CN108594013B - 一种基于射频直采的宽带瞬时测频系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于射频直采的宽带瞬时测频系统，它包括电源网络、时钟分配网络、模拟信号调整电路、模数转换网络、信号处理网络及信号通信网络，电源网络通过高稳定电源转换电路为其他各功能电路模块提供所需电压，时钟分配网络将1.5GHz输入时钟功分为4路1.5GHz同源时钟用于模数转换网络，同时时钟分配网络中本地晶振为信号处理网络提供20mHz参考时钟；模拟信号调整电路将3GHz外部输入单端信号转换为差分信号，再经过放大滤波后传输到模数转换网络实现模数转换，模数转换后的信号传输到信号处理网络进行数字信道化、信号检测、脉冲参数测量、脉冲分选及脉冲重复时间提取，测量结果经信号通信网络通过光纤进行传输。

Description

一种基于射频直采的宽带瞬时测频系统

技术领域

本发明涉及宽带数字接收机领域，特别是一种基于射频直采的宽带瞬时测频系统。

背景技术

瞬时测频接收机体制可以简单的分为两种，一种是模拟式，它将信号功分为两路，其中一路经过延迟线，再通过相位相关器，通过对比两路信号的相位变化判断信号频率，这种方式体积大、功耗高。另一种是数字式，在常用的数字化接收机方式中，其中以单比特方式和信道化方式居多。

目前单比特方式在检测多信号时，特别是在信号强弱相差较大时，很难从频谱中对频谱进行区分，多信号处理能力低，且国内常用的高速ADC的采样率一般在3GHz以下，最大带宽在1GHz左右。信道化方式通过数字下变频技术将宽带射频信号变成一组窄带的中频信号，再利用低速ADC进行采样。这种方式由于存在大量变频环节，造成通道的幅相一致性较差，信噪比低，无杂散动态范围差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于射频直采的宽带瞬时测频系统，能够在解决通道幅相一致性差，信噪比低，信号无杂散动态范围差等问题的同时实现高达4gHz带宽、3gHz采样率的射频直采功能并满足瞬时测频各项指标需求。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于射频直采的宽带瞬时测频系统，它包括电源网络、时钟分配网络、模拟信号调整电路、模数转换网络、信号处理网络及信号通信网络，所述的电源网络通过高稳定电源转换电路为其他各功能电路模块提供所需电压，所述的时钟分配网络的同源时钟输出端与模数转换网络的同源时钟输入端连接，时钟分配网络的参考时钟输出端与和信号处理网络的参考时钟输入端连接，所述的模拟信号调整电路、模数转换网络、信号处理网络及信号通信网络依次级联；时钟分配网络将1.5GHz输入时钟功分为4路1.5GHz同源时钟用于模数转换网络，同时时钟分配网络中本地晶振为信号处理网络提供20mHz参考时钟；模拟信号调整电路将3GHz外部输入单端信号转换为差分信号，再经过放大滤波后传输到模数转换网络实现模数转换，模数转换后的信号传输到信号处理网络进行数字信道化、信号检测、脉冲参数测量、脉冲分选及脉冲重复时间提取，测量结果经信号通信网络通过光纤进行传输。

所述的时钟网络包括晶振、时钟芯片和时钟分配芯片，所述的晶振产生40MHz本地参考时钟分别提供FPGA参考时钟和时钟芯片输入时钟，时钟芯片接收外部时钟信号，将其转换为AD9634所需采样时钟和外部参考时钟，时钟分配芯片将外部输入的1.5GHz时钟信号转换为4路高精度ADC083000所需采样时钟。

所述的时钟芯片接收的外部时钟信号通过SPI选择其输入源和参考源分别为本地40MHz时钟、两路外部输入时钟其中一个或几个。

所述的模拟信号调整电路和模数转换网络包括五路巴伦、五路放大滤波器部件、四路ADC083000和一路AD9634，3GHz外部输入单端信号经过巴伦转换为差分信号，再经过放大滤波之后送入ADC083000和AD9634进行采样。

所述的电源网络提供ADC083000所需1.8V模拟工作电压和1.9V输出驱动电压，时钟分配网络提供ADC083000所需采样时钟1.5GHz。

所述的信号处理网络采用FPGA芯片，通过高速差分管脚将前端AD采集的数据送进FPGA进行数字信道化、信号检测、脉冲参数测量、脉冲分选及脉冲重复时间提取处理。

所述的数字信道化处理采用多相滤波器结构，先对AD的采样数据进行降速率并行处理，再进行多相滤波，再通过IDFT变换获得各子信道数据。

所述的信号通信网络HTA8525四路并行光收发一体模块将瞬时测频结果通过光纤进行传输。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于射频直采的宽带瞬时测频系统，模数转换网络具有折叠插值结构，折叠结构可大幅减少比较器的数量和功耗，插值结构可减少前端放大器数量，尽最大可能减少输入信号的负载从而进一步降低功耗；全差分比较器结构，内部采样保持放大器以及可编程校准功能，能产生很好的SFDR、SINAD、ENOBA结果；编程校准功能可在上电时进行校准并在温度变化时通过配置指令校准输出，独特的校准程序保证了实时采集数据能具有很好的SFDR、SINAD、ENOBA效果。同时，该网络设计了输出偏置电压可调功能，其调整精度为0.176mv，可调范围为0-45mv。该网络还设计了多片AD时钟同步校准电路，可将四路AD进行时钟同步。

系统能够在解决通道幅相一致性差，信噪比低，信号无杂散动态范围差等问题的同时实现高达4gHz带宽、3gHz采样率的射频直采功能并满足瞬时测频各项指标需求。

附图说明

图1为瞬时测频系统框图；

图2为时钟网络示意图；

图3为模拟通道系统框图；

图4为数模转换实现框图；

图5为多相滤波结构数字信道化接收示意图；

图6为通信网络示意图；

图7为AD9634采集数据对数振幅频谱图；

图8为222mHz输入信号射频直采对数振幅频谱图；

图9为338mHz输入信号射频直采对数振幅频谱图；

图10为421mHz输入信号射频直采对数振幅频谱图；

图11为555mHz输入信号射频直采对数振幅频谱图；

图12为609mHz输入信号射频直采对数振幅频谱图；

图13为730mHz输入信号射频直采对数振幅频谱图；

图14为854mHz输入信号射频直采对数振幅频谱图；

图15为926mHz输入信号射频直采对数振幅频谱图；

图16为1025mHz输入信号射频直采对数振幅频谱图；

图17为1138mHz输入信号射频直采对数振幅频谱图；

图18为1256mHz输入信号射频直采对数振幅频谱图；

图19为1300mHz输入信号射频直采对数振幅频谱图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种基于射频直采的宽带瞬时测频系统，它包括电源网络、时钟分配网络、模拟信号调整电路、模数转换网络、信号处理网络及信号通信网络，所述的电源网络通过高稳定电源转换电路为其他各功能电路模块提供所需电压，所述的时钟分配网络的同源时钟输出端与模数转换网络的同源时钟输入端连接，时钟分配网络的参考时钟输出端与和信号处理网络的参考时钟输入端连接，所述的模拟信号调整电路、模数转换网络、信号处理网络及信号通信网络依次级联；时钟分配网络将1.5GHz输入时钟功分为4路1.5GHz同源时钟用于模数转换网络，同时时钟分配网络中本地晶振为信号处理网络提供20mHz参考时钟；模拟信号调整电路将3GHz外部输入单端信号转换为差分信号，再经过放大滤波后传输到模数转换网络实现模数转换，模数转换后的信号传输到信号处理网络进行数字信道化、信号检测、脉冲参数测量、脉冲分选及脉冲重复时间提取，测量结果经信号通信网络通过光纤进行传输。

如图2所示，所述的时钟网络包括晶振、时钟芯片SI5328和时钟分配芯片AD9508，所述的晶振产生40MHz本地参考时钟分别提供FPGA参考时钟和时钟芯片输入时钟，时钟芯片接收外部时钟信号，将其转换为AD9634所需采样时钟和外部参考时钟，时钟分配芯片将外部输入的1.5GHz时钟信号转换为4路高精度ADC083000所需采样时钟。时钟网络通过高精度时钟分配芯片将1.5GHz输入时钟功分为4路1.5GHz同源时钟用于4路AD射频直采。为达到所需采样率及相位同步的采样时钟，本时钟网络设计了良好的输出间隔离，所有输出自动同步，集成内部LDO(低压差)稳压器，具有很好的电源抑制性能，同时可通过SPI配置时钟芯片内部寄存器实现可编程分频比及输出至输出相位失调的延迟粗调。同时该网络中本地晶振为FPGA提供20mHz参考时钟。

时钟芯片接收的外部时钟信号通过SPI选择其输入源和参考源分别为本地40MHz时钟、两路外部输入时钟其中一个或几个。输出信号频率可通过SPI设置相应寄存器进行任意配置(8kHz到808MHz)。本地晶振产生40MHz本地参考时钟分别提供FPGA参考时钟和SI5328输入时钟。FPGA通过SPI配置AD9508将外部输入的1.5GHz时钟信号转换为4路高精度AD所需采样时钟。通过AD9508的锁相和同步，可以提供高精度的高速采样时钟以保障AD采样的各项指标。由于高速模数转换对时钟的精度要求非常高，因此高速时钟的质量直接影响到数模转换的各项指标。

如图3所示，射频信号经过耦合器后，限幅放大器将输入动态压缩，压缩后的动态在ADC的动态范围内，之后进入频率预选滤波器，然后进入第一级混频，将X波段信号经过一级下变频，变频后的射频信号依然是4GHz带宽，再通过四功器将信号划分为4个子通道，子通道带宽1.1GHz，相邻子通道有100MHz的频谱重叠，每个子通道在经过第二次下变频，变换到固定中频，然后送入高速ADC采样，每个子通道再进行数字信道化处理。

在大信号(输入电平大于-37dBm)情况下，链路压缩，此时测幅通过耦合支路完成。耦合输出的信号经过检波器，检波后的电平信号送入低采样率AD9634，采样后送入FPGA，计算信号幅度。由算法判断选择工作通道幅度或大信号测幅支路幅度。当存在大小两个信号时，小信号幅度由算法根据两个支路计算出的幅度得到。

模数转换网络利用4路高速AD进行射频直采。每路AD工作时钟为1.5GHz，以上下沿交替采样的方式达到3GHz采样率。该数模转换网络包含一个1:4的信号分离器，可将3GHz速率采样信号直接转换成4路差分信号输出，每一路差分信号可通过SPI配置内部寄存器使输出速率为375mHz的DDR(双边沿输出)数据。该网络具有折叠插值结构，折叠结构可大幅减少比较器的数量和功耗，插值结构可减少前端放大器数量，尽最大可能减少输入信号的负载从而进一步降低功耗；全差分比较器结构，内部采样保持放大器以及可编程校准功能，能产生很好的SFDR、SINAD、ENOBA结果。可编程校准功能可在上电时进行校准并在温度变化时通过配置指令校准输出，独特的校准程序保证了实时采集数据能具有很好的SFDR、SINAD、ENOBA效果。同时，该网络设计了输出偏置电压可调功能，其调整精度为0.176mv，可调范围为0-45mv。该网络还设计了多片AD时钟同步校准电路，可将四路AD进行时钟同步。

如图4所示，模拟信号调整电路和模数转换网络包括五路巴伦、五路放大滤波器部件、四路ADC083000和一路AD9634，3GHz外部输入单端信号经过巴伦转换为差分信号，再经过放大滤波之后送入ADC083000和AD9634进行采样。

所述的电源网络提供ADC083000所需1.8V模拟工作电压和1.9V输出驱动电压，时钟分配网络提供ADC083000所需采样时钟1.5GHz。可利用FPGA通过SPI通讯接口对ADC083000进行时钟校准、采样校准等操作。同时可通过SPI配置ADC工作模式、采样率、采样相位、信号输出格式等。图4中巴伦、放大滤波部分为信号调整网络，AD9634及ADC083000组成模数转换网络。

所述的信号处理网络采用xilinx ZYNQ系列FPGA芯片，通过高速差分管脚将前端AD采集的数据送进FPGA进行数字信道化、信号检测、脉冲参数测量、脉冲分选及脉冲重复时间提取处理。

所述的数字信道化处理采用多相滤波器结构，先对AD的采样数据进行降速率并行处理，再进行多相滤波，再通过IDFT变换获得各子信道数据。数据处理结构如图5所示，将带宽0～2π分成32个数字信道，采样频率为3GHz时，每个信道带宽93.75mHz。

所述的信号通信网络HTA8525四路并行光收发一体模块将瞬时测频结果通过光纤进行传输，每个通道可提供高达6.25Gbps的传输速率。如图6所示。当FPGA控制信号RXEN有效时，FPGA从4路输入接口接收HTA8525转换光纤传输过来的光信号。当FPGA控制信号TXEN有效时，FPGA从4路输入接口发送电信号经HTA8525转换为光信号进行传输。同时，HTA8525将各通道通信检测结果通过SD传入FPGA,FPGA根据结果进行相应处理。当HTA8525出现故障时，将通过ALERT接口将结果发送至FPGA。

对本申请的模拟通道进行测量，模拟通道测试指标有频率范围，带宽，通道增益，带内平坦度等。设置信号源进行200M-1300M扫频发射，功率0dBm，分别输入4片AD，然后用频谱仪测量ADC芯片信号输入端的信号频率范围，带宽，带内平坦度及通道增益。测试结果如表1所示：

表1模拟通道测试结果

测试项目	AD1通道	AD2通道	AD3通道	AD4通道
					频率范围	200M-1300M	200M-1300M	200M-1300M	200M-1300M
带宽	1.1G	1.1G	1.1G	1.1G
					带内平坦度	1.8dB	1.2dB	1.6dB	1.3dB
通道增益	-8dB	-10dB	-10dB	-10dB

利用MATLAB软件编程对VIVADO实时采集的4通道ADC083000数据进行指标计算。其中一片AD射频直采主要指标结果如表2所示：

表2单通道AD射频直采主要指标结果

以上各频率输入信号的对数振幅频谱图结果见图8-19。其中纵坐标单位为dB，横坐标单位为Hz。

信号源输入时钟芯片SI5328所需的参考信号，通过VIVADO软件控制信号链路工作，此时用函数信号发生器输入频率为10mHz正弦波信号，通过VIVADO软件实时采集记录并用MATLAB计算SFDR,ENOB,SNR。AD9634采集数据对数振幅频谱图如图7所示，MATLAB计算结果如表3所示：

表3 AD9634采集数据MATLAB计算结果

指标	SFDR(dB)	SNR(dB)	ENOB
				结果	41.393	67.342	10.894

通过以上指标结果可以看出，基于射频直采的宽带瞬时测频硬件系统在满足通道幅相一致性，信噪比、信号无杂散动态范围、数据有效位等指标的同时实现高达4gHz带宽、3gHz采样率的射频直采功能并满足瞬时测频功能。

Claims (7)

1.一种基于射频直采的宽带瞬时测频系统，其特征在于：它包括电源网络、时钟分配网络、模拟信号调整电路、模数转换网络、信号处理网络及信号通信网络，所述的电源网络通过高稳定电源转换电路为其他各功能电路模块提供所需电压，所述的时钟分配网络的同源时钟输出端与模数转换网络的同源时钟输入端连接，时钟分配网络的参考时钟输出端与和信号处理网络的参考时钟输入端连接，所述的模拟信号调整电路、模数转换网络、信号处理网络及信号通信网络依次级联；时钟分配网络将1.5GHz输入时钟功分为4路1.5GHz同源时钟用于模数转换网络，同时时钟分配网络中本地晶振为信号处理网络提供20mHz参考时钟；模拟信号调整电路将3GHz外部输入单端信号转换为差分信号，再经过放大滤波后传输到模数转换网络实现模数转换，模数转换后的信号传输到信号处理网络进行数字信道化、信号检测、脉冲参数测量、脉冲分选及脉冲重复时间提取，测量结果经信号通信网络通过光纤进行传输；

所述的时钟分配网络包括晶振、时钟芯片和时钟分配芯片，所述的晶振产生40MHz本地参考时钟分别提供FPGA参考时钟和时钟芯片输入时钟，时钟芯片接收外部时钟信号，将其转换为AD9634所需采样时钟和外部参考时钟，时钟分配芯片将外部输入的1.5GHz时钟信号转换为4路高精度ADC083000所需采样时钟。

2.根据权利要求1所述的一种基于射频直采的宽带瞬时测频系统，其特征在于：所述的时钟芯片接收的外部时钟信号通过SPI选择其输入源和参考源分别为本地40MHz时钟、两路外部输入时钟其中一个或几个。

3.根据权利要求1所述的一种基于射频直采的宽带瞬时测频系统，其特征在于：所述的模拟信号调整电路和模数转换网络包括五路巴伦、五路放大滤波器部件、四路ADC083000和一路AD9634，3GHz外部输入单端信号经过巴伦转换为差分信号，再经过放大滤波之后送入ADC083000和AD9634进行采样。

4.根据权利要求3所述的一种基于射频直采的宽带瞬时测频系统，其特征在于：所述的电源网络提供ADC083000所需1.8V模拟工作电压和1.9V输出驱动电压，时钟分配网络提供ADC083000所需采样时钟1.5GHz。

5.根据权利要求1所述的一种基于射频直采的宽带瞬时测频系统，其特征在于：所述的信号处理网络采用FPGA芯片，通过高速差分管脚将前端AD采集的数据送进FPGA进行数字信道化、信号检测、脉冲参数测量、脉冲分选及脉冲重复时间提取处理。

6.根据权利要求1所述的一种基于射频直采的宽带瞬时测频系统，其特征在于：所述的数字信道化处理采用多相滤波器结构，先对AD的采样数据进行降速率并行处理，再进行多相滤波，再通过IDFT变换获得各子信道数据。

7.根据权利要求1所述的一种基于射频直采的宽带瞬时测频系统，其特征在于：所述的信号通信网络采用HTA8525四路并行光收发一体模块，将瞬时测频结果通过光纤进行传输。

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