CN108092626A - 一种宽频带大动态下变频模块 - Google Patents
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Abstract
一种宽频带大动态下变频模块，属于电子测试测量领域，其特征在于：包括射频子模块和控制子模块；所述控制子模块包括依次电连接的接口电路、控制电路和电源电路；所述射频子模块与控制电路相电连接；所述射频子模块包括依次电连接的通道选择开关电路、低噪声放大电路、混频器电路和中频信号调理电路；所述混频器电路设置有若干条子频段通道；所述接口电路设置有通信接口；通过合理划分子频段解决单个射频器件频率范围不足的问题，使下变频模块的工作频率最低可达2Hz，最高可达26.5GHz；实现10dBm到‑160dBm的超大输入信号动态范围；解决了当前宽带射频信号测试系统中面临的频率范围、动态范围、中频带宽的应用问题。
Description
技术领域
本发明属于电子测试测量领域，尤其涉及一种用于射频信号测试的宽频带大动态下变频模块。
背景技术
目前，国内已有一些射频信号下变频模块产品，但存在工作频率低、频率范围小、工作动态范围小，通道增益不可调，中频带宽较窄等技术问题。然而，随着测试测量技术的迅速发展，大带宽、高速率、大动态的时域宽带测量技术已经逐渐取代传统窄带频率测量技术，成为各个射频信号测试技术的发展趋势。因此，国内现有的射频下变频模块已经不能完全满足现在宽带射频信号测试系统的市场需求。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供一种宽频带大动态下变频模块。
本发明所述的宽频带大动态下变频模块，包括射频子模块和控制子模块；所述控制子模块包括依次电连接的接口电路、控制电路和电源电路；所述射频子模块与控制电路相电连接；所述射频子模块包括依次电连接的通道选择开关电路、低噪声放大电路、混频器电路和中频信号调理电路；所述混频器电路设置有若干条子频段通道；所述接口电路设置有通信接口；
所述电源电路用于向宽频带大动态下变频模块提供所需的直流电源；所述控制电路用于向宽频带大动态下变频模块进行控制，主要由FPGA和寄存器构成，用于配合上位机对下变频模块的功能进行控制；所述接口电路用于提供宽频带大动态下变频模块的通信接口；
所述通道选择开关电路用于实现不同子频段通道的切换；低噪声放大电路用于对输入射频信号提供通道增益，在小功率输入时为射频信号提供超过40dB的通道增益；混频电路用于对输入射频信号进行下变频；中频信号调理电路用于中频信号增益控制和滤波。射频子模块用于实现模拟射频信号下变频、滤波和增益控制功能；控制子模块用于实现电源、控制和总线接口功能。
本发明所述的宽频带大动态下变频模块，所述通道选择开关电路由一个SPDT射频同轴机械开关和若干个表贴电子开关组成；若干个所述表贴电子开关组成通道开关阵列；所述SPDT射频同轴机械开关用于切换小于3.6GHz和大于3.6GHz两个大频段；所述通道开关阵列用于切换具体的子频段通道；
所述低噪声放大电路由射频表贴电子开关、限幅保护器、射频LNA单元组成；所述射频表贴电子开关用于对低噪声放大器进行选通；当输入信号功率较小时，可以选通射频LNA提升前级增益，降低级联噪声系数。当低噪声放大器选通时，变频模块可以对最低-160dBm的输入单音信号进行变频和放大，并保证在输出端拥有7dB以上的信噪比以区分信号和噪声。
所述混频器电路采用多通道超外差结构，用于将输入的宽带射频信号变频为统一的中频信号，方便后级数据采集单元进行采样和信号处理。
所述中频信号调理电路由LC带通滤波器、DSA、中频增益放大器和DVGA组成；其中LC带通滤波器用于滤除中频信号的带外干扰、二次变频输出本振泄露、组合杂散，设计带宽40MHz；DSA和DVGA用于为提供超过40dB的衰减动态，当两者的衰减量设置为最大时，变频模块可以对最高+10dBm的输入单音信号进行变频和衰减，并保证在输出端拥有大于20dB的线性度比以区分信号和非线性产物。中频信号的带宽可以根据具体应用进行调整。
本发明所述的宽频带大动态下变频模块，所述子频段通道包括4个，分别为2Hz到30MHz子频段1直通通道、30MHz到3.6GHz子频段2变频通道、3.6GHz到17GHz子频段3变频通道以及17GHz到26.5GHz子频段4变频通道。各通道的切换由软件根据扫频范围控制射频开关实现。30MHz以下信号可以被绝大多数ADC直接处理，因此在射频通道上仅进行低通滤波，不作变频处理。30M到3.6GHz子频段2变频通道信号将采用二次变频架构，先上变频至5.04GHz第一中频信号，进过带通介质滤波器滤波后再下变频至240MHz的第二中频信号输出。3.6GHz到17GHz子频段3变频通道和17GHz到26.5GHz子频段4变频通道信号均通过一次变频下变频至240MHz中频信号。
本发明所述的宽频带大动态下变频模块，所述通信接口包括PXI接口、PXIe接口、PCI接口、PCIe接口、LXI接口或USB接口。通过上述接口实现与上位机的通信，进行大容量数据的传送。
本发明所述的宽频带大动态下变频模块，所述电源电路由多个直流转换芯片和低压差稳压器组成；所述电源电路可提供的直流电源包括+12V、+5.5V、+3.3V、+1.2V、-12V、-4V；总驱动能力大于20W。
本发明所述的宽频带大动态下变频模块，所述LNA单元由限幅保护器和LNA组成。
本发明所述的宽频带大动态下变频模块，所述子频段1直通通道与子频段2变频通道之间、子频段3变频通道与子频段4变频通道之间的切换时间小于50μs；使子频段2变频通道与子频段3变频通道之间的切换时间小于10ms。
本发明所述的宽频带大动态下变频模块，通过合理划分子频段解决单个射频器件频率范围不足的问题，使下变频模块的工作频率最低可达2Hz，最高可达26.5GHz；通过使用LNA、DVGA和DSA相结合的方式，增加系统增益调整范围，实现10dBm到-160dBm的超大输入信号动态范围；LNA开启时级联噪声系数小于7dB；通道增益可调整范围大于80dB，最小调整步进0.5dB；中频输出信号中心频率240MHz、通带带宽40MHz，2.5倍带外干扰抑制超过80dB；通过上述技术问题的突破，解决了当前宽带射频信号测试系统中面临的频率范围、动态范围、中频带宽的应用问题。
附图说明
图1为本发明所述宽频带大动态下变频模块设计框图；
图2为本发明所述射频子模块原理框图；
图3为本发明所述控制子模块原理框图；
图4为本发明所述电源电路原理框图。
具体实施方式
宽频带大动态下变频模块是射频测试系统的通用功能模块，配合其它射频功能模块和测试数据处理模块搭建多种类型的射频信号测试和分析系统，并通过上位机进行控制和数据处理。其它射频功能模块包含射频预选模块、频率合成模块、时钟参考模块、前置衰减模块、数据采集模块；射频信号测试和分析系统包含射频频谱仪、电磁干扰测量接收机、矢量信号分析仪。下面结合附图及实施例对本发明所述宽频带大动态下变频模块进行详细说明。
宽频带大动态下变频模块通过射频同轴连接器与被测试系统或其它功能模块进行连接，进行信号的输入和输出；通过上位机接口与上位机进行通信和控制信号传输；如图1所示，上位机可通过PXI、PXIe、PCI、PCIe、LXI或USB总线控制下变频模块。下变频模块通过同轴连接器与被测试系统或其它功能模块相连。本实施例中将输入射频信号通过通道选择开关分成四个子频段，上位机根据所测具体频段控制选通对应的变频通道。30MHz以下子频段1直通通道信号通过直采通道后直接输出；30MHz到3.6GHz子频段2变频通道信号通过二次变频成为240MHz中频信号，再经过调理电路滤波和增益控制后输出；3.6GHz到17GHz子频段3变频通道信号通过一次变频成为240MHz中频信号，再经过调理电路滤波和增益控制后输出；17GHz到26.5GHz子频段4变频通道信号通过一次变频成为240MHz中频信号，再经过调理电路滤波和增益控制后输出。
如图2所示，射频子模块有四个同轴输入接口和一个同轴输出接口，分别为用于2Hz到26.5GHz射频信号输入的射频信号输入接口、用于子频段2变频通道第一级变频器的本振1输入接口、用于子频段2变频通道第二级变频器的本振2输入接口、用于子频段3变频通道和子频段4变频通道变频器的本振3输入接口、用于240MHz±20MHz中频信号输出的中频输出接口。射频输入信号经过通道选择后首先进入射频LNA单元，采用可选通的LNA单元和固定增益中频放大器结合的方式，在小信号输入时使系统级联噪声系数小于7dB、系统增益大于85dB，使最小输入功率达到-160dBm。LNA单元，可以是单颗LNA，也可以是多颗LNA级联，当多颗LNA级联时可为系统提供超过40dB的额外增益。使用者可以通过上位机对LNA进行使能和关闭控制，当选择关闭LNA时，LNA通道开关切换至直通通道，且LNA供电关闭。对LNA的控制可以选择手动或自动两种模式，手动模式下，使用者根据当前测试信号功率对LNA进行打开和关闭操作；自动模式下，上位机将根据预设的中频信号功率检测门限自动对LNA进行控制。经过LNA单元后，射频信号将被送入各自的变频通道，30MHz以下子频段1直通通道信号将经过滤波后直接输出；30MHz到3.6GHz子频段2变频通道信号需要经过两次变频，首先通过第一级混频器1与本振1混频得到5.04GHz的第一中频，经过放大和带通滤波后，再通过第二级混频器2与本振2混频得到240MHz第二中频。这样做可以解决跨中频输入信号导致混频器上下边带翻转的问题，同时降低信道选择的难度，可实现仅用一个变频通道对该频段进行变频，同时可实现对变频信号的二次滤波，使2.5倍带外干扰抑制达到80dB以上；3.6GHz到17GHz子频段3变频通道信号通过混频器3一次变频至240MHz中频信号；17GHz到26.5GHz子频段4变频通道信号通过混频器4一次变频至240MHz中频信号。子频段3变频通道和子频段4变频通道共用一个本振调理电路，可以收窄输入本振信号的频率范围，降低频率合成模块的设计难度，本振调理电路由倍频器1和倍频器2两个倍频器、一个放大器以及调整本振功率的固定衰减器组成，可以通过通道切换将输入的频率范围较窄的本振3信号扩展到能够用于3.6GHz到26.5GHz变频的宽带本振信号。本方案中，输入本振3信号的频率范围为3GHz到10GHz，经过本振调理电路后，实际本振频率范围可达到3GHz到30GHz。在子频段3变频通道和子频段4变频通道的变频过程中，上位机将根据具体频段选择合适的本振调理通道。子频段2变频通道、3、4共用一个中频信号调理电路，中频信号调理电路由一个240MHz LC带通滤波器、一个中频DSA、一个中频DVGA、一个中频驱动放大器以及用于通道增益调整的固定衰减器组成，可对混频电路产生的240MHz中频信号进行滤波与增益控制。DSA衰减步进1dB、调整范围大于10dB，DVGA增益调整步进0.5dB，调整范围大于30dB，使用者可以通过上位机对两者进行控制。
控制子模块以FPGA为核心，如图3所示，FPGA内部功能模块按功能可以划分为命令解析模块、下变频器控制模块、触发控制模块、FRAM控制模块及总线接口模块。其中命令解析模块实现所有系统资源的配置与调度；下变频器控制模块完成下变频模块扫频通道和本振通道的配置，如预放大器通道使能、各子频段变频器通道及本振通道切换开关控制、DSA衰减量控制以及DVGA增益控制等；触发控制模块实现触发源的选择，并实现各种触发功能；FRAM控制模块实现对FRAM数据读写功能；总线接口模块包含的PXI接口、PXIe接口、PCI接口、PCIe接口、LXI接口或USB接口，实现功能模块与上位机控制总线的数据交换功能。
电源模块能够对控制总线提供的+12V与+3.3V两路直流电源进行滤波和DC-DC转换，产生各功能模块所需的直流供电电压并提供足够的输出电流。根据各功能电路对电压和功率的要求，共需要+12V、+5.5V、+3.3V、+1.2V、-12V、-4V六种直流电源。如图4所示，其中+12V与-12V用于射频机械开关供电，+5.5V和-4V用于射频LNA、电子开关、中频DSA、DVGA等器件的供电，+3.3V和+1.2V用于FPGA、寄存器数字器件的供电。
本发明通过上位机操作宽频带大动态下变频模块，使用超外差Superheterodyne多通道变频技术实现对2Hz到26.5GHz宽带射频信号的连续模拟下变频，通过射频同轴机械开关与表贴电子开关结合的方式，用较低的成本保证了2Hz到26.5GHz的输入频率范围，同时实现了四个变频子频段的快速切换，使子频段1直通通道与子频段2变频通道之间、子频段3变频通道与子频段4变频通道之间的切换时间小于50μs，使子频段2变频通道与子频段3变频通道之间的切换时间小于10ms。通过多路射频低噪声放大器LNA、中频数字可变增益放大器DVGA和数字步进衰减器DSA实现对大动态范围输入射频信号的增益控制，通过射频介质滤波器中频高Q值LC滤波器相结合的方式，实现了中频信号大带宽、地插损和高抑制。当滤波器带宽为40MHz时，第一及第二中频滤波器差损均小于2dB，2.5倍带宽带外抑制均大于40dB。可对宽频带、大动态范围、大带宽的射频信号进行快速、高精度的测量与分析。
Claims (7)
1.一种宽频带大动态下变频模块，其特征在于：包括射频子模块和控制子模块；所述控制子模块包括依次电连接的接口电路、控制电路和电源电路；所述射频子模块与控制电路相电连接；所述射频子模块包括依次电连接的通道选择开关电路、低噪声放大电路、混频器电路和中频信号调理电路；所述混频器电路设置有若干条子频段通道；所述接口电路设置有通信接口；
所述电源电路用于向宽频带大动态下变频模块提供所需的直流电源；所述控制电路用于向宽频带大动态下变频模块进行控制；
所述接口电路用于提供宽频带大动态下变频模块的通信接口；
所述通道选择开关电路用于实现不同子频段通道的切换；
所述低噪声放大电路用于对输入射频信号提供通道增益；
所述混频电路用于对输入射频信号进行下变频；
所述中频信号调理电路用于中频信号增益控制和滤波。
2.根据权利要求1所述的宽频带大动态下变频模块，其特征在于：所述通道选择开关电路由一个SPDT射频同轴机械开关和若干个表贴电子开关组成；若干个所述表贴电子开关组成通道开关阵列；所述SPDT射频同轴机械开关用于切换小于3.6GHz和大于3.6GHz两个大频段；所述通道开关阵列用于切换具体的子频段通道；
所述低噪声放大电路由射频表贴电子开关、限幅保护器、射频LNA单元组成；所述射频表贴电子开关用于对低噪声放大器进行选通；
所述混频器电路采用多通道超外差结构，用于将输入的宽带射频信号变频为统一的中频信号；
所述中频信号调理电路由LC带通滤波器、DSA、中频增益放大器和DVGA组成；其中LC带通滤波器用于滤除中频信号的带外干扰、二次变频输出本振泄露、组合杂散，设计带宽40MHz；DSA和DVGA用于提供大于40dB的衰减动态。
3.根据权利要求2所述的宽频带大动态下变频模块，其特征在于：所述子频段通道包括4个，分别为2Hz到30MHz子频段1直通通道、30MHz到3.6GHz子频段2变频通道、3.6GHz到17GHz子频段3变频通道以及17GHz到26.5GHz子频段4变频通道。
4.根据权利要求3所述的宽频带大动态下变频模块，其特征在于：所述通信接口包括PXI接口、PXIe接口、PCI接口、PCIe接口、LXI接口或USB接口。
5.根据权利要求4所述的宽频带大动态下变频模块，其特征在于：所述电源电路由多个直流转换芯片和低压差稳压器组成；所述电源电路可提供的直流电源包括+12V、+5.5V、+3.3V、+1.2V、-12V、-4V；总驱动能力大于20W。
6.根据权利要求5所述的宽频带大动态下变频模块，其特征在于：所述LNA单元由限幅保护器和LNA组成。
7.根据权利要求6所述的宽频带大动态下变频模块，其特征在于：所述子频段1直通通道与子频段2变频通道之间、子频段3变频通道与子频段4变频通道之间的切换时间小于50μs；使子频段2变频通道与子频段3变频通道之间的切换时间小于10ms。
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