被配置为对中频信号的杂波信号进行带外抑制；

直流偏置调整模块，被配置为用于对中频输出信号进行直流偏置调整，保证输出的信号对称并且不饱和；

ADC模块，被配置为将中频信号转化为数字信号，该数字信号作为误差信号对调谐本振模块进行调节实现环路锁定；

频率测量模块，被配置为用于对被测信号的频率进行测量，并依据频率测量值调整调谐本振模块；

功率测量模块，被配置为用于对被测信号的载波功率进行测量，并依据载波功率测量值，调整程控衰减模块，防止信号过大，导致后端电路饱和；

上游粗调增益调整模块，被配置为用于对被测信号的功率进行粗调；

下游精调增益调整模块，被配置为用于对被测信号的功率进行精调。

2.根据权利要求1所述的信号源分析仪的宽频段中频的自动调理装置，其特征在于：上游粗调增益调整模块为大增益调整模块，步进幅度为5dB；下游精调增益调整模块为小增益调整模块，步进幅度为0.25dB。

3.一种信号源分析仪的宽频段中频的自动调理方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的信号源分析仪的宽频段中频的自动调理装置，包括如下步骤：

步骤1：被测信号经过功分模块后分成两路；其中一路输出至功率测量模块和频率测量模块；另一路输出至程控衰减模块；

步骤2：经过功率测量模块和频率测量模块，测量输入信号的幅度值和频率值；

步骤3：依据输入信号的幅度值和频率值，加载通道的频响校准数据；

步骤4：通过程控衰减模块对射频信号进行信号调理后进入上游粗调增益调整模块；

步骤5：依据输入信号的幅度值调整上游粗调增益调整模块，依据输入信号频率值使频率低于7GHz的信号通过直通通道进入混频模块；7GHz～67GHz的射频信号进入毫米波下变频模块；

步骤6：毫米波下变频模块将接收到的7GHz～67GHz的射频信号与下变频本振模块产生的下变频本振信号进行下变频，输出200MHz～3GHz的中频信号至混频模块；

步骤7：依据整机中频信号的输出要求以及频响校准数据，调整上游粗调增益调整模块，用于保证中频输出的精确控制；

步骤8：通过混频模块，将频率低于7GHz的信号、中频信号与调谐本振模块产生的调谐本振信号进行混频后送入低通模块；

步骤9：通过低通模块，对中频信号的杂波信号进行带外抑制；

步骤10：通过直流偏置调整模块，对中频输出信号进行直流偏置调整，保证输出的信号对称并且不饱和；

步骤11：调整下游精调增益调整模块，对输出信号的幅度进行放大；

步骤12：通过ADC模块对经过调整下游精调增益调整模块放大后的输出信号进行采样，得到数字信号，并将该数字信号作为误差信号对调谐本振模块进行调节实现环路锁定。