CN1271101A - 宽频带信号分析的带通采样结构 - Google Patents
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Abstract
本发明的带通采样系统采用由频率可调LO驱动的常规混频器将信号频带升频转换到中频频带。中频频带通过中频带通滤波器,提供到随后的数字化级。在该结构中,中频带通滤波器充当数字化级的抗混杂滤波器。选择LO频率将升频转换的信号频率带放在中频带通滤波器的通带内。以与中频带宽相称但通常低于中频带通中心频率的速率采样和数字化所得的中频带通信号。电路的输出加到时钟频率与采样电路的采样速率相同的模数转换器上。
Description
本发明涉及电子测试及测量领域，尤其涉及分析宽带电信号频谱的带通采样技术。
现有的信号处理及分析系统例如频谱分析仪通常采用多个频率转换级，将有益的信号频带在被模数转换器(“ADC”)数字化以进一步处理和显示之前转换为低通滤波的基带信号。该结构方案将正在测量的信号频率放在模数转换器的第一奈奎斯特频带内以防止频带外的信号混杂到频率分析带中。
例如，名称为“电信号的频谱分析设备”的US专利No.4,257,104描述了一种全特征的谱分析仪系统，该系统在模数转换器之前采用多个降频转换器、中频(“IF”)放大器、检测器和视频处理器。更简单的结构方案在以下专利中有所描述：US专利No.4,607,215“谱分析仪”，4,890,099“具有局部滚动功能的显示屏的信号分析仪”，4,839,582“具有自动频率测量功能的信号分析设备”，以及5,038,096“脉冲输入信号的谱分析电路”。但是，所有这些结构方案都描述了在数字化之前的信号降频转换、中频放大、滤波以及频率的基带检测，用于随后的信号处理和分析。
在另一个例子中，转让给受让人的US专利No.5,629,703“在模数转换器系统中减小谐波失真的方法”描述了一种谱分析结构，该结构采用了降频转换到频率的基带中以及低通滤波，但在数字化之前没有采用检测。低通滤波将信号分析带宽限制到相对严密的9MHz。
上述信号测量系统不仅复杂、成本高，而且需要宽的本机振荡(“LO”)调谐或摆动范围以实现有效宽的信号分析带宽。这种信号测量系统还需要模数转换器具有相对较高的采样频率以实现在第一奈奎斯特带内没有混杂信号的信号的数字化。
所以，需要一种电信号分析结构，该结构复杂性和成本降低，同时获得具有相对窄的LO调谐范围和相对低模数转换器采样频率的宽信号分析带宽。
所以，本发明的目的是提供一种分析电信号的设备和方法。
本发明的另一个目的是提供一种比现有结构更简单、成本更低廉的谱分析仪结构。
本发明的再一个目的是提供一种具有宽信号分析带宽同时需要相对窄的本机振荡调谐范围和相对低的模数转换器采样速率的谱分析仪。
本发明的带通采样信号处理和分析结构采用由频率可调的LO驱动的常规混频器将信号频带升频转换到信号频带以上的中频频带。中频频带通过中频带通滤波器，为随后的数字化级提供中频带通范围的信号频率成分。在该结构中，中频带通滤波器充当数字化级的抗混杂滤波器。选择LO频率将升频转换的信号频率带放在中频带通滤波器的通带内。以与中频带宽相称但通常远低于中频带通中心频率的速率采样和数字化所得的中频带通信号。通过采样保持和跟踪保持电路执行信号采样，电路的输出加到时钟频率与采样电路采样速率相同的模数转换器上。
本发明的带通采样结构的优点在于，它与现有的降频转换和基带采样结构相比更简单，成本更低廉。
本发明的带通采样结构的优点还在于，信号频率带的升频转换提供了宽信号分析带宽而仅需要相对窄(从百分比上看)的LO调谐范围(通常小于一个倍频程)。
本发明的带通采样结构的优点还在于，在数字化之前对中频带通信号的采样允许使用采样速率远低于在第一奈奎斯特带内没有混杂地采样所需的采样速率的模数转换速器。
本发明的这些和其他的目的、优点及特征将通过结合附图对本发明的最佳实施例的描述而得到进一步说明。在这些附图中：
图1是本发明用于实现带通采样信号处理和分析系统的部件连接结构的电框图。
图2是在图1系统中使用的最佳信号采样电路的简化示意电路图。
图1示出了本发明的带通采样系统10，在该系统中，3.5GHz低通滤波器12接收范围具有从约0Hz到约3GHz的频率成分的输入信号并将滤波后的信号传递到混频器14。LO16向混频器14提供可调的或可在约3.5GHz到约6.5GHz范围摆动的LO信号，以将输入信号频率成分升频转换到以约3.525GHz为中心的中频频带。具有约50MHz带宽的3.525GHz中频带通滤波器18为快速采样电路20提供50MHz中频带通范围的输入信号频率成分。以约100MHz振荡的时钟22为快速采样电路20提供采样脉冲，快速采样电路20以每秒100兆次采样(“Msps”)的速率对50MHz中频带通范围的输入信号频率成分实现跟踪保持采样。模数转换器24也从时钟22接收100MHz的采样脉冲，以将快速采样电路20提供的每个信号采样数字化。根据需要，对模数转换器24输出的数字进行常规处理、分析和显示，以适应不同的应用。
除非中频带通滤波器18的中心频率选择得当，否则，如果采样频率的任何谐波落在中频带通滤波器18的通带之内，就可能出现输入信号频率成分的负、正频率成分重叠混杂。例如，如果通带以3.50GHz为中心，这种情况就可能出现。一个解决方案是使中频通带的中心偏移四分之一采样频率，对于上述最佳实施例来说是在3.525GHz。另一种解决方案是在混频器14上或在中频带通滤波器18之后提供正交信道。
在带通采样系统10中，50MHz带宽的中频带通滤波器18充当100Msps快速采样电路20和模数转换器24的抗混杂滤波器。对中频带通范围的输入信号频率成分进行采样和数字化的速率至少两倍于50MHz中频带宽，但远低于3.525GHz中频带通中心频率。这种方案将有益信号放在模数转换器24的第一奈奎斯特频带内，防止频带外信号混杂到分析频带中。
带通采样系统10的正常运行取决于快速采样电路20，其具有相应窄的样本采集时间和适当宽的带宽的跟踪保持或采样保持电路。合适的采样电路可以基于转让给本申请受让人的US专利No.5,225,776“探测和采样电信号的方法和设备”中所描述的电路。当然，根据具体应用，其他很多采样电路的实施例也是合适的。
图2示出了快速采样电路20的最佳跟踪保持实施例，其中，射极跟随器缓冲晶体管30接收50欧姆终端32两端的50MHz中频带宽范围的输入信号频率成分。缓冲后的中频带通信号出现在缓冲晶体管30的发射极，被电流源34下拉并通过二极管接法的晶体管36耦合，二极管接法的晶体管36接收与电压源VCC相连接的电阻器38所产生的偏置电流。电阻器38和晶体管36的基极和集电极形成的节点与晶体管40的发射极相连接，其集电极连接偏置电压例如VCC，其基极与采样电路20的采样信号输出相耦合。在跟踪模式下，晶体管40被晶体管38和二极管接法的晶体管36的接点上形成的电压截止。缓冲后的中频带通信号通过二极管接法的晶体管36耦合到射极跟随器晶体管42的基极。最后得到的中频带通信号通过电阻器44耦合并存储在电容器46上。电阻器44和电容器46形成低通滤波器，减小了快速采样电路20的噪声带宽，改善了其线性度。
为了从跟踪模式切换到保持模式，快速采样电路20采用差动晶体管对48和50，它们的发射极电连接在一起，连接到电流源52。晶体管48的集电极与由晶体管36、40、电阻器38和射极跟随器42所形成的接点电连接。
在跟踪模式下，加到晶体管50基极上的V_跟踪信号的电势比加到晶体管48基极上的V_保持信号的电势高，晶体管50导通，晶体管48截止，从而使电流从地流过晶体管42和50，流入电流源52。中频带通信号通过射极跟随器缓冲晶体管30、二极管接法的晶体管36、射极跟随器晶体管42、电阻器44，被跟踪并存储在电容器46上。包括射极跟随器晶体管54、56和差动接法晶体管58、60的非反相缓冲放大器接收保持在电容器46上的采样信号电压，在晶体管56的发射极产生其缓冲形式。晶体管54、45、58和60通过相关联的电流源62、64和66被偏置。
晶体管56和40的基极电压电势与保持在电容器46上的采样信号电压电势相同。所以，建立在晶体管40发射极的箝位电压跟踪输入信号电压。这对改善采样电路20的增益从属(gain-dependent)线性度和动态范围是重要的。
在保持模式下，加到晶体管50基极上的V_跟踪信号电势低于加到晶体管48基极上的V_保持信号电势，晶体管48导通，晶体管50截止，从而使电流停止流过晶体管42、50，射极跟随器晶体管42截止。因为晶体管48导通，电流从VCC经晶体管40和48流入电流源52。如上所述，晶体管40的发射极被箝位在0.7V，低于存储在电容器46上的电压，从而使二极管接法晶体管36和射极跟随器晶体管42反向偏置。在保持模式期间存储在电容器46上的瞬时中频带通信号电压是可在晶体管56的发射极获得的，通过模数转换器24被数字化。
快速采样电路20最好利用高频模拟集成电路制造工艺来完成，例如Vermont的IBM、Essex Junction公司在商业上利用的硅/锗工艺。
本发明的带通采样结构是有利的，因为：
与现有的降频变换到基带采样结构相比，它本身不复杂且成本低；
信号频带的升频变换提供了一种宽信号分析带宽而仅需要通常少于一个倍频程的相对窄的(从百分比上看)低调谐范围；以及
在数字化之前采样中频带通信号允许使用采样速率远低于通常在第一奈奎斯特频带内无混杂采样所需采样速率的模数转换器。
本发明尤其适用于通信信号频率在约1MHz到约2500MHz范围的信号处理、分析和显示。
技术人员认识到，本发明的各部分可以采用不同于上述最佳实施例的方式来实现。例如，各种频率、带宽和采样频率可以不同于以上描述，为了适应特殊应用，可以将各种放大器、滤波器、LO和混频器加到到系统10中去。同样，降频转换到频率的非基带范围也认为是本发明范围内的。
虽然本发明的优选实施例已经进行了表示和说明，但是，应当知道，本领域的技术人员可以在不背离本发明的精神的条件下进行变化和变型。因此，本发明也适用于除频谱分析仪中所发现的应用以外的信号处理和分析应用。本发明的范围由权利要求书限定。
Claims (20)
1.一种使电输入信号谱数字化的方法，包括：接收具有基频范围的频率成分的输入信号；将基频范围的频率成分转换为中频范围的频率成分；对中频范围的频率成分进行带通滤波以产生带通范围的频率成分；以及采样和数字化带通范围的频率成分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，转换步骤包括提供具有在频率的混频范围内频率可调的本机振荡信号，并将输入信号与本机振荡信号混频。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，频率的混频范围跨度小于一个倍频程。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，频率的混频范围跨度从约3.5GHz到约6.5GHz。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，转换步骤为升频转换步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，频率成分的基频范围跨度从约0GHz到约3.5GHz，中频范围的频率成分的频率都高于3.5GHz。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，频率成分的带通范围在使带通范围的频率成分数字化的模数转换器的第一奈奎斯特频带内。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括在转换步骤之前对输入信号低通滤波。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，采样和数字化中至少有一项是以比中频范围频率成分的带宽的约两倍还大的频率执行的。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，采样和数字化中至少有一项是以每秒约100兆次操作的速率执行的。
11.一种使电输入信号频谱数字化的设备，包括：混频器，接收具有基频范围的频率成分的输入信号，并将基频范围的频率成分转换为中频范围的频率成分；带通滤波器，对中频范围的频率成分进行滤波以产生带通范围的频率成分；采样电路，对带通范围的频率成分执行采样保持或跟踪保持操作；以及模数转换器，使带通范围的频率成分数字化。
12.根据权利要求11所述的设备，还包括产生具有在频率的混频范围内可调频率的本机振荡信号的本机振荡器，输入信号和本机振荡信号通过混频器混合在一起。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，频率的混频范围变化小于约一个倍频程。
14.根据权利要求12所述的设备，其中，频率的混频范围跨度从约3.5GHz到约6.5GHz。
15.根据权利要求11所述的设备，其中，中频范围的频率成分的频率高于基频范围的频率成分。
16.根据权利要求11所述的设备，频率成分的基频范围跨度从约0GHz到约3.5GHz，中频范围的频率成分在频率上都高于约3.5GHz。
17.根据权利要求11所述的设备，其中，频率成分的带通范围在使带通范围的频率成分数字化的模数转换器的第一奈奎斯特频带内。
18.根据权利要求11所述的设备，还包括将输入信号频率成分的范围限制到小于频率成分中频范围的低通滤波器。
19.根据权利要求11所述的设备，其中，采样和数字化中至少有一项是以比频率成分中频范围带宽约两倍的频率大的速率执行的。
20.根据权利要求11所述的设备，其中，采样和数字化中至少有一项是以每秒约100兆次操作的速率执行的。
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