CN109450479A - 一种信号调制模块及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种信号调制模块及方法，其包括第一低通滤波器、第一混频器、第一带通滤波器、第二混频器、第一本振模块、第二本振模块和低通滤波模块，第一低通滤波器、第一混频器、第一带通滤波器、第二混频器依次连接，第一本振模块连接第一混频器，第二本振模块连接第二混频器；第一低通滤波器接入待调制信号并进行滤波，第一本振模块提供的第一本振信号与滤波后的待调制信号混频，第一带通滤器用于对混频后的信号进行单边带滤波，输出第一输出信号；第二本振模块提供的第二本振信号与第一输出信号混频，低通滤波模块用于混频后的信号进行低通滤波，输出谐波抑制比达到预设范围的发射信号。
Description
技术领域
本发明属于信号调制模块，具体涉及利用一种信号调制模块及方法。
背景技术
信号调制是使一种波形的某些特性按另一种波形或信号而变化的过程或处理方法。在无线电通信中，利用电磁波作为信息的载体。信息一般是待传输的基带信号(即调制信号)，其特点是频率较低并且携带调制信息，为了适合在指定频率传输，必须进行调制。所谓调制，就是将待传输的基带信号(调制信号)加载到高频振荡信号上的过程，其实质是将基带信号搬移到高频载波上去，也就是频谱搬移的过程，目的是把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合频率传输的高频信号。
现有的核磁共振仪器所发出的射频脉冲频率需要覆盖所观测的所有原子核的共振频率，其范围从几MHz到1GHz。核磁共振仪器要求射频信号调制模块的输出频率范围足够宽并且频谱纯度足够高，以避免使用外部的带通滤波器，现有的核磁共振仪器均需要使用两个到几十个发射通道和接收通道，用以激励不同的原子核并观测各个原子核的共振信号。
现有技术的射频信号调制模块将发射和接收部分分别实现，并用独立的信号源为发射和接收提供本振信号，然而受限于器件条件要完成射频脉冲的调制过程，在调制过程中会携带低频调制信号的多次谐波，谐波抑制比只能达到20dBc，会严重降低大功率器件的寿命并带来严重的EMC问题，为了对谐波进行抑制，只能手动更换与工作频率相同的窄带带通滤波器，对于常规的600MHz核磁共振仪器，需要使用的带通滤波器多达30～60个，如果要实现全自动化的切换，滤波器体积巨大，成本高昂，工程上难以实现。例如，专利文献CN1601570A公开了一种核磁共振控制台，其采用发射机接收机通过背板与控制计算机连接，实现各个部件的分别控制，然而其发射模块和接收模块分离，且由于信号源等部件通过线缆连接，部件多且连接复杂，输出信号的频谱纯度差，需要外置的接收混频器，以太网连接的方式可靠性较差而且不能实现实时通信，不能满足高速实验扫描的要求；专利文献CN204422450U公开了一种基于MCU的包含发射和接收功能的脉冲序列控制器，然而其输出信号的频谱纯度较差，需要使用外部带通滤波器和外置的接收混频器，设备连接关系复杂，成本高昂。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种信号调制模块及方法，其利用第一本振信号与带调制信号混频后输出高频的带有调制信息的单边带的第一输出信号，再利用第二本振信号进一步处理第一输出信号通过设置第一本振信号的中心频率、第二本振信号的中心频率、第一低通滤波器的通带范围、第一带通滤波器的通带范围和低通滤波模块的通带范围使得发射信号的谐波抑制比达到预设范围。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种信号调制模块，该模块包括第一低通滤波器、第一混频器、第一带通滤波器、第二混频器、第一本振模块、第二本振模块和低通滤波模块，第一低通滤波器、第一混频器、第一带通滤波器、第二混频器依次连接，第一本振模块连接第一混频器，第二本振模块连接第二混频器；
第一低通滤波器接入待调制信号并进行滤波，第一本振模块提供的第一本振信号与滤波后的待调制信号混频，第一带通滤器用于对混频后的信号进行单边带滤波，输出第一输出信号；
第二本振模块提供的第二本振信号与第一输出信号混频，低通滤波模块用于混频后的信号进行低通滤波，输出谐波抑制比达到预设范围的发射信号。
作为本发明的进一步改进，第一本振模块包括可调的频率合成模块，通过第一控制信号调整频率合成模块的输出频率实现所述信号调制模块发射信号频率的精调。
作为本发明的进一步改进，第一本振模块还包括依次连接的具有固定频率的第一锁相环、第三混频器、倍频器、第二带通滤波器、第一放大器和第一功分器，第三混频器连接频率合成模块，第一功分器连接第一混频器。
作为本发明的进一步改进，第二本振模块包括依次连接的第二锁相环、第三放大器和第二功分器，第二功分器连接第二混频器，可通过第二控制信号控制第二锁相环的输出频率实现所述信号调制模块发射信号频率的粗调。
作为本发明的进一步改进，第一带通滤器通过放大器连接第二混频器。
作为本发明的进一步改进，低通滤波模块包括选通开关、多个低通滤波器，低通滤波模块通过发射信号预设的频率选择最优的低通滤波器。
作为本发明的进一步改进，该信号调制模块还包括数控衰减器和时序控制开关，通过发射信号预设的功率设定数控衰减器，控制时序控制开关的开关状态实现发射和接收信号的时序调制。
作为本发明的进一步改进，信号调制模块还包括接收模块，接收模块包括依次连接的第四低通滤波器、第三数控衰减器、第四混频器、第三带通滤波器、第五混频器、第二低通滤波器，第三混频器连接第二功分器，第四混频器连接第一功分器，接收模块用于实现接收信号的调制。
作为本发明的进一步改进，信号调制模块通过设置数控衰减器的衰减值调制发射信号功率和接收信号功率。
为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种信号调制方法，具体步骤为：
S1.对待调制信号进行低通滤波，通过第一本振信号与滤波后的待调制信号混频，对混频后的信号进行单边带滤波，输出第一输出信号；
S2.第二本振信号与第一输出信号混频，对混频后的信号进行低通滤波，输出谐波抑制比达到预设范围的发射信号。
作为本发明的进一步改进，通过第一控制信号调整第一本振信号的输出频率实现发射信号频率的精调。
作为本发明的进一步改进，第一本振信号通过第一控制信号控制频率合成信号的频率与固定频率的第一锁相环信号进行混频、倍频、带通滤波和放大实现。
作为本发明的进一步改进，第二本振信号通过第二控制信号控制第二锁相环信号频率实现发射信号频率的粗调。
作为本发明的进一步改进，第一输出信号经过放大后与第二本振信号进行混频。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中通过发射信号预设的频率选择最优的低通滤波器对混频后的信号进行低通滤波。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中还通过第三控制信号控制时序控制开关的开关状态实现发射信号的时序调制。
作为本发明的进一步改进，第一本振信号和第二本振信号还用于对接收信号进行调制。
作为本发明的进一步改进，可通过设置数控衰减器的衰减值调制发射信号功率和接收信号功率。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明的一种信号调制模块及方法，其利用第一本振信号与带调制信号混频后输出高频的带有调制信息的单边带的第一输出信号，再利用第二本振信号进一步处理第一输出信号，通过设置第一本振信号的中心频率、第二本振信号的中心频率、第一低通滤波器的通带范围、第一带通滤波器的通带范围和低通滤波模块的通带范围使得发射信号的谐波抑制比达到预设范围。
本发明的一种信号调制模块及方法，第一本振模块通过频率合成器实现发射信号频率的细调并实现us级的频率切换，第二本振模块通过锁相环实现发射信号频率的粗调并实现100us级的频率切换，从而实现准确的收发时序控制和快速的频率切换。
本发明的一种信号调制模块及方法，第一本振信号和第二本振信号既可用于发送信号调制也可用于接收信号调制，实现发送信号和接收信号调制一体化。
本发明的一种信号调制模块及方法，，两级混频通过设置相应的低通和带通的参数设置从而消除射频信号混频后产生的多次谐波，同时减少了带通滤波器的数量，从而降低信号调制模块的成本。
本发明的一种信号调制模块及方法，该模块可以通过设置相应的衰减器和放大器以实现发射信号和接收信号的功率调制，从而可以适应不同功率的收发信号。
附图说明
图1为本发明优选实施例的一种射频信号调制模块的结构示意图；
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-第一低通滤波器，2-第一混频器、3-第一带通滤波器、4-第二放大器、5-第二混频器、6-第一开关、7-低通滤波模块、8-第二开关、9-第一衰减器、10-第三开关、11-频率合成器、12-第三混频器、13-倍频器、14-第二带通滤波器、15-第一放大器、16-第一功分器、17-第二锁相环、18-第三放大器、19-第二功分器、20-第一锁相环、21-第四放大器、22-第二衰减器、23-第二低通滤波器、24-第五混频器、25-第三带通滤波器、26-第五放大器、27-第四混频器、28-第六放大器、29-第三衰减器、30-第五低通滤波器和31-第四开关。
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。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
一种信号调制方法，具体步骤为：
S1.对待调制信号进行低通滤波，通过第一本振信号与滤波后的待调制信号混频，对混频后的信号进行单边带滤波，输出第一输出信号；第一输出信号可优选经过放大后与第二本振信号进行混频；
作为一个优选的实施例，通过第一控制信号调整第一本振信号的输出频率实现发射信号频率的精调；第一本振信号通过第一控制信号控制频率合成信号的频率与固定频率的第一锁相环信号进行混频、倍频、带通滤波和放大实现。
S2.第二本振信号与第一输出信号混频，对混频后的信号进行低通滤波，输出谐波抑制比达到预设范围的发射信号。优选地，通过发射信号预设的频率和功率选择最优的低通滤波器对混频后的信号进行低通滤波，并对低通滤波后的信号通过相应的衰减以实现发射信号的功率调整；通过第三控制信号控制时序控制开关的开关状态实现发射信号的时序调制；
作为一个优选的实施例，第二本振信号可通过第二控制信号控制第二锁相环信号频率实现发射信号频率的粗调。
作为一个优选的实施例，第一本振信号和第二本振信号还用于对接收信号进行调制。
作为一个优选的实施例，通过设置第一本振信号的中心频率、第二本振信号的中心频率、低通滤波器的通带范围和带通滤波器的通带范围使得发射信号的谐波抑制比大于60dBc。
图1为本发明优选实施例的一种射频信号调制模块的结构示意图。如图1所示，该模块包括第一低通滤波器1、第一混频器2、第一带通滤波器3、第二混频器5、第一本振模块、第二本振模块和低通滤波模块，第一低通滤波器1、第一混频器2、第一带通滤波器3、第二混频器5依次连接，第一本振模块连接第一混频器1，第二本振模块连接第二混频器5；第一带通滤器3可优选通过第二放大器4连接第二混频器5；
第一低通滤波器1接入待调制信号并进行滤波，第一本振模块提供的第一本振信号与滤波后的待调制信号混频，第一带通滤器3用于对混频后的信号进行单边带滤波，输出第一输出信号；第一本振模块包括可调的频率合成模块，通过第一控制信号调整频率合成模块的输出频率实现信号调制模块发射信号频率的精调；第一本振模块还包括依次连接的具有固定频率的第一锁相环20、第三混频器12、倍频器13、第二带通滤波器14、第一放大器15和第一功分器16，第三混频器12连接频率合成模块，第一功分器连接第一混频器；
作为一个优选的方案，如图1所示，第三混频器12分别连接频率合成器11、第一锁相环20和倍频器13，倍频器13、第二带通滤波器14、第一放大器15和第一功分器16的输入端依次连接，第一混频器2的两个输入端分别连接第一功分器16的第一输出端和第一低通滤波器1的输出端，第一混频器2的输出端连接第一带通滤波器3的输入端；
第一低通滤波器1的输入端输入基带调制信号的中心频率为fIFO，输入基带调制信号经过第一低通滤波器1得到频谱纯净的中心频率为fIFO的调制信号，第一控制信号控制频率合成器产生中心频率为fdds的信号，中心频率为fdds的信号与固定频率fPLL2的第一锁相环信号混频后再经过倍频器13两倍频后，经过第二带通滤波器32滤波后得到频谱纯净即谐波信号得到抑制的第一本振信号，第一本振信号的中心频率fLO1为2(fdds+fPLL2),通过第一低通滤波器1的第一输入端输入基带调制信号，输入基带调制信号经过第一低通滤波器18与第一本振信号混频后得到携带基带相位、频率、形状和脉冲宽度等调制信息的输出信号，该信号包含fIFO和fLO1的n次谐波成分，经过第一带通滤波器20得到单边带的第一输出信号，第一带通滤波器20为窄带滤波器，第一输出信号的中心频率fIF2为2fdds+2fPLL2+fIFO或2fdds+2fPLL2-fIFO，因而，将基带调制信号调制为频率远高于fIFO的第一输出信号，且第一输出信号的谐波得到了良好抑制。
外部控制器可以依据发射信号的中心频率及带宽需求调整频率合成模块产生的信号频率fdds，作为一个优选的实施例，主控模块和频率合成模块可以依据FPGA控制DDS或者DAC来实现发射信号的中心频率的细调，作为一个示例，频谱纯净的中心频率为fIFO的调制信号频率可以设定为75-85MHz中的某个定值。频率合成模块产生的信号频率fdds优选为0MHz～250MHz，通过FPGA控制其频率控制精度为42bit，以保证模拟信号模块输出的信号频率控制精度优于0.001Hz，频率合成模块的频率切换的响应速度可以达到几个微秒，从而调整频率合成模块的输出频率实现信号调制模块发射信号频率的精调，第一锁相环信号的固定频率fPLL2为800-1200MHz，第一本振信号的中心频率fLO1优选为1.6-2.9GHz，基带调制信号经过第一低通滤波器18与第一本振信号混频后得到携带基带相位、频率、形状和脉冲宽度等调制信息的输出信号，该信号包含fIFO和fLO1的n次谐波成分，谐波成分与fIF2的距离最小为75MHz，因而经过窄带滤波器20滤波后就成为频谱纯净的信号，其中，第一输出信号的中心频率fIF2的范围为1.675-2.985GHz，当然，频率合成模块产生的信号频率fdds、第一锁相环信号的固定频率fPLL2和第一本振信号的中心频率fLO1可依据器件选型的需要进行相应的调整。
第二本振模块提供的第二本振信号与第一输出信号混频，低通滤波模块用于混频后的信号进行低通滤波，输出谐波抑制比达到预设范围的发射信号，依据发射信号工作频率及带宽设置第一本振信号的中心频率、第二本振信号的中心频率、第一低通滤波器的通带范围、第一带通滤波器的通带范围和低通滤波模块的通带范围使得发射信号的谐波抑制比达到预设范围；第二本振模块包括依次连接的第二锁相环、第三放大器和第二功分器，第二功分器连接第二混频器，可通过第二控制信号控制第二锁相环的输出频率实现信号调制模块发射信号频率的粗调。
作为一个优选的方案，如图1所示，第一带通滤波器3的输出端连接第二放大器4的输入端，第二锁相环17的输出端连接第三放大器18的输入端，第三放大器18的输出端连接第二功分器19的输入端，第二混频器5的两个输入端分别连接第二放大器4的输出端和第二功分器19的第一输出端；
通过第二放大器4的输入端输入中心频率fIF2的第一输出信号，第二锁相环17依据第二控制信号产生中心频率为第二本振频率fLO2的锁相环信号再经过第三放大器18放大和第二功分器19功分后得到中心频率为fLO2的第二本振信号，通过第二控制信号控制第二锁相环的输出频率实现信号调制模块发射信号频率的粗调，由于第一输出信号的中心频率较高且为单边带其谐波抑制较好，中心频率fIF2的第一输出信号和中心频率为fLO2的第二本振信号经过第二混频器5混频后的信号仅携带中心频率为fIF2和fLO2倍频处的多次谐波，由于fIF2和fLO2的频率相对较高，在输出端增加一个低通滤波模块就可以实现很好的频谱纯度，与第二本振信号混频并经过低通滤波模块可以得到理想的中心频率且谐波抑制比大于60dBc的发射信号。
作为一个优选的实施例，信号调制模块还包括低通滤波模块和数控衰减器，该低通滤波模块包括选通开关和多个低通滤波器，低通滤波模块通过预设的发射信号的频率选择最优的低通滤波器第一开关6和第二开关8用于选择合适的低通滤波器。数控衰减器9由多级数控衰减器串联组成，形成90dB的衰减调节范围，数控衰减器的衰减量由发射信号的发射功率决定。第三开关用于打开或关断发射输出，第三控制信号控制时序控制开关即第三开关的开关状态实现发射信号的时序调制。
信号调制模块还包括接收模块，接收模块包括依次连接的第四低通滤波器30、第三衰减器29、第四混频器27、第三带通滤波器25、第五混频器24、第二低通滤波器22，第四混频器27连接第二功分器19，第五混频器24连接第一功分器16，接收模块用于实现接收信号的调制；接收通道的信号走向与发射通道原理一致，且方向相反，其接收外部低噪声放大器输出的核磁共振信号，并与第二本振和第一本振混频后输出与基带调制信号fIFO频率相同的低中频信号。
第四开关31用于打开或关断接收的信号输入，并由第三控制信号控制第三开关和第四开关完成发射信号和接收信号的时序调制。数控衰减器29和22用于控制接收信号的增益大小，以适应不同强度的接收信号，数控衰减器的范围为0～90dB。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (18)
1.一种信号调制模块，其特征在于，该模块包括第一低通滤波器、第一混频器、第一带通滤波器、第二混频器、第一本振模块、第二本振模块和低通滤波模块，所述第一低通滤波器、第一混频器、第一带通滤波器、第二混频器依次连接，第一本振模块连接第一混频器，第二本振模块连接第二混频器；
所述第一低通滤波器接入待调制信号并进行滤波，第一本振模块提供的第一本振信号与滤波后的待调制信号混频，所述第一带通滤器用于对混频后的信号进行单边带滤波，输出第一输出信号；
第二本振模块提供的第二本振信号与第一输出信号混频，所述低通滤波模块用于混频后的信号进行低通滤波，输出谐波抑制比达到预设范围的发射信号。
2.根据权利要求1所述的一种信号调制模块，其特征在于，所述第一本振模块包括可调的频率合成模块，通过第一控制信号调整频率合成模块的输出频率实现所述信号调制模块发射信号频率的精调。
3.根据权利要求2所述的一种信号调制模块，其特征在于，所述第一本振模块还包括依次连接的具有固定频率的第一锁相环、第三混频器、倍频器、第二带通滤波器、第一放大器和第一功分器，第三混频器连接频率合成模块，第一功分器连接第一混频器。
4.根据权利要求1所述的一种信号调制模块，其特征在于，所述第二本振模块包括依次连接的第二锁相环、第三放大器和第二功分器，第二功分器连接第二混频器，可通过第二控制信号控制第二锁相环的输出频率实现所述信号调制模块发射信号频率的粗调。
5.根据权利要求1所述的一种信号调制模块，其特征在于，所述第一带通滤器通过放大器连接第二混频器。
6.根据权利要求1所述的一种信号调制模块，其特征在于，所述低通滤波模块包括选通开关、多个低通滤波器，低通滤波模块通过发射信号预设的频率选择最优的低通滤波器。
7.根据权利要求1所述的一种信号调制模块，其特征在于，该信号调制模块还包括数控衰减器和时序控制开关，通过发射信号预设的功率设定数控衰减器，控制时序控制开关的开关状态实现发射和接收信号的时序调制。
8.根据权利要求1所述的一种信号调制模块，其特征在于，所述信号调制模块还包括接收模块，接收模块包括依次连接的第四低通滤波器、第三数控衰减器、第四混频器、第三带通滤波器、第五混频器、第二低通滤波器，第三混频器连接第二功分器，第四混频器连接第一功分器，接收模块用于实现接收信号的调制。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种信号调制模块，其特征在于，所述信号调制模块通过设置数控衰减器的衰减值调制发射信号功率和接收信号功率。
10.一种信号调制方法，其特征在于，具体步骤为：
S1.对待调制信号进行低通滤波，通过第一本振信号与滤波后的待调制信号混频，对混频后的信号进行单边带滤波，输出第一输出信号；
S2.第二本振信号与第一输出信号混频，对混频后的信号进行低通滤波，输出谐波抑制比达到预设范围的发射信号。
11.根据权利要求10所述的一种信号调制方法，其特征在于，通过第一控制信号调整第一本振信号的输出频率实现发射信号频率的精调。
12.根据权利要求11所述的一种信号调制方法，其特征在于，第一本振信号通过第一控制信号控制频率合成信号的频率与固定频率的第一锁相环信号进行混频、倍频、带通滤波和放大实现。
13.根据权利要求10所述的一种信号调制方法，其特征在于，第二本振信号通过第二控制信号控制第二锁相环信号频率实现发射信号频率的粗调。
14.根据权利要求10所述的一种信号调制方法，其特征在于，第一输出信号经过放大后与第二本振信号进行混频。
15.根据权利要求10所述的一种信号调制方法，其特征在于，步骤S2中通过发射信号预设的频率选择最优的低通滤波器对混频后的信号进行低通滤波。
16.根据权利要求10所述的一种信号调制方法，其特征在于，步骤S2中还通过第三控制信号控制时序控制开关的开关状态实现发射信号的时序调制。
17.根据权利要求10所述的一种信号调制方法，其特征在于，所述第一本振信号和第二本振信号还用于对接收信号进行调制。
18.根据权利要求10-17中任一项所述的一种信号调制方法，其特征在于，可通过设置数控衰减器的衰减值调制发射信号功率和接收信号功率。
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