CN113114174A - 一种宽频正交信号发生器及信号发生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽频正交信号发生器及信号发生方法，高频信号源将产生的频率可调的高频信号，经积分电路后的信号V_I分别送到加法器1及乘法器1，经微分电路后的信号V_D分别送加法器2及乘法器2；CPU通过控制D/A1、D/A2输出幅值可变的直流信号，经放大器1放大后的信号K₁送乘法器1，经放大器2放大的信号K₂送乘法器2；乘法器1将V_I与K₁相乘送到加法器2，与输入的V_D信号相加，得到V₉₀，乘法器2将V_D与K₂相乘送到加法器1，与输入的V_I信号相加，得到V₀。本发明在频率较大范围内变化时，始终保持输出信号处于正交状态，使得输出正交信号相位误差小，能实现在宽频范围内达到正交输出。

Description

一种宽频正交信号发生器及信号发生方法

技术领域

本发明涉及一种宽频正交信号发生器及信号发生方法，属于信号发生器技术领域。

背景技术

在现代通信及测试仪器中，经常会应用正交信号源完成信号调制、解调等功能。现有正交信号发生器产生正交的方法有以下几种，即：使用移相器、二分频器及DDS技术。

现有技术中的移相器通常采用RC移相或RL移相电路组成，该方法通常只能对单一频率信号产生正交信号输出。

二分频器法通过数字电路产生非正弦正交信号，该方法应用范围窄，且由于数字电路的工作频率较低，不适用于宽频或高频正交信号输出。

DDS技术产生正交信号是近年来的主流方法，该方法通过数字技术产生正弦正交信号，但是，该方法高频噪声大，无法产生较高频率的正交信号，且该方法在宽频范围内变化时，由于宽频正交信号在传输过程中会由于电路参数的不一致，导致输出信号不能严格正交。现有电路调节方法只能对单一频率的高频信号进行正交相位补偿，对于频率可变的高频信号无法进行正交补偿。无法保证输出信号的严格正交。

专利“宽带正交信号产生器(ZL 201210191427.5)”通过移相器及I路幅度调节器、Q路幅度调节器产生正交信号的方法，该方法采用较复杂的幅度调节器实现正交信号调节，电路结构复杂。

为了解决上述突出的问题，本领域技术人员急需要提出一种新的宽频正交信号发生器。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的无法实现频率在较大范围内变化时输出信号不能严格正交的问题，本发明提供一种宽频正交信号发生器及信号发生方法，弥补了通信及测量领域的技术要求。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种宽频正交信号发生器，包括如下模块：

微分电路用于将原信号v_s进行移相，得到输出信号v_D。

积分电路用于将原信号v_s进行移相，得到输出信号v_I。

第一D/A模块用于将CPU输出的第一电压信号转换为直流电压。

第二D/A模块用于将CPU输出的第二电压信号转换为直流电压。

第一放大器用于隔离放大第一D/A模块输出的直流电压，输出电压为K₁。

第二放大器用于隔离放大第二D/A模块输出的直流电压，输出电压为K₂。

第一乘法器用于将直流电压K₁与输出信号v_I相乘，得到输出信号K₁·v_I。

第二乘法器用于将直流电压K₂与输出信号v_D相乘，得到输出信号K₂·v_D。

第一加法器用于将输出信号v_I与输出信号K₂·v_D进行叠加，输出信号为v₀。

第二加法器用于将输出信号v_D与输出信号K₁·v_I进行叠加，输出信号为v₉₀。

正交误差检测模块用于将输出信号v₀与输出信号v₉₀的相位差与90°做比较，如果相等，输出信号V_d＝0，如果不相等，输出信号V_d>0，且两者差值越大，V_d值越大。

CPU用于当V_d＝0时，CPU保持当前时刻第一电压信号、第二电压信号的输出。

当V_d>0时，CPU增加第一电压信号作为输出，保持第二电压信号的输出不变，判断下一时刻V_d相较上一时刻V_d是增加还是减少，如V_d是减少，继续增加第一电压信号作为输出，直到V_d＝0；如V_d是增加，CPU停止调节第一电压信号，保持当前时刻第一电压信号的输出不变，持继减少第二电压信号作为输出，直到V_d＝0。

作为优选方案，还包括高频信号源，高频信号源用于产生频率可变的原信号v_s。

作为优选方案，正交误差检测模块包括：鉴相器、第三放大器、A/D转换电路；所述鉴相器用于将输出信号v₀与输出信号v₉₀的相位差与90°做比较，如果相等，输出电压＝0，如果不相等，输出电压>0，且两者差值越大，电压值越大。

第三放大器用于放大鉴相器输出电压。

A/D转换电路用于将放大后的鉴相器输出电压转换为数字信号V_d并送到CPU。

作为优选方案，所述原信号v_s为正弦交流信号。

作为优选方案，输出信号v_D的移相结果是

输出信号v_I的移相结果是

其中，

为v_D的相位，

为v_s的相位；

为v_I的相位。

一种宽频正交信号发生方法，包括如下步骤：

调节高频信号源，使其输出频率为f₀的原信号v_s。

将原信号v_s分别进行移相，得到输出信号v_D、v_I。

CPU输出第一电压信号、第二电压信号，经数模转换、放大后得到直流电压为K₁、K₂。

将信号v_I与直流电压K₁相乘，得到信号K₁·v_I。

将信号v_D与直流电压K₂相乘，得到信号K₂·v_D。

将信号v_I与信号K₂·v_D进行相加，得到信号v₀。

将信号v_D与信号K₁·v_I进行相加，得到信号v₉₀。

将信号v₀与信号v₉₀的相位差与90°做比较，如果相等，输出信号V_d＝0，如果不相等，输出信号V_d>0，且两者差值越大，V_d值越大。

当V_d＝0时，CPU保持当前时刻第一电压信号、第二电压信号的输出。

当V_d>0时，CPU增加第一电压信号作为输出，保持第二电压信号的输出不变，判断下一时刻V_d相较上一时刻V_d是增加还是减少，如V_d是减少，继续增加第一电压信号作为输出，直到V_d＝0；如V_d是增加，CPU停止调节第一电压信号，保持当前时刻第一电压信号的输出不变，持继减少第二电压信号作为输出，直到V_d＝0。

作为优选方案，当V_d＝0时，CPU保存下各输出频率f₀对应的第一电压信号、第二电压信号、直流电压K₁、K₂。

有益效果：本发明提供的一种宽频正交信号发生器及信号发生方法，本发明可以在频率较大范围内变化时，始终保持输出信号处于正交状态，满足通信系统及仪器仪表等系统的要求。与现有技术相比，应用该电路结构，使得输出正交信号相位误差小；其利用CPU进行实时相位补偿，能实现在宽频范围内达到正交输出。

附图说明

图1为本发明宽频正交信号发生器的框图。

图2为本发明宽步正交信号发生器CPU正交补偿流程图。

图3为本发明宽频正交信号发生器正交调节相量图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种宽频正交信号发生器，包括如下模块：

高频信号源用于产生频率可变的正弦交流信号：

式中：v_s为高频信号源输出信号，V_m为信号源电压最大值；f为信号源产生的交流信号频率，该频率可变；

为信号源产生的交流信号初相位。

微分电路用于将高频信号源产生的正弦信号进行移相，输出信号为：

其中，v_D为微分电路输出信号，V_Dm为微分电路输出信号电压最大值，

为微分电路输出信号相位。

合理选择微分电路元件，使：

积分电路用于将高频信号源产生的正弦信号进行移相，输出信号为：

其中，v_I为积分电路输出信号，V_Im为积分电路输出信号电压最大值，

为积分电路输出信号相位。

合理选择积分电路元件，使：

通过微分电路与积分电路的移相，使微分电路输出信号与积分电路输出信号的相位差大于90°，由于：

所以有：

第一放大器用于隔离放大第一D/A模块输出的直流电压，输出电压为K₁。

第二放大器用于隔离放大第二D/A模块输出的直流电压，输出电压为K₂。

第一乘法器用于将第一放大器输出的直流电压K₁与积分电路的输出信号v_I相乘，改变积分电路输出信号幅度，其输出信号为：

第二乘法器用于将第二放大器输出的直流电压K₂与微分电路的输出信号v_D相乘，改变微分电路输出信号幅度，其输出信号为：

第一加法器用于将积分电路的输出信号v_I与第二乘法器输出信号K₂·v_D进行叠加，输出信号为v₀，用于改变输出信号v₀的相位；即：

第二加法器用于将微分电路的输出信号v_D与第一乘法器输出信号K₁·v_I进行相量叠加，输出信号v₉₀，用于改变输出信号的v₉₀相位，即：

鉴相器用于对v₀、v₉₀的正交误差进行检测，当完全正交时，鉴相器输出检测直流电压为0，当存在正交误差时，鉴相器输出检测直流电压大于0，从而实现正交误差检测功能。

第三放大器用于放大鉴相后的检测直流电压，并将放大后的信号送到A/D转换电路。

A/D转换电路用于将放大后的检测直流电压转换为数字信号V_d并送到CPU；

第一D/A模块用于将CPU输出的第一电压信号转换为直流电压。

第二D/A模块用于将CPU输出的第二电压信号转换为直流电压。

如图2所示，CPU用于调节v₀、v₉₀的相位

使得

即V_d＝0。

当V_d＝0时，CPU保持当前时刻第一电压信号、第二电压信号的输出。

当V_d>0时，CPU增加第一电压信号作为输出，保持第二电压信号的输出不变，判断下一时刻V_d相较上一时刻V_d是增加还是减少，如V_d是减少，继续增加第一电压信号作为输出，使V_d进一步减少，直到V_d＝0；如V_d是增加，CPU停止调节第一电压信号，保持当前时刻第一电压信号的输出不变，持继减少第二电压信号作为输出，使V_d进一步减少，直到V_d＝0。

如图3所示，将正弦交流信号v_I、v_D用相量表示，即：

输出信号v₉₀的相量

由

与

相量叠加得到，输出信号v₀的相量

由

与

相量叠加得到,当K₁的值增加时，

的幅度将增加，叠加后的相量

的相位角

将减少；当K₂的值减少时，

的幅度将减少，叠加后的相量

的相位角

将增加，从而对

在增减两个反方向的维度进行调节、减少v₀、v₉₀的正交误差，从而使得不管

原有相位差是多少，都能将相位差调节到90°，实现正交输出。

实施例1：

在对本发明的正交信号发生器进行调试时，将高频信号源的频率从低往高调节，用鉴相器对最终输出信号的正交性进行检测，再通过CPU改变K₁、K₂的值，使最终输出信号严格正交，CPU同时将各频率点的输出电压信号数字量记录在存储器中。在正交信号发生器工作时，根据高频信号源实时输出的信号频率，用记录好的输出电压信号数字量产生该频率点所需的K₁、K₂电压，从而使输出信号保持在宽频范围内的严格正交。

实施例2:

一种宽频正交信号发生方法，以频率点f₀信号作正交补偿调节为例说明。

本实施例提供的高频信号源在f₀频率点进行信号输入，宽频正交信号发生器对输入的信号进行正交信号补偿，使输出信号处于正交状态。具体包括如下步骤：

调节高频信号源，使其输出频率为f₀的正弦信号，设该信号为：

式中：V_sm为高频正弦交流电压的最大值，

为正弦交流电压的初相位。

将正弦信号分别进行移相，其输出信号为：

式中：v_Im为积分电路输出信号的最大值、v_Dm为微分电路输出信号的最大值、

为积分电路输出信号的初相位、

为微分电路输出信号的初相位。

CPU输出第一电压信号、第二电压信号，经数模转换、放大后得到直流电压为K₁、K₂。

将信号v_I与直流电压K₁相乘，其输出信号为：

将信号v_D与直流电压K₂相乘，其输出信号为：

将信号v_C2与信号v_I相加，得到输出信号为：

将该表达式用相量进行表示，即：

将信号v_C1与信号v_D相加，得到输出信号为：

将该表达式用相量进行表示，即：

根据v₀、v₉₀的正交误差V_d调节v₀、v₉₀的相位

当V_d＝0时，CPU保持当前时刻第一电压信号、第二电压信号的输出。

当V_d>0时，CPU增加第一电压信号作为输出，保持第二电压信号的输出不变，判断下一时刻V_d相较上一时刻V_d是增加还是减少，如V_d是减少，继续增加第一电压信号作为输出，使V_d进一步减少，直到V_d＝0；如V_d是增加，CPU停止调节第一电压信号，保持当前时刻第一电压信号的输出不变，持继减少第二电压信号作为输出，使V_d进一步减少，直到V_d＝0。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种宽频正交信号发生器，其特征在于：包括如下模块：

微分电路用于将原信号v_s进行移相，得到输出信号v_D；

积分电路用于将原信号v_s进行移相，得到输出信号v_I；

第一D/A模块用于将CPU输出的第一电压信号转换为直流电压；

第二D/A模块用于将CPU输出的第二电压信号转换为直流电压；

第一放大器用于隔离放大第一D/A模块输出的直流电压，输出电压为K₁；

第二放大器用于隔离放大第二D/A模块输出的直流电压，输出电压为K₂；

第一乘法器用于将直流电压K₁与输出信号v_I相乘，得到输出信号K₁·v_I；

第二乘法器用于将直流电压K₂与输出信号v_D相乘，得到输出信号K₂·v_D；

第一加法器用于将输出信号v_I与输出信号K₂·v_D进行叠加，输出信号为v₀；

第二加法器用于将输出信号v_D与输出信号K₁·v_I进行叠加，输出信号为v₉₀；

正交误差检测模块用于将输出信号v₀与输出信号v₉₀的相位差与90°做比较，如果相等，输出信号V_d＝0，如果不相等，输出信号V_d>0，且两者差值越大，V_d值越大；

CPU用于当V_d＝0时，CPU保持当前时刻第一电压信号、第二电压信号的输出；

当V_d>0时，CPU增加第一电压信号作为输出，保持第二电压信号的输出不变，判断下一时刻V_d相较上一时刻V_d是增加还是减少，如V_d是减少，继续增加第一电压信号作为输出，直到V_d＝0；如V_d是增加，CPU停止调节第一电压信号，保持当前时刻第一电压信号的输出不变，持继减少第二电压信号作为输出，直到V_d＝0。

2.根据权利要求1所述的一种宽频正交信号发生器，其特征在于：还包括高频信号源，高频信号源用于产生频率可变的原信号v_s。

3.根据权利要求1所述的一种宽频正交信号发生器，其特征在于：所述正交误差检测模块包括：鉴相器、第三放大器、A/D转换电路；所述鉴相器用于将输出信号v₀与输出信号v₉₀的相位差与90°做比较，如果相等，输出电压＝0，如果不相等，输出电压>0，且两者差值越大，电压值越大；第三放大器用于放大鉴相器输出电压；A/D转换电路用于将放大后的鉴相器输出电压转换为数字信号V_d并送到CPU。

4.根据权利要求1所述的一种宽频正交信号发生器，其特征在于：所述原信号v_s为正弦交流信号。

5.根据权利要求1所述的一种宽频正交信号发生器，其特征在于：输出信号v_D的移相结果是

输出信号v_I的移相结果是

其中，

为v_D的相位，

为v_s的相位；

为v_I的相位。

6.一种宽频正交信号发生方法，其特征在于：包括如下步骤：

调节高频信号源，使其输出频率为f₀的原信号v_s；

将原信号v_s分别进行移相，得到输出信号v_D、v_I；

CPU输出第一电压信号、第二电压信号，经数模转换、放大后得到直流电压为K₁、K₂；

将信号v_I与直流电压K₁相乘，得到信号K₁·v_I；

将信号v_D与直流电压K₂相乘，得到信号K₂·v_D；

将信号v_I与信号K₂·v_D进行相加，得到信号v₀；

将信号v_D与信号K₁·v_I进行相加，得到信号v₉₀；

将信号v₀与信号v₉₀的相位差与90°做比较，如果相等，输出信号V_d＝0，如果不相等，输出信号V_d>0，且两者差值越大，V_d值越大；

当V_d＝0时，CPU保持当前时刻第一电压信号、第二电压信号的输出；

当V_d>0时，CPU增加第一电压信号作为输出，保持第二电压信号的输出不变，判断下一时刻V_d相较上一时刻V_d是增加还是减少，如V_d是减少，继续增加第一电压信号作为输出，直到V_d＝0；如V_d是增加，CPU停止调节第一电压信号，保持当前时刻第一电压信号的输出不变，持继减少第二电压信号作为输出，直到V_d＝0。

7.根据权利要求6所述的一种宽频正交信号发生方法，其特征在于：当V_d＝0时，CPU保存下各输出频率f₀对应的第一电压信号、第二电压信号、直流电压K₁、K₂。

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