基于谐波混频的超外差式谐波检测装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于谐波混频的超外差式谐波检测装置，包括射频通道选择单元(1)和中频信号生成及处理单元(2)，所述的中频信号生成及处理单元(2)的输入端与射频通道选择单元(1)的输出端连接；所述的射频通道选择单元(1)将射频输入信号过滤后生成所需的预选射频信号，该预选射频信号被送至中频信号生成及处理单元(2)，中频信号生成及处理单元(2)将接收到的预选射频信号变换成固定频率的中频模拟信号，并依次对该中频模拟信号进行滤波、放大、模数变换处理后转换成中频数字信号，对该数字中频信号进行处理后输出最终的测量结果信号。与现有技术相比，本发明具有结构简单、灵敏度高、功耗小、成本低、扩展性好等优点。
【专利说明】基于谐波混频的超外差式谐波检测装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种谐波检测装置，尤其是涉及一种基于谐波混频的超外差式谐波检测装置。
【背景技术】
[0002]在射频、无线通信领域，信息的传输都是将信息调制到较高频率的载波上进行的，因此对射频信号的载波测量显得尤为重要。同时，受限于频率资源的不可再生性，对载波的谐波成分也有各种强制性规范和要求。谐波的存在是载波信号失真的一个表象，同时谐波频率也可能对其它频率产生致命干扰，因此对这些载波信号的谐波测量也非常重要而且是必不可少的。在上述的测量要求中，测量频率范围通常超过了一个甚至两个倍频程。比如，测量900MHz的信号，其三次谐波在2700MHz附近。面对这种测量要求，最常用的方法是采用宽带微波频谱分析仪直接测量，它可以一次性的将基波、二次谐波、三次谐波直接测量出来，使用起来也非常方便。另外一种方法是使用示波器对信号进行测量，然后通过FFT算法变换成频域信号进行分析。这两种方法都有使用，但同时也存在如下一些问题:
[0003]I)宽带射频微波频谱仪的测量频率范围很宽，覆盖频率从低频到几十GHz。在这种应用场合下，大量的频率资源被浪费。这种测量大都采用多级变频才能实现，比如三级变频或二级变频等。随着变频级数的增加，系统噪声系数增大，影响了系统测量灵敏度低。
[0004]2)采用频谱分析仪进行谐波测量的技术体系复杂，体积大，重量重，不利于模块集成处理。利用频谱仪直接测量的成本很高，性价比差，在工业测试应用中很不经济。
[0005]3)示波器测量受限于仪器的通道带宽和采样率影响，频率上限很难达到很高的频率。同时，示波器的动态范围很小，对较小的谐波测量就无能为力了。
【发明内容】
[0006]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、灵敏度高、功耗小、成本低、扩展性好的基于谐波混频的超外差式谐波检测装置。
[0007]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0008]一种基于谐波混频的超外差式谐波检测装置，其特征在于，包括射频通道选择单元和中频信号生成及处理单元，所述的中频信号生成及处理单元的输入端与射频通道选择单元的输出端连接；
[0009]所述的射频通道选择单元将射频输入信号过滤后生成所需的预选射频信号，该预选射频信号被送至中频信号生成及处理单元，中频信号生成及处理单元将接收到的预选射频信号变换成固定频率的中频模拟信号，并依次对该中频模拟信号进行滤波、放大、模数变换处理后转换成中频数字信号，对该中频数字信号依次进行滤波、带宽成形以及检波处理后输出最终的测量结果信号。
[0010]所述的射频通道选择单元包括基波滤波器、二次谐波滤波器、三次谐波滤波器、第一开关和第二开关，所述的第一开关分别与基波滤波器的输入端、二次谐波滤波器的输入端和三次谐波滤波器的输入端连接，所述的第二开关分别与基波滤波器的输出端、二次谐波滤波器的输出端和三次谐波滤波器的输出端连接；
[0011]所述的第一开关将射频输入信号分别送入基波通道、二次谐波通道和三次谐波通道这三个射频通道，每个通道分别由基波滤波器、二次谐波滤波器和三次谐波滤波器对进入该通道的射频信号进行滤波，生成所需的预选射频信号，该预选射频信号经第二开关进入中频信号生成及处理单元。
[0012]所述的中频信号生成及处理单元包括本振源、混频器、中频滤波器、中频放大器、模数变换器、数字下变频器和同步电路，所述的本振源、混频器、中频滤波器、中频放大器、模数变换器和数字下变频器依次连接，所述的同步电路设置在本振源和数字下变频器之间，所述的混频器的输入端分别与射频通道选择单元中的基波滤波器的输出端、二次谐波滤波器的输出端和三次谐波滤波器的输出端连接；
[0013]所述的混频器将接收到的预选射频信号频率与本振源输出的本振频率混频产生一个频率固定的中频模拟信号，该中频模拟信号依次经中频滤波器、中频放大器和模数变换器转换成中频数字信号后进入数字下变频器，该数字下变频器完成对中频数字信号的滤波、带宽成形以及检波等处理并输出最终的测量结果信号。
[0014]所述的数字下变频器(25)通过FPGA实现。
[0015]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0016]I)该装置结构简单，且内部各功能都是窄带电路，易于实现；
[0017]2)可测量载波、二次谐波、三次谐波的频率和幅度值，而不需要宽带扫描；
[0018]3)采用一次混频即可实现测量，系统噪声系数较小，测量灵敏度大大提高；
[0019]4)整个装置体积和功耗小,易于系统集成；
[0020]5)实现成本大大降低；
[0021]6)对不同频率的测量，可以更换相对的滤波器和本振源即可实现，模块的扩展性能良好。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为该谐波检测装置的结构示意图；
[0023]图2为数字下变频器的结构示意图；
[0024]图3为射频信号检测的流程图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0026]如图1所示，该谐波检测装置包括射频通道选择单元I和中频信号生成及处理单元2两部分，其中，中频信号生成及处理单元2的输入端与射频通道选择单元I的输出端连接。该装置的工作原理如下:需要进行检测的射频输入信号通过射频通道选择单元I生成需要的预选射频信号，该预选射频信号随即被送至中频信号生成及处理单元2，中频信号生成及处理单元2将接收到的预选射频信号变换成固定频率的中频模拟信号，并依次对该中频模拟信号进行滤波、放大、模数变换处理后转换成中频数字信号，对该中频数字信号依次进行滤波、带宽成形以及检波处理后输出最终的测量结果信号，具体的信号处理流程如图3所示。
[0027]图1提供了射频通道选择单元I的具体结构，该单元包括基波滤波器11、二次谐波滤波器12、三次谐波滤波器13、第一开关14和第二开关15，其中，第一开关14分别与基波滤波器11的输入端、二次谐波滤波器12的输入端和三次谐波滤波器13的输入端连接，第二开关15分别与基波滤波器11的输出端、二次谐波滤波器12的输出端和三次谐波滤波器13的输出端连接。
[0028]该单元的工作原理如下:射频输入信号通过第一开关14分别进入基波通道、二次谐波通道和三次谐波通道这三个射频通道，每个通道分别由基波滤波器11、二次谐波滤波器12和三次谐波滤波器13对进入该通道的射频信号进行滤波，生成所需的预选射频信号，该预选射频信号经第二开关15进入中频信号生成及处理单元2。
[0029]图1还提供了中频信号生成及处理单元2的具体结构，该单元包括本振源26、混频器21、中频滤波器22、中频放大器23、模数变换器24、数字下变频器25和同步电路27，其中，本振源26、混频器21、中频滤波器22、中频放大器23、模数变换器24和数字下变频器25依次连接，同步电路27设置在本振源26和数字下变频器25之间，用于同步本振信号和测量结果信号，混频器21的输入端分别与射频通道选择单元I中的基波滤波器11的输出端、二次谐波滤波器12的输出端和三次谐波滤波器13的输出端连接。
[0030]该单元的工作原理如下:混频器21将接收到的预选射频信号频率与本振源26输出的本振频率混频产生一个频率固定的中频模拟信号，该中频模拟信号的频率固定，中频滤波器22对该中频模拟信号进行滤波处理，滤除本振信号、原始的射频输入信号以及相关的杂散信号并将其送至中频放大器23进行信号增益，增益的大小根据中频模拟信号幅值的大小决定，以适应不同信号幅值的测量要求，模数变换器24将过滤、增益后的中频模拟信号进行模数转换，转换成中频数字信号后进入数字下变频器25，该数字下变频器25完成对中频数字信号的滤波、带宽成形以及检波等处理并通过USB、LAN和专用总线等接口输出最终的测量结果信号，数字下变频器25的功能在FPGA内实现。
[0031]值得注意的是，本振源26的频率范围选择与射频输入信号的频率范围密切相关，假设射频输入信号频率的下限为fin—min，上限为fin—_，中频信号的频率为fIF，那么基波测量时，本振源对应工作频率f的范围为[fin—min+fIF，fin—max+fIF] ;二次谐波测量时，本振源对应工作频率f的范围为[2 (2fin—min+fIF)，2 (2fin—max+fIF)];三次谐波测量时，本振源对应工作频率f的范围为[3 (3fin min+fIF)，3 (3fin max+fIF)]，在电路调整时，本振频率可根据上述表达式进行计算。
[0032]如图2所示，数字下变频器25包括第一 CIC滤波器251、第二 CIC滤波器252、第一半带滤波器253、第二半带滤波器254、第一 FIR滤波器255、第二 FIR滤波器256、合路器257、滤波器258、存储器259、数字振荡器260和90度移相器261。其中，第一 CIC滤波器251、第一半带滤波器253和第一 FIR滤波器255依次相连，第二 CIC滤波器252、第二半带滤波器254和第二 FIR滤波器256依次相连，合路器257、滤波器258和存储器259依次相连，合路器257的输入端分别与第一 FIR滤波器255的输出端、第二 FIR滤波器256的输出端相连，数字振荡器260的输出端和90度移相器261的输入端相连。
[0033]该变频器的工作原理如下:首先由数字振荡器260和90度移相器261产生两路正交信号，该两路正交信号分别与变频器接收到的中频数字信号混频产生正交的I路和Q路两路信号，并由第一 Cic滤波器251将I路信号中不需要的频率分量进行滤波衰减，为防止I路信号在第一 CIC滤波器251中衰落太快，由第一半带滤波器253、第一 FIR滤波器对衰减后的I路信号进行补偿，同理，Q路信号也依次经过第二 CIC滤波器252、第二半带滤波器254和第二 FIR滤波器256进行相同处理，最终经过补偿环节的I路和Q路两路正交信号在合路器257进行合路后生成所需的基带信号，该基带信号经过滤波器258滤波后存储到存储器中等待发送。
[0034]图3提供了谐波检测的具体流程，步骤如下:
[0035]在步骤S301，流程开始；
[0036]在步骤S302，射频输入信号进入通道选择单元I ;
[0037]在步骤S303，根据检测需要，第一开关14将射频输入信号送入相关射频通道；
[0038]在步骤S304，相应滤波器对射频输入信号进行滤波后通过第二开关15送入中频处理单元2 ；
[0039]在步骤S305，混频器21将滤波后的射频输入信号频率与本振源26输出的本振信号频率进行混合产生适合处理的中频模拟信号；
[0040]在步骤S306，中频滤波器22对中频模拟信号进行选择，滤除射频输入信号和本振信号及混频产生的其它杂散信号；
[0041]在步骤S307，中频放大器23对滤波后的中频模拟信号进行放大；
[0042]在步骤S308，模数变换器24将放大后的中频模拟信号变换成中频数字信号；
[0043]在步骤S309，数字下变频器25对中频数字信号进行滤波，带宽成形以及检波等处理，将数字信号转换成基带信号；
[0044]在步骤S310，中频处理单元2输出最终的测量结果信号；
[0045]在步骤S311，流程结束。
【权利要求】
1.一种基于谐波混频的超外差式谐波检测装置，其特征在于，包括射频通道选择单元(1)和中频信号生成及处理单元(2)，所述的中频信号生成及处理单元(2)的输入端与射频通道选择单元(1)的输出端连接； 所述的射频通道选择单元(1)将射频输入信号过滤后生成所需的预选射频信号，该预选射频信号被送至中频信号生成及处理单元(2)，中频信号生成及处理单元(2)将接收到的预选射频信号变换成固定频率的中频模拟信号，并依次对该中频模拟信号进行滤波、放大、模数变换处理后转换成中频数字信号，对该数字中频信号依次进行滤波、带宽成形以及检波处理后输出最终的测量结果信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于谐波混频的超外差式谐波检测装置，其特征在于，所述的射频通道选择单元(1)包括基波滤波器(11)、二次谐波滤波器(12)、三次谐波滤波器(13)、第一开关(14)和第二开关(15)，所述的第一开关(14)分别与基波滤波器(11)的输入端、二次谐波滤波器(12)的输入端和三次谐波滤波器(13)的输入端连接，所述的第二开关(15)分别与基波滤波器(11)的输出端、二次谐波滤波器(12)的输出端和三次谐波滤波器(13)的输出端连接； 所述的第一开关(14)将射频输入信号分别送入基波通道、二次谐波通道和三次谐波通道这三个射频通道，每个通道分别由基波滤波器(11)、二次谐波滤波器(12)和三次谐波滤波器(13)对进入该通道的射频信号进行滤波，生成所需的预选射频信号，该预选射频信号经第二开关(15)进入中频信号生成及处理单元(2)。
3.根据权利要求2所述的一种基于谐波混频的超外差式谐波检测装置，其特征在于，所述的中频信号生成及处理单元(2)包括本振源(26)、混频器(21)、中频滤波器(22)、中频放大器(23)、模数变换器(24)、数字下变频器(25)和同步电路(27)，所述的本振源(26)、混频器(21)、中频滤波器(22)、中频放大器(23)、模数变换器(24)和数字下变频器(25)依次连接，所述的同步电路(27)设置在本振源(26)和数字下变频器(25)之间，所述的混频器(21)的输入端分别与射频通道选择单元(1)中的基波滤波器(11)的输出端、二次谐波滤波器(12)的输出端和三次谐波滤波器(13)的输出端连接； 所述的混频器(21)将接收到的预选射频信号频率与本振源(26)输出的本振频率混频产生一个频率固定的中频模拟信号，该中频模拟信号依次经中频滤波器(22)、中频放大器(23)和模数变换器(24)转换成中频数字信号后进入数字下变频器(25)，该数字下变频器(25)依次对中频数字信号进行滤波、带宽成形以及检波处理后输出最终的测量结果信号。
4.根据权利要求3所述的一种基于谐波混频的超外差式谐波检测装置，其特征在于，所述的数字下变频器(25)通过FPGA实现。
【文档编号】H04B17/20GK104283625SQ201210009142
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2012年1月13日 优先权日:2012年1月13日
【发明者】陈爽 申请人:上海创远仪器技术股份有限公司