CN209746033U - 一种实时频谱分析模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及通信技术领域，尤其涉及一种实时频谱分析模块，包括下变频模块和中频分析模块，所述下变频模块包括下变频信道单元和频综单元；所述下变频模块和中频分析模块安装在PXI背板上，并通过PXI背板上的PXI总线进行通信；本实用新型的实时频谱分析模块综合宽带信号调理、低相噪频率合成、宽带信号采集和高速信号处理等关键技术实现多种测试功能，可用于多种通信设备和武器装备的综合测试。

Description

一种实时频谱分析模块

技术领域

本实用新型涉及通信领域，尤其涉及一种实时频谱分析模块。

背景技术

市面上的实时频谱分析仪是台式设备，近几年国外陆续推出基于PXI或PXIE总线的实时频谱分析模块，但产品体积相对较大，价格昂贵。

传统的实时频谱分析仪，均为台式设备，体积大重量重，满足不了外场测试便携和测试系统小型化的需求。市面上的实时频谱分析仪大部分属于商业级产品，仅适合实验室环境使用，不能用于外场恶劣环境，在使用场所和环境适应性上具有局限性。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种实时频谱分析模块，该实时频谱分析模块扫描速率高、实时带宽宽、体积小、质量轻、可靠性高，适用于通信设备室内科研生产调试和外场的维修保障测试。

本实用新型采用的技术方案是这样的：

一种实时频谱分析模块，其特征在于：包括下变频模块和中频分析模块，所述下变频模块包括下变频信道单元和频综单元；所述下变频模块和中频分析模块安装在PXI背板上，并通过PXI背板上的PXI总线进行通信。

优选地，所述PXI背板上设置有系统控制器，所述系统控制器通过PXI背板上的PXI总线与中频分析模块和下变频模块进行通信。

优选地，所述中频分析模块包括依次连接的锁相主电路、模数转换器、ZYNQ芯片。

优选地，所述锁相主电路包括依次连接的锁相芯片、第一低通滤波器LPF1、恒温晶体振荡器、三功分器、锁相环芯片HMC830和第一带通滤波器BPF1；所述三功分器的输出端还与锁相芯片的输入端连接；所述模数转换器和ZYNQ芯片通过串行接口JESD204B连接；所述ZYNQ芯片通过PXI背板上的PXI总线连接至系统控制器。

优选地，所述下变频信道单元包括：信号调理电路和可编程门阵列FPGA，所述信号调理电路包括信号输入电路、第一变频通道、第二变频通道及信号输出电路，所述第一变频通道和第二变频通道的输入端连接至信号输入电路，输出端连接至信号输出电路；第一变频通道和第二变频通道均与频综单元的锁相分电路一和锁相分电路二连接；信号输出电路与中频分析模块连接。所述可编程门阵列FPGA通过PXI背板上的PXI总线连接至系统控制器。可编程门阵列FPGA完成来自中频分析模块的指令解析，实现射频信道参考电平、本振信号的控制。

优选地，所述信号输入电路包括依次连接的第一可变衰减器ATT1、第一切换开关SPDT1、第一低噪音放大器LNA1、第二切换开关SPDT2、第二可变衰减器ATT2、第二低噪音放大器LNA2、第三切换开关SPDT3；所述第一切换开关SPDT1的输出端还与第一可变衰减器ATT1的输入端连接，所述第二可变衰减器ATT2的输出端与第二切换开关SPDT2的输入端连接。

优选地，所述第一变频通道包括依次连接的第二低通滤波器LPF2、混频器一、第二带通滤波器BPF2、第二低噪音放大器LNA2、混频器二、第三带通滤波器BPF3；所述第二低通滤波器LPF2的输入端与切换开关SPDT3的输出端连接。

所述第二变频通道包括依次连接的第四带通滤波器BPF4、混频器三、第五带通滤波器BPF5、第三低噪音放大器LNA3、混频器四、第五带通滤波器BPF5；第四带通滤波器BPF4的输入端与第三切换开关SPDT3的输出端连接。

优选地，所述信号输出电路包括依次连接的第四切换开关SPDT4、第六带通滤波器BPF6、第四低噪音放大器LNA4、第三可变衰减器ATT3；所述第三可变衰减器ATT3的输出端与中频分析模块的模数转换器ADC的输入端相连；所述第三带通滤波器BPF3的输出端与第四切换开关SPDT4的输入端连接，所述第五带通滤波器BPF5的输出端与第四切换开关SPDT4的输入端连接。

优选地，所述频综单元包括锁相分电路一和锁相分电路二。

优选地，所述锁相分电路一包括依次连接的第一鉴相器PD1、第一低频滤波器LF1、第一压控振荡器VCO1、第五切换开关SPDT5，所述第五切换开关SPDT5的输出端分别与下变频信道单元的混频器三、混频器一的输入端连接；所述第一压控振荡器VCO1的输出端还与第一鉴相器PD1的输入端连接；

所述锁相分电路二包括依次连接的第二鉴相器PD2、第二低频滤波器LF2、第二压控振荡器VCO2，放大器、第六切换开关SPDT6，所述第六切换开关SPDT6的输出端分别与下变频信道单元的混频器二、混频器四的输入端连接；所述第二压控振荡器VCO2的输出端还与第二鉴相器PD2的输入端连接；

所述第一鉴相器PD1、第二鉴相器PD2的输入端分别与二功分器的输出端连接；所述二功分器的输入端与三功分器的输出端连接。

优选地，实时频谱分析模块采用3U高，深度为160mm的标准PXI结构，三槽宽；所述下变频模块占用两槽空间，下变频信道单元和频综单元各占一槽空间，中频分析模块占用一槽空间，整个实时频谱分析模块占用三槽空间；实时频谱分析模块配置通用PXI机箱和通用显示器各一台。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型的实时频谱分析模块体积小、重量轻、成本低、可靠性高，可与其他多种模块化测量仪器安装于同一个PXI机箱内，轻松搭建一套多功能测试系统，大大节约了物理空间和测试成本，适用于通信设备室内科研生产调试和外场的维修保障测试。

(2)本实用新型的实时频谱分析模块综合宽带信号调理、低相噪频率合成、宽带信号采集和高速信号处理等关键技术实现多种测试功能，可用于多种通信设备和武器装备的综合测试。

(3)本实用新型的实时频谱分析模块按照工业级产品设计，可靠性高，具有很好的环境适应性，价格不到传统商业测量仪器的一半，具有较高的市场价值。

(4)本实用新型的实时频谱分析模块操作简单，且具有良好的可扩展性。用户可根据测试需求，自行通过PXI或PXIE总线读取模块内部采集的原始数据或处理过的数据流，进行二次分析。

附图说明

图1是本实用新型的实时频谱分析模块组成框图；

图2是本实用新型的实时频谱分析模块控制框图；

图3是本实用新型的实时频谱分析模块原理框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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仅用以解释本实用新型如图1所示的一种实时频谱分析模块，包括下变频模块和中频分析模块，所述下变频模块包括下变频信道单元和频综单元；所述下变频模块和中频分析模块安装在PXI背板上，并通过PXI背板上的PXI总线进行通信；

在一个优选实施例中，所述PXI背板上设置有系统控制器，所述系统控制器通过PXI背板上的PXI总线与中频分析模块和下变频模块进行通信。

在一个优选实施例中，具体采用3U高，160mm深的标准PXI机箱，三槽宽，使用时在系统控制器上安装模块应用软件，用于工作频率、参考电平、解调模式及测试功能等工作参数的控制。中频分析模块占用机箱的一槽空间，下变频模块包括下变频信道和频综单元占用机箱的两槽空间，下变频信道单元和频综单元各占一槽，整个实时频谱分析模块占用三槽空间；

在一个优选实施例中，实时频谱分析模块使用时，系统需配置通用PXI零槽控制器一台，用于安装模块应用软件及通过PXI总线对模块工作参数进行下发控制；

模块使用时系统需配置通用PXI机箱一台，用于插入实时频谱分析模块和零槽控制器；

模块使用时系统需配置通用显示器一台，用于模块应用软件的界面显示；

在一个优选实施例中，如图2所示的，在PXI机箱上配置通用PXI零槽控制器作为系统控制器，用于安装模块应用软件及通过PXI总线对模块工作参数进行下发控制。所述系统控制器通过PXI背板上的PXI总线同时与中频分析模块和下变频模块进行通信，从而对中频分析模块和下变频模块的工作参数进行控制。具体地，中频分析模块接收到控制指令后，ZYNQ芯片完成对控制指令的解析，形成工作参数；对下变频模块进行控制，同时控制频综单元各锁相芯寄存器的参数设定并锁定下变频模块需要的本振频点；实现宽带信号接收下变频、宽带信号采集和高速信号处理及调制解析。

在一个优选实施例中，还通过PXI机箱连接有显示器，使显示器与系统控制器进行通信，用于人机交互显示。

在一个优选实施例中，如图3所示，所述中频分析模块包括依次连接的锁相主电路、模数转换器、ZYNQ芯片。

在一个优选实施例中，所述锁相主电路包括依次连接的锁相芯片、第一低通滤波器LPF1、恒温晶体振荡器、三功分器、锁相环芯片HMC830和第一带通滤波器BPF1；所述锁相芯片为ADF4002，所述三功分器的输出端还与锁相芯片的输入端连接；所述模数转换器ADC和ZYNQ芯片通过串行接口JESD204B连接；所述ZYNQ芯片通过PXI背板上的PXI总线连接至系统控制器。

10Mhz信号输入是为了某些应用场合需要同步或相参时使用，仅用作外同步，即外部参考时钟信号，10Mhz的信号经过锁相芯片、第一低通滤波器LPF1、恒温晶体振荡器处理后，通过三功分器分成三路信号，分别输入锁相芯片、锁相环芯片HMC830、二功分器；信号经锁相环芯片HMC830、第一带通滤波器BPF1输入到模数转换器ADC中；在二功分器处分别输出到锁相分电路一和锁相分电路二中，经锁相分电路一输入到混频器一和混频器三中，经锁相分电路二输入到混频器二和混频器四中。

在一个优选实施例中，所述下变频信道单元包括：信号调理电路和可编程门阵列FPGA，所述信号调理电路包括信号输入电路、第一变频通道、第二变频通道及信号输出电路，所述第一变频通道和第二变频通道的输入端连接至信号输入电路，输出端连接至信号输出电路；第一变频通道和第二变频通道均与频综单元的锁相分电路一和锁相分电路二连接；信号输出电路与中频分析模块连接，所述可编程门阵列FPGA通过PXI背板上的PXI总线连接至系统控制器，可编程门阵列FPGA完成来自中频分析模块的指令解析，实现射频信道参考电平、本振信号的控制。

在一个优选实施例中，所述信号输入电路包括依次连接的第一可变衰减器ATT1、第一切换开关SPDT1、第一低噪音放大器LNA1、第二切换开关SPDT2、第二低噪音放大器LNA2、第二可变衰减器ATT2和第三切换开关SPDT3；所述第一切换开关SPDT1的输出端还与第一可变衰减器ATT1的输入端连接，所述第二可变衰减器ATT2的输出端与第二切换开关SPDT2的输入端连接。

在一个优选实施例中，所述第一变频通道包括依次连接的第二低通滤波器LPF2、混频器一、第二带通滤波器BPF2、第二低噪音放大器LNA2、混频器二、第三带通滤波器BPF3；所述第二低通滤波器LPF2的输入端与切换开关SPDT3的输出端连接。

所述第二变频通道包括依次连接的第四带通滤波器BPF4、混频器三、第五带通滤波器BPF5、第三低噪音放大器LNA3、混频器四、第五带通滤波器BPF5；第四带通滤波器BPF4的输入端与第三切换开关SPDT3的输出端连接。

在一个优选实施例中，所述信号输出电路包括依次连接的第四切换开关SPDT4、第六带通滤波器BPF6、第四低噪音放大器LNA4、第三可变衰减器ATT3；所述第三可变衰减器ATT3的输出端与中频分析模块的模数转换器ADC的输入端相连；所述第三带通滤波器BPF3的输出端与第四切换开关SPDT4的输入端连接，所述第五带通滤波器BPF5的输出端与第四切换开关SPDT4的输入端连接。

所述信号输入电路的信号接收端接收外部150kHz～18GHz输入信号，信号经过切换开关SPDT1输入至第一噪音放大器LNA1或第二可变衰减器ATT2进行处理，再经过第二噪音放大器LNA2，通过切换开关SPDT3为第一变频通道提供频率为150kHz～9GHz的信号，为第二变频通道提供频率为9GHz～18GHz的信号。在第一变频通道中，混频器一和混频器二将150kHz～9GHz的信号和锁相电路输入的信号进行合成，第一变频通道中的信号输出至切换开关SPDT4；在第二变频通道中，混频器三和混频器四将9GHz～18GHz的信号和锁相电路输入的信号进行合成，第二变频通道中的信号输出至切换开关SPDT4。信号再依次经过切换开关SPDT4、第六带通滤波器BPF6、第四低噪音放大器LNA4、第三可变衰减器ATT3，模数转换ADC采集第三可变衰减器ATT3和第一带通滤波器BPF1输出的信号,ZYNQ芯片对信号进行处理。以ZYNQ为核心实现宽带信号采集及高速信号处理完成FM、AM、PULSE、DS、ASK、MSK、FSK、PSK、QAM和GMSK等多种调制信号解调。

在一个优选实施例中，采用高速大动态ADC完成200MHz实时带宽中频信号的模数转换，采样率高达2.5GHz。

在一个优选实施例中，在一个优选实施例中，所述频综单元包括锁相分电路一和锁相分电路二。

在一个优选实施例中，所述锁相分电路一包括依次连接的第一鉴相器PD1、第一低频滤波器LF1、第一压控振荡器VCO1、第五切换开关SPDT5，所述第五切换开关SPDT5的输出端分别与下变频信道单元的混频器三、混频器一的输入端连接；所述第一压控振荡器VCO1的输出端还与第一鉴相器PD1的输入端连接；

所述锁相分电路二包括依次连接的第二鉴相器PD2、第二低频滤波器LF2、第二压控振荡器VCO2，放大器、第六切换开关SPDT6，所述第六切换开关SPDT6的输出端分别与下变频信道单元的混频器二、混频器四的输入端连接；所述第二压控振荡器VCO2的输出端还与第二鉴相器PD2的输入端连接；其中，第一压控振荡器VCO1采用HMC733,第二压控振荡器VCO1采用HMC587。模块频率源采用多环锁相和取样锁相技术产生低相噪低杂散本振信号，为下变频模块提供低本振，相噪低至-126dBc/Hz@10kHz，杂散抑制优于-73dBc，即模块最终测量信号相噪优于-120dBc/Hz@10kHz，剩余响应低于-125dBm。

模块频率源环路中引入频率直接合成技术实现本振频率捷变，窄频率范围(低于200MHz)频率切换时间不超过10μs，宽频率范围(大于800MHz)频率切换时间不超过20μs，即模块实现全频段扫描时扫描速率大于20GHz/s，该模块可替代通信设备科研生产过程中传统的台式频谱分析西和信号分析仪,频率扫描速率高，实时带宽宽，可用于电子对抗及跳频通信中信号监测及捕获分析。

所述第一鉴相器PD1、第二鉴相器PD2的输入端分别与二功分器的输出端连接；所述二功分器的输入端与三功分器的输出端连接。

下变频模块对射频信号进行了分段处理、线性补偿以及温度补偿，(1)分段处理将频率分段分为150kHz～8GHz和8GHz～18GHz两段变频及调理，通过开关切换实现频段交替；(2)线性补偿根据通道的幅频响应负斜率补偿，设计中引入了多级幅度均衡器，使得整个下变频通道各频段的净增益波动在3dB以内；(3)因为硬件电路在高低温下的增益特性会发生变化，为了将这种变化降到最小所做的补偿，因此设计中引入了温度补偿电路，温度补偿电路的温度特性和射频通道的温度特性相反，即高温下增益增加低温下增益降低，刚好弥补了射频通道高温增益降低低温增益变高的问题，经过温度补偿后使得射频通道在-40℃～55℃温度范围的增益变化小于3dB。

实时频谱分析模块作为测试测量仪器，输入信号电平范围动态大，达到-125dBm～30dBm，接近台式仪器的水平，在如此小的体积内实现-130dBm的小信号测量，对电路布局和工艺设计要求相当高。模块设计时对信号流向以及各功能电路的隔离考虑尤为重要，同时宽频带大动态程控衰减器设计也是重中之重，因此模块内对整个信号调理通道每个功能电路采用独立分腔且每个屏蔽腔内喷涂吸波材料避免互相干扰，宽带大动态程控衰减器采用宽带衰减片实现，其衰减量可达60dB,损耗小于3dB，以实现宽频带大动态调理。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种实时频谱分析模块，其特征在于：包括下变频模块和中频分析模块，所述下变频模块包括下变频信道单元和频综单元；所述下变频模块和中频分析模块安装在PXI背板上，并通过PXI背板上的PXI总线进行通信；

所述PXI背板上设置有系统控制器，所述系统控制器通过PXI背板上的PXI总线与中频分析模块和下变频模块进行通信；

所述中频分析模块包括依次连接的锁相主电路、模数转换器ADC、ZYNQ芯片；

所述下变频信道单元包括：信号调理电路和可编程门阵列FPGA，所述信号调理电路包括信号输入电路、第一变频通道、第二变频通道及信号输出电路，所述第一变频通道和第二变频通道的输入端连接至信号输入电路，输出端连接至信号输出电路；第一变频通道和第二变频通道均与频综单元的锁相分电路一和锁相分电路二连接；信号输出电路与中频分析模块连接，所述可编程门阵列FPGA通过PXI背板上的PXI总线连接至系统控制器。

2.如权利要求1所述的一种实时频谱分析模块，其特征在于：所述锁相主电路包括依次连接的锁相芯片、第一低通滤波器LPF1、恒温晶体振荡器、三功分器、锁相环芯片HMC830和第一带通滤波器BPF1；所述三功分器的输出端还与锁相芯片的输入端连接；所述模数转换器ADC和ZYNQ芯片通过串行接口JESD204B连接；所述ZYNQ芯片通过PXI背板上的PXI总线连接至系统控制器。

3.如权利要求1所述的一种实时频谱分析模块，其特征在于：所述信号输入电路包括依次连接的第一可变衰减器ATT1、第一切换开关SPDT1、第一低噪音放大器LNA1、第二切换开关SPDT2、第二可变衰减器ATT2、第二低噪音放大器LNA2、第三切换开关SPDT3；所述第一切换开关SPDT1的输出端还与第一可变衰减器ATT1的输入端连接，所述第二可变衰减器ATT2的输出端与第二切换开关SPDT2的输入端连接。

4.如权利要求3所述的一种实时频谱分析模块，其特征在于：所述第一变频通道包括依次连接的第二低通滤波器LPF2、混频器一、第二带通滤波器BPF2、第二低噪音放大器LNA2、混频器二、第三带通滤波器BPF3；所述第二低通滤波器LPF2的输入端与第三切换开关SPDT3的输出端连接；

所述第二变频通道包括依次连接的第四带通滤波器BPF4、混频器三、第五带通滤波器BPF5A、第三低噪音放大器LNA3、混频器四、第五带通滤波器BPF5B；第四带通滤波器BPF4的输入端与第三切换开关SPDT3的输出端连接。

5.如权利要求4所述的一种实时频谱分析模块，其特征在于：所述信号输出电路包括依次连接的第四切换开关SPDT4、第六带通滤波器BPF6、第四低噪音放大器LNA4、第三可变衰减器ATT3；所述第三可变衰减器ATT3的输出端与中频分析模块的模数转换器ADC的输入端相连；所述第三带通滤波器BPF3的输出端与第四切换开关SPDT4的输入端连接，所述第五带通滤波器BPF5B的输出端与第四切换开关SPDT4的输入端连接。

6.如权利要求1所述的一种实时频谱分析模块，其特征在于：所述频综单元包括锁相分电路一和锁相分电路二；所述锁相分电路一包括依次连接的第一鉴相器PD1、第一低频滤波器LF1、第一压控振荡器VCO1、第五切换开关SPDT5，所述第五切换开关SPDT5的输出端分别与下变频信道单元的混频器三、混频器一的输入端连接；所述第一压控振荡器VCO1的输出端还与第一鉴相器PD1的输入端连接；

所述锁相分电路二包括依次连接的第二鉴相器PD2、第二低频滤波器LF2、第二压控振荡器VCO2，放大器、第六切换开关SPDT6，所述第六切换开关SPDT6的输出端分别与下变频信道单元的混频器二、混频器四的输入端连接；所述第二压控振荡器VCO2的输出端还与第二鉴相器PD2的输入端连接；

所述第一鉴相器PD1、第二鉴相器PD2的输入端分别与二功分器的输出端连接；所述二功分器的输入端与三功分器的输出端连接。

7.如权利要求1所述的一种实时频谱分析模块，其特征在于：实时频谱分析模块采用3U高，深度为160mm的标准PXI结构，三槽宽；所述实时下变频模块占用两槽空间，下变频信道单元和频综单元各占一槽空间，中频分析模块占用一槽空间，整个实时频谱分析模块占用三槽空间；实时频谱分析模块配置通用PXI机箱和通用显示器各一台。