矢量调制射频信号发生器的制作方法

本发明涉及一种矢量调制射频信号发生器，属于射频信号领域。

背景技术：

通用信号发生器在上世纪20年代就已经出现，随着通信和雷达技术的发展以及标准信号发生器的出现，使得信号发生器发展成为定量分析的测量仪器。上世纪60年代，出现了函数发生器和射频信号发生器；70年代微处理器出现后，利用微处理器进行数模、模数转换的信号发生器将信号发生器的功能进一步扩大，使其可以产生比较复杂的波形；上世纪80年代后，数字技术日益成熟，不仅函数信号发生器发展为数字合成任意信号发生器，射频信号发生器也产生了革命性的变革；从上世纪90年代至今，国际上的大公司不断推出多款高性能的射频信号发生器，使得信号发生器的各项指标有了进一步的提高。

由于国内的信号发生器发展时间短，基础元器件和关键技术积累不足，面对日益扩大的信号发生器市场，中国产品缺少强硬的核心竞争力。随着“中国制造2025”计划的实施，基础元器件领域必然将引来新一轮的发展。其中，信号发生器作为可用于自动控制、航空航天、地球物理、科学实验等多个方面科学实验和工程制造的高精密基础仪器，充当着工程基石的作用，只有掌握了适用范围广、指标精度高、综合成本低的信号发生器，才能让我们的科研和工程更加高效、便利。

现有国产的信号发生器，如函数信号发生器等由于产生的信号频率较窄、不具备复杂的调制能力，且操作繁琐、成本高昂，因此无法满足现有科学实验和工程制造的需求。

有鉴于此，确有必要提供一种新的信号发生器，以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有射频宽度广、调制功能强大的射频信号发生器，以方便高频信号的合成、调制，方便使用和维护。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种矢量调制射频信号发生器，包括：

射频本振模块：用于产生宽带射频本振信号；

矢量调制模块：用于产生射频正交本振信号和基带放大信号，包括射频i/q调制模块以及分别与所述射频i/q调制模块连接的锁相环模块和基带信号发生模块；

射频变换模块：分别与所述射频本振模块、矢量调制模块连接，用于将宽带射频本振信号和射频正交本振信号进行混合调制，以产生高频输出信号；

宽带稳幅模块：与所述射频变换模块连接，包括设置有宽带检波器的自动增益控制电路，所述宽带稳幅模块用于接收并处理所述高频输出信号，以形成幅度稳定、可控的高频稳幅信号；

输出模块：分别与所述矢量调制模块和所述宽带稳幅模块连接，包括输出开关和衰减器，所述输出开关用于将接收到的基带放大信号和高频稳幅信号进行混频，以产生射频输出信号，所述衰减器用于将射频输出信号进行衰减，获取经矢量调制的射频信号。

作为本发明的进一步改进，所述射频本振模块包括低噪声压控振荡器，结合使用经过数字优化的单环小数分频锁相技术，以获得高频率分辨率、低相位噪声的宽带射频本振信号。

作为本发明的进一步改进，所述基带信号发生模块用于产生具有矢量调制的基带本振信号，包括fpga和数模转换器，所述fpga包括调频通道、调相通道和调幅通道三种调制通道。

作为本发明的进一步改进，所述fpga还包括调制存储器、外部数据选择器、外部调制速率发生器及多路选择器，所述调制存储器与外部cpu连接以接收外部cpu发出的调制数据，所述外部cpu以直接内存存取模式对所述调制存储器进行控制，且外部cpu享有控制优先权；所述外部数据选择器和外部调制速率发生器对调制数据的信息来源进行识别；所述多路选择器将调制数据分为三路并分别传递至所述调频通道、调相通道和调幅通道中进行调制。

作为本发明的进一步改进，所述数模转换器为具有高性能单/双通道输入、正交双路输出的高速数模转换器，且所述高速模数转换器具有16位分辨率。

作为本发明的进一步改进，所述基带信号发生模块还包括外部调制单元，用于向所述fpga输入模拟音频信号；所述外部调制单元包括音频自动增益控制放大器、音频模数转换器和比例乘法器，所述音频自动增益控制放大器用于接收和放大模拟音频信号，并将放大后的模拟音频信号传递至音频模数转换器中进行分路处理，一路模拟音频信号通过所述比例乘法器进入所述调频通道和/或调相通道；另一路模拟音频信号直接进入调幅通道。

作为本发明的进一步改进，所述音频自动增益控制放大器采用场效应管作为音频电调衰减器，使得所述音频自动增益控制放大器的下限工作频率达到10hz。

作为本发明的进一步改进，所述锁相环模块与所述射频i/q调制模块连接，所述锁相环模块为单片锁相环芯片，用于产生射频参考信号，并传递给所述射频i/q调制模块；所述射频i/q调制模块用于将所述射频参考信号和部分由所述基带信号发生模块产生的基带本振信号进行调制，以获取射频正交本振信号。

作为本发明的进一步改进，所述射频变换模块包括声表面波滤波器、宽带混频器、低通滤波器及宽带放大器。

作为本发明的进一步改进，所述宽带稳幅模块还包括设置在所述自动增益控制电路中的积分器、射频电调衰减器、自动增益控制放大器、高增益宽带放大器。

本发明的有益效果是：本发明的矢量调制射频信号发生器通过设置矢量调制模块以及与所述矢量调制模块配合的射频变换模块和宽带稳幅模块，一方面实现了射频正交本振信号和基带放大信号中频率的搬移，同时保留了射频正交本振信号和基带放大信号的模拟调制和数字调制的功能；另一方面，对多路信号进行混频调制，有效提升了本发明矢量调制射频信号发生器产生的射频信号的输出频率宽度，使得本发明的矢量调制射频信号发生器适于实用，且成本低廉，使用方便、简单。

附图说明

图1是本发明矢量调制射频信号发生器的模块示意图。

图2是本发明矢量调制射频信号发生器的结构示意图。

图3是fpga的工作原理图。

图4是数模转换器ad9777的结构示意图。

图5是外部调制单元的工作原理图。

图6是射频i/q调制器的调制原理图。

图7是自动增益控制电路的环路电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

请参阅图1所示，本发明揭示了一种矢量调制射频信号发生器100，所述矢量调制射频信号发生器100包括射频本振模块1、矢量调制模块2、射频变换模块3、宽带稳幅模块4及输出模块5，以产生频率范围从音频至射频的射频信号，且所述射频信号具有高频率分辨率、低相位噪声的特点。

所述射频本振模块1用于产生宽带射频本振信号，在本发明中，所述射频本振模块1包括低噪声压控振荡器(vco)，并使用经过数字优化的单环小数分频锁相技术，以使得产生的宽带射频本振信号具有高频率分辨率、低相位噪声的特点。

所述矢量调制模块2用于产生射频正交本振信号和基带放大信号。具体来讲，在本发明中所述矢量调制模块2包括基带信号发生模块21、锁相环模块22及射频i/q调制模块23。

所述基带信号发生模块21用于产生具有矢量调制的基带本振信号，进一步的，所述基带信号发生模块21包括现场可编程门阵列(fpga)和数模转换器(dac)，所述基带信号发生模块21在工作过程中，调制信号首先进入所述fpga，然后在所述fpga中进行调制，最终通过dac输出基带本振信号。

请参阅图3所示，所述fpga设有调频通道、调相通道和调幅通道三种调制通道，且所述fpga还包括调制存储器(modsram)、外部数据选择器、外部调制速率发生器及多路选择器，其中，所述调制存储器与外部cpu连接，以接收外部cpu发出的调制数据，所述外部cpu以直接内存存取模式(dma)对所述调制存储器进行控制，且外部cpu享有控制优先权；所述外部数据选择器和外部调制速率发生器用于对调制数据的信息来源进行识别，并将识别后的调制数据通过所述多路选择器分为三路并分别传递至所述调频通道、调相通道和调幅通道中进行调制。

进一步的，所述基带信号发生模块21还包括外部调制单元(如图4所示)，用于向所述fpga输入模拟音频信号；具体来讲，所述外部调制单元包括音频自动增益控制放大器、音频模数转换器和比例乘法器，所述音频自动增益控制放大器用于接收和放大模拟音频信号，并将放大后的模拟音频信号传递至音频模数转换器中进行分路处理，一路模拟音频信号通过所述比例乘法器进入所述调频通道或者调相通道；另一路模拟音频信号直接进入调幅通道。

事实上，由于常用的自动增益控制放大器芯片下限频率不能到达音频范围，因此，在本发明中，所述音频自动增益控制放大器采用场效应管作为音频电调衰减器，使得所述音频自动增益控制放大器的下限工作频率达到10hz。

请参阅图5所示所述外部调制单元的具体工作原理如下：外调制音频信号输入经过r1、c1输入电路隔离直流分量然后进行音频放大；音频放大输出一方面到达音频模数转换器，另一方面通过检波器检测出输入信号的直流电压，这个直流电压用于控制场效应管的导通电阻。若直流电压过大，则实际输入为较大的负电压，场效应管导通电阻较大；若直流电压较小，则实际输入为较小的负电压，此时场效应管导通电阻较小，从而控制了音频放大器的放大倍数，实现了稳定输出幅度，另外，通过场效应管提供一个可调的参考电压可以改变积分器的参考电位，实现了输出幅度的精密调节，进一步实现了模拟音频信号输出幅度可控。

具体来讲，所述fpga在对调制信号进行调制时，外部cpu首先计算出所需要的字长为32位的调制数据，按照一定的规律放在调制存储器中；调制发生时，调制存储器中的调制数据按照一定的调制速率输出到外部数据选择器进行信息识别，并进一步传递至所述多路选择器进行分路，分别进入调频通道、调相通道和调幅通道，以分别进行频率、相位及幅度的调制。

需要说明的是，调制存储器中的调制数据的调制速率由外部调制速率发生器进行控制，且在本发明的实施例中，仅以所述调制数据的字长为32位为例进行举例说明，当然在其他实施例中，所述外部cpu处理的调制数据的字长，可根据用户设置的不同的调制功能和调制参数进行调节，以使得所述基带信号发生模块21可实现fm、fsk、qfsk、chirp、psk、bpsk、qpsk、am、ask、qam等多种调制方式，以提升本发明矢量调制射频信号发生器100的适用范围。

在频率调制流程中，以fm为例(fsk、qfsk、chirp与之类似)，外部cpu输出32位中心频率控制字去cf寄存器，与调制存储器输出的32位fm数据相加，输出结果进入相位累加器，因此高速实现频率快速变换，通过查找波形存储器数据(正弦表)，最后输出fm信号；在连续波的状态下(没有任何调制)，则调制数据为0，此时fpga输出的正弦波频率即由cf寄存器的数据控制。

在相位调制流程中，以pm为例(psk、qpsk与之类似)，外部cpu输出12位相位偏移控制字去po寄存器，与调制存储器输出的12位pm数据相加，输出结果进入相位加法器，因此高速实现相位快速变换；在连续波的状态下(没有任何调制)，则调制数据为0，此时fpga输出的正弦波相位即由po寄存器的数据控制。

在幅度调制流程中，以am为例(ask、qam与之类似)，外部cpu输出12位幅度控制字去amp寄存器，与调制存储器输出的12位am数据相加，输出结果进入幅度乘法器，因此高速实现幅度快速变换；在连续波的状态下(没有任何调制)，则调制数据为0，此时fpga输出的正弦波幅度即由amp寄存器的数据控制。

调制后的调制数据，进入所述数模转换器(dac)中进行转换，在本发明中，所述数模转换器采用16位、160msps、2x/4x/8x插值、双通道txdac的数模转换芯片ad9777，即在本发明中，所述fpga控制产生的调制信号经由串并转换后送入ad9777中，由于ad9777提供单端/差分输入，在本实施例中，为节省数据线使得结构精简，故采用单端输入的方法，输入一路调制信号(ad0～ad15),一个40mhz的参考时钟信号经过射频变压器后加至ad9777的时钟输入端，通过芯片内部的处理产生两路正交输出，即基带本振信号，且所述基带本振信号包括即i路信号和q路信号。

所述基带信号发生模块21还设有基带低通滤波器和基带输出放大器，所述基带本振信号中频率在100hz～40mhz之间的基带本振信号依次通过所述基带低通滤波器和基带输出放大器生成基带放大信号，并送入输出模块5中，而基带本振信号中频率在20～40mhz之间的基带本振信号则进入射频i/q调制模块23中进行下一步处理。

所述锁相环模块22和所述射频i/q调制模块23连接，所述锁相环模块22为单片锁相环芯片，用于产生射频参考信号，并传递给所述射频i/q调制模块23；所述射频i/q调制模块23用于将所述射频参考信号和基带信号发生模块产生的频率在20～40mhz的基带本振信号进行调制，以获取射频正交本振信号。

所述射频变换模块3分别与所述射频本振模块1、矢量调制模块2连接，用于将宽带射频本振信号和射频正交本振信号进行混合调制，以产生高频输出信号。具体来讲，在本发明中，所述锁相环模块22、所述射频i/q调制模块23和所述射频变换模块3协同工作。

请参阅图6所示，所述射频i/q调制模块23在对射频参考信号和20～40mhz基带本振信号进行调制时，所述射频i/q调制模块23利用射频参考信号的同相参考载波acosα0t和正交参考载波asinα0t分别和同相与正交两路基带输出信号和相乘，然后相加求和，即得到发送的射频正交本振信号(载波键控信号r(t))。进一步的，射频正交本振信号中的i路信号和q路信号，先分别经过低通滤波器滤波，再与宽带射频本振信号进行混频，其中，i路信号与首相与载波相移90゜后的宽带射频本振信号进行混频，再与宽带射频本振信号载波相加，相加的目的在于载波抑制；进一步的，q路信号直接与宽带射频本振信号进行混频，再与载波相移90度后的宽带射频本振信号进行相加；最后，将i路信号与q路信号相加，继而实现高性能i/q调制，产生高频输出信号，在本发明中，所述宽带射频本振信号为频率在885mhz的超高频参考信号。

所述宽带稳幅模块4与所述射频变换模块3连接，包括设置有宽带检波器的自动增益控制电路(如图7所示)，用于接收所述高频输出信号并处理产生幅度稳定、可控的高频稳幅信号；进一步的，所述宽带稳幅模块4还包括设置在所述自动增益控制电路中的功率分配器、积分器、射频电调衰减器、自动增益控制放大器及高增益宽带放大器。

具体来讲，经射频变换模块3中的宽带放大器的输出的高频输出信号，经过功率分配器连接到宽带检波器中，积分器的输出电压去控制所述电调衰减器，完成高频输出信号的稳幅调节，进一步的，在本发明中，所述电调衰减器为由pin二极管组成的电调衰减器，如此设置，使得所述自动增益控制电路既可对宽带检波器进行温度补偿，同时可对通过电子开关切换宽带检波器的时间常数。

事实上，由于宽带检波器中检波二极管工作特性受温度影响明显，因此当单纯使用宽带检波器输出信号时，温度对信号的幅度的精确度有很大影响。为此，在本发明中设置两路方向相反的检波二极管ds1、ds2，分别接入±5v电源电压以及串联电阻，此时温度对检波二极管压降的影响使得两路分别产生+δu和-δu的偏差，相加抵消，从而提高宽带检波器的精确度。进一步的，积分器采用电子开关加入不同的电容ci，控制积分器的时间常数，如此设置，可有效避免当输入信号为调制信号时检波器检出包络信号，则必须保证其中fmin为调制信号的最低频率。由于本产品调制信号频率范围相当大，一个固定的电容ci不能满足所有的要求，因此通过采用外部cpu控制电子开关切换几种不同电容的方法，可保证检波时间常数在合理范围内。

所述输出模块5分别与所述矢量调制模块2和所述宽带稳幅模块4连接，包括输出开关和衰减器，所述输出开关用于接收基带放大信号和高频稳幅信号并进行混频产生射频输出信号，并通过所述衰减模块进行衰减，获取经矢量调制的射频信号。进一步的，在本发明中，所述衰减器为110db衰减器，且所述110db衰减器增益10db步进可调。

综上所述，本发明的矢量调制射频信号发生器100通过设置矢量调制模块2以及与所述矢量调制模块2配合设置的射频变换模块3和宽带稳幅模块4，一方面实现了射频正交本振信号和基带放大信号中频率的搬移，同时保留了射频正交本振信号和基带放大信号的模拟调制和数字调制的功能；另一方面，对多路信号进行混频调制，有效提升了本发明矢量调制射频信号发生器产生的射频信号的输出频率宽度，使得本发明的矢量调制射频信号发生器适于实用，且成本低廉使用方便简单。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。