CN216013630U - 适应adc线性特性情形下实现频谱仪功率自动校准的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种适应ADC线性特性情形下实现频谱仪功率自动校准的系统，包括变频模块，用于把待测量信号下变频至ADC可采样的、固定频率的中频信号，并消除由于模块自身频响特性而造成变频不同频率待测信号为中频信号时的幅度差值；中频模块，所述的中频模块的输入端与所述的变频模块的输出端相连。采用了本实用新型的适应ADC线性特性情形下实现频谱仪功率自动校准的系统，可以极大的缩减工作量，在校准频点带宽内，频率响应可以进行线性估算，并且保持ADC工作在高线性状态下，提高了频谱仪整机的线性度，提高了操作效率，具有广泛的应用范围。

Description

适应ADC线性特性情形下实现频谱仪功率自动校准的系统

技术领域

本实用新型涉及仪器仪表校准技术领域，尤其涉及频谱仪功率校准技术领域，具体是指一种适应ADC线性特性情形下实现频谱仪功率自动校准的系统。

背景技术

频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。现代频谱分析仪能分析1Hz以下的甚低频到30GHz亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。模拟部分电路结构如图1、图2所示。

作为测量仪表，在高线性度这一指标有着严格的要求。随着通信技术的发展，信号的带宽不断提高，如今的5G标准要求载频6GHz以下的信号带宽达到100MHz，载频6GHz以上信号带宽达到300MHz甚至更宽。信号带宽的增加意味着信噪比的降低，这就要求测量仪表具有更高的线性度，以确保产生的调谐足够小到不影响待测信号的信噪比。

同样，在功率测量这项也有着严格的要求，现代频谱分析仪功率测量精度要求3GHz以下频率达到±0.5dB，6GHz以下频率达到±1.0dB甚至更低。而射频器件的频率响应特性，必然导致射频前端的输出功率，在频谱分析仪测量频带内存在不确定度；即使是同一频率下，不同参考电平时，射频前端输出功率也因为输入步进衰减器和增益可调中频放大器在改变衰减量和增益时的误差造成不确定度。综上所述，为了满足测量精度和线性度的要求，就需要对射频前端在整个测量频带内逐点，并在不同参考电平设置下进行精确输出功率测量，并对器件的频率响应特性进行功率补偿，以确保ADC始终工作在高线性度区域。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足校准工作量小、校准效率高、适用范围较为广泛的适应ADC线性特性情形下实现频谱仪功率自动校准的系统。

为了实现上述目的，本实用新型的适应ADC线性特性情形下实现频谱仪功率自动校准的系统如下：

该适应ADC线性特性情形下实现频谱仪功率自动校准的系统，其主要特点是，所述的系统包括：

变频模块，用于把宽频、宽幅的待测量信号下变频至ADC可采样的、固定频率的中频信号，并消除由于模块自身频响特性而造成变频不同频率待测信号为中频信号时的幅度差值，使经过中频模块后的中频信号幅度在ADC线性度高的幅度区间内；

中频模块，所述的中频模块的输入端与所述的变频模块的输出端相连，用于在待测量信号的幅度发生变化时，将固定频率的中频信号在0～50dB的范围内，以1dB为步进进行补偿放大。

较佳地，所述的变频模块包括输入步进衰减器、低通滤波器、变频器、增益调节衰减器和增益放大器，所述的输入步进衰减器、低通滤波器、变频器、增益调节衰减器和增益放大器依次相连，所述的变频器的输入端与本振源相连，所述的增益调节衰减器用于通过改变衰减量，调整变频模块的频率响应。

较佳地，所述的频模块包括中频步进衰减器、增益放大器和四组带旁路功能的固定增益放大器，所述的中频步进衰减器、增益放大器和四组固定增益放大器依次连接，所述的中频步进衰减器用于调节衰减量来修正中频增益的误差值。

较佳地，系统包括计算总体通路功率，具体为：

根据以下公式计算总体通路功率：

Pow_In－ATT－Freq_Resp－Gain_Adjust+Gain+IF_Gain＝－7dBFS；

其中，Pow_In为待测信号的功率，ATT为输入步进衰减器的衰减值，Freq_Resp为变频模块的器件对不同频率的待测信号的响应值，Gain_Adjust为变频模块中增益补偿电路的增益值，Gain为变频模块和中频模块中增益放大器的增益和，IF_Gain为中频增益0～70dB及0.25dB步进。

采用了本实用新型的适应ADC线性特性情形下实现频谱仪功率自动校准的系统，可以极大的缩减工作量，在校准频点带宽内，频率响应可以进行线性估算，并且保持ADC工作在高线性状态下，提高了频谱仪整机的线性度。整个校准过程由预先设置好的程序完成，提高了操作效率，具有广泛的应用范围。

附图说明

图1为本实用新型的适应ADC线性特性情形下实现频谱仪功率自动校准的系统的ADC线性度特性示意图。

图2为本实用新型的适应ADC线性特性情形下实现频谱仪功率自动校准的系统的变频模块示意图。

图3为本实用新型的适应ADC线性特性情形下实现频谱仪功率自动校准的系统的中频模块示意图。

图4为利用本实用新型的适应ADC线性特性情形下实现频谱仪功率自动校准的系统实现中频误差自动校准处理的流程图。

图5为利用本实用新型的适应ADC线性特性情形下实现频谱仪功率自动校准的系统实现频响误差自动校准处理的流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本实用新型的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

请参阅图1至图3所示，本实用新型的该适应ADC线性特性情形下实现频谱仪功率自动校准的系统，其中包括：

变频模块，用于把宽频、宽幅的待测量信号下变频至ADC可采样的、固定频率的中频信号，并消除由于模块自身频响特性而造成变频不同频率待测信号为中频信号时的幅度差值，使经过中频模块后的中频信号幅度在ADC线性度高的幅度区间内；

中频模块，所述的中频模块的输入端与所述的变频模块的输出端相连，用于在待测量信号的幅度发生变化时，将固定频率的中频信号在0～50dB的范围内，以1dB为步进进行补偿放大。

作为本实用新型的优选实施方式，所述的变频模块包括输入步进衰减器、低通滤波器、变频器、增益调节衰减器和增益放大器，所述的输入步进衰减器、低通滤波器、变频器、增益调节衰减器和增益放大器依次相连，所述的变频器的输入端与本振源相连，所述的增益调节衰减器用于通过改变衰减量，调整变频模块的频率响应。

作为本实用新型的优选实施方式，所述的频模块包括中频步进衰减器、增益放大器和四组带旁路功能的固定增益放大器，所述的中频步进衰减器、增益放大器和四组固定增益放大器依次连接，所述的中频步进衰减器用于调节衰减量来修正中频增益的误差值。

作为本实用新型的优选实施方式，系统包括计算总体通路功率，具体为：

根据以下公式计算总体通路功率：

Pow_In－ATT－Freq_Resp－Gain_Adjust+Gain+IF_Gain＝－7dBFS；

其中，Pow_In为待测信号的功率，ATT为输入步进衰减器的衰减值，Freq_Resp为变频模块的器件对不同频率的待测信号的响应值，Gain_Adjust为变频模块中增益补偿电路的增益值，Gain为变频模块和中频模块中增益放大器的增益和，IF_Gain为中频增益0～70dB及0.25dB步进。

本实用新型的具体实施方式中，提供了一种能够适应ADC线性特性，实现频谱仪自动校准的电路和方法，既能确保频谱仪测量线性度，又能减小校准工作量、提高校准效率，具有更广泛应用范围的用于频谱仪实现自动校准的电路和方法。

本实用新型的适应ADC线性特性的用于频谱仪功率自动校准的电路和方法，包括变频模块，用于把宽频、宽幅的待测量信号下变频到ADC可采样的，固定频率的中频信号，并消除由于模块自身频响特性而造成变频不同频率待测信号为中频信号时的幅度差值，使经过中频模块后的中频信号幅度在ADC线性度高的幅度区间内；中频模块，中频模块的输入端与所述的变频模块的输出端相连，用于在待测量信号的幅度发生变化时，将固定频率的中频信号在0～50dB的范围内，以1dB为步进进行补偿放大。

ADC线性度特性如图1所示，以型号为“AD9460”的ADC为例，线性度最佳区间为-15～-7dBFS，及比最大测量功率小15～7dB的8dB功率区间。所以，无论待测信号在“频率”和“幅度”两个维度上变化时，送入ADC检测的信号幅度都恒定在-15～-7dBFS这一区间内最优，如图3所示的电路。然而实际变频电路在处理同功率宽带信号时，由于器件、传输线等频响特性，导致频率高的信号转换为中频信号的功率要比频率低的信号转换成的中频信号功率低。如果两个中频信号的功率差大于ADC的最大线性度区间，就会恶化电路的线性度。

注：为方便计算，本文以+7dBm为ADC最大测量功率带入计算，-7dBFS＝0dBm。

如图2所示，变频模块由“输入步进衰减器”(ATT)、“低通滤波器”(LPF)、“变频器”(Mixer)、“增益调节衰减器”(Gain_Adjust)、“增益放大器”(Gain_block)组成。其中“增益调节衰减器”通过改变衰减量，调整变频模块的频率响应，使不同频率的待测信号都能以-7dBFS的信号功率送入ADC，保证电路最佳线性度。

如图3所示，中频模块由“中频步进衰减器”(IF_ATT)、“增益放大器”(Gain_block)、四组带旁路功能的“固定增益放大器”组成。其中“固定增益放大器”和“中频步进衰减器”配合使用，可以获得0.25dB步进的增益变化，并且中频增益的误差值也通过“中频步进衰减器”调节衰减量进行修正。

总体通路功率计算：从“待测信号”到“中频输出”(ADC前)通路的计算如下式：

Pow_In－ATT－Freq_Resp－Gain_Adjust+Gain+IF_Gain＝－7dBFS(式1)

其中，Pow_In：待测信号的功率，此值为明确数值，没有误差值；

ATT：“输入步进衰减器”的衰减值，0～70dB，10dB步进，根据Pow_In进行调节，遵循-20＜Pow_In-ATT≤-10的原则，误差值由频率和衰减量两个参数组成的数组确定；

Freq_Resp：变频模块中变频器、开关、滤波器、传输线等所有器件，对不同频率的待测信号的响应值；

Gain_Adjust：变频模块中增益补偿电路的增益值，-20～-5dB范围，0.25dB步进。用于补偿不同频率响应造成的功率损失；

Gain：变频模块和中频模块中增益放大器的增益和，用于补偿通路中其它功率损耗值。在输入信号功率为-10dBm，频率为最大时，确保“式1”＞-7dBFS；

IF_Gain：中频增益0～70dB，0.25dB步进，步进精度和增益误差通过中频步进衰减器和10dB/20dB固定增益放大器串联实现，增益误差由增益值这个参数确定。

如需对整个链路进行校准，只需要分别校准“IF_Gain”、“Gain_Adjust”即可。

如图4所示为中频误差自动校准流程图，中频增益误差和待测信号的频率、功率无关，只和“中频模块”配置的中频增益值有关，所以中频校准使用的待测信号频率取频响校准的初始频率，及最大待测信号频率，程序自动完成中频增益0dB～70dB，以1dB为步进的校准流程。

步骤一：配置信号源输出待测信号最高频率；

步骤二：配置输入衰减器衰减量为0dB；

步骤三：增益调节衰减器配置为-5dB，以防最大待测频率并非中频信号功率最小；

步骤四：配置信号源输入功率为-10dBm；

步骤五：判断信号源输出功率是否≥-80dBm，如果“是”表示校准还未完成，如果“否”表示校准已经完成，则跳出校准程序，完成校准。

步骤六：中频增益配置为第一个校准点“0dB”；

步骤七：中频步进衰减器配置为0dB，默认不加修正量；

步骤八：使用功率计测量接入ADC的功率值；

步骤九：判断功率计读数是否满足[-7dBFS-acc/2,-7dBFS+acc/2]dBm的误差要求，如不满足，通过“acc×Round((-7dBFS-功率计读数)/acc)”计算出需要增加的衰减量，控制中频步进衰减器进行调整。如果判断功率计读数满足误差要求，则中频增益为0dB的校准完成；

注：“acc”为中频步进衰减器的衰减步进，本例为0.25dB。

步骤十：记录当前中频步进衰减器的衰减量，记为中频增益0dB的误差修正值。然后控制信号源输入功率减小1dB，中频增益增加1dB，继续进行中频增益为1dB情况下的校准。

如图5为频响误差自动校准流程图，频响误差由输入步进衰减器的衰减量和待测信号的频率信息确定，输入步进衰减器有“0dB、-10dB、-20dB、-30dB、-40dB、-50dB、-60dB、-70dB”共8个状态；待测信号频率变化本例采用10MHz步进表征。

步骤一：配置信号源功率为-10dBm；

步骤二：配置中频增益为0dB；

步骤三：配置输入步进衰减器衰减量为0dB，开始进行频响校准；

步骤四：判断当前衰减量是否≥-70dB，“是”表示输入步进衰减器所有衰减量的频响校准未完成，则进入下一步校准，“否”表示输入步进衰减器所有衰减量的频响校准已完成，则跳出校准程序，完成校准；

步骤五：信号源配置成待测信号频率最高点；

步骤六：判断当前信号源发送频率是否≥最小校准频率，“是”表示当前输入步进衰减器衰减量下的频响校准未完成，则进入下一步校准，“否”表示当前输入步进衰减器衰减量下的频响校准已完成，需要进行输入步进衰减器其它衰减量下的频响校准，配置输入步进衰减器的衰减量-10dB、配置信号源输出频率到最高频率点、配置中频增益+10dB；

步骤七：使用中频增益校准后得到修正值对当前中频增益进行修正；

步骤八：增益调节衰减器配置成-5dB；

步骤九：使用功率计测量接入ADC的功率值；

步骤十：判断功率计读数是否满足[-7dBFS-acc/2,-7dBFS+acc/2]的误差要求，如果不满足，通过“acc×Round((-7dBFS-功率计读数)/acc)”计算出需要增加的衰减量，控制中频步进衰减器进行调整。如果判断功率计读数满足误差要求，则当前衰减量、频率值的校准完成；

步骤十一：记录增益调节衰减器的衰减量，作为当前输入步进衰减器对应衰减量、频率值的频响误差修正值。然后配置信号源频率减小10MHz，进行第二个频点的频响校准。

采用了本实用新型的适应ADC线性特性情形下实现频谱仪功率自动校准的系统，可以极大的缩减工作量，在校准频点带宽内，频率响应可以进行线性估算，并且保持ADC工作在高线性状态下，提高了频谱仪整机的线性度。整个校准过程由预先设置好的程序完成，提高了操作效率，具有广泛的应用范围。

在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (1)

1.一种适应ADC线性特性情形下实现频谱仪功率自动校准的系统，其特征在于，所述的系统包括变频模块和中频模块，所述的中频模块的输入端与所述的变频模块的输出端相连接；

所述的变频模块包括输入步进衰减器、低通滤波器、变频器、增益调节衰减器和增益放大器，所述的输入步进衰减器、低通滤波器、变频器、增益调节衰减器和增益放大器依次相连，所述的变频器的输入端与本振源相连，所述的增益调节衰减器用于通过改变衰减量，调整变频模块的频率响应；

所述的中频模块包括中频步进衰减器、增益放大器和四组带旁路功能的固定增益放大器，所述的中频步进衰减器、增益放大器和四组固定增益放大器依次连接，所述的中频步进衰减器用于调节衰减量来修正中频增益的误差值。

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