一种实现频谱分析仪扩频功能的装置和方法
【专利摘要】本发明属于信号处理【技术领域】，涉及一种实现频谱分析仪扩频功能的装置和方法，装置包括：波导转接器、第一波导开关、第二波导开关、高通滤波器、低通滤波器、基波混频器、点频本振和中频滤波放大器。其方法包括：首先依据主机预选器覆盖范围对扩频装置的中频频率范围FIF进行限定，然后根据装置频率范围FRF和FIF配置点频本振频率FLO，其次是优化滤波器设计进行波段划分，低频段利用变频公式(FRF-FLO)，配合低通滤波器；高频段利用变频公式(FLO-FRF)，配合高通滤波器，综合实现频谱分析仪扩频功能。本发明能够在频率范围高于67GHz时仍具备实现镜像信号抑制的频谱分析仪扩频功能。
【专利说明】一种实现频谱分析仪扩频功能的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及频谱分析仪扩频技术，尤其涉及一种实现谱分析仪扩频功能的装置和方法，属于信号处理【技术领域】。
【背景技术】
[0002]目前对信号进行频谱参数测试具有多种仪器。单对频率参数进行测量的仪器设备有频率计，单对信号幅度进行测量的仪器设备有功率计，综合两种功能于一体的是频谱分析仪，其特点是测量频率范围宽，幅度测量范围大。
[0003]目前信号输入连接器有两种类型:同轴和波导。同轴连接器适用于较低的频率范围，波导连接器适用于较高的频率范围。频谱分析仪主机同轴连续测量范围一般在DC?67GHz之间，而更高的测量频率范围受输入信号连接器特性限制，一般采用扩频方式实现，即将主机的本振引出，在扩频模块内部与输入信号进行谐波混频，产生的中频信号返回到主机中进一步处理。现有技术的扩频装置都采用高次谐波混频方式，根据预设定的混频公式，利用主机本振输出和中频输入接口，配置相应的控制算法，实现频谱分析仪测量频率范围的扩展。但是往往具有如下缺陷:1，目前混频器前端通常使用的用于滤除镜像响应(混频过程中，有两个输入信号能和同一频率本振信号产生相同的中频信号，它们一个比本振低一个中频，一个比本振高一个中频，其中一个信号称为另一个信号的镜像响应)的预选器，在高于67GHz以上频段无法实现；2，目前通用扩频模块采用高谐波次数、低中频频率输出方式，直接进入主机中频通路，无法滤除镜像信号；3，目前通用扩频模块的镜像响应抑制多采用仪器内置内容软件算法，利用杂散信号具有随本振频率变化的特点，分两次扫描，本振频率差值为2IF / n(IF为频谱分析仪的中频频率，η为扩频模块的谐波混频次数)，对测量结果进行取小运算，这样不随本振变化的信号为真实存在的信号，但是由于软件算法关系，信号幅度比真实值偏小，而且每次都需要两次结果进行叠加运算，导致测量速度变慢，不符合频谱分析仪幅度测量准确度高、测量速度快的需求；4，镜像响应抑制还采用仪器外控软件算法或手动计算方式，根据具体的仪器的中频频率和谐波次数，计算各个响应点的频率间隔，通过谐波混频的计算方式能够区分出真实信号与杂散信号，不仅需要很强的仪器构成专业知识，而且需要长的计算时间来分离杂散信号，测量速度更慢，不符合测试要求；5，现有的扩频方式采用谐波混频方式变频损耗增加，对主机而言降低了小信号测量能力。
[0004]因此，能否设计一种新型的频谱分析仪扩频装置及其扩频方法以克服上述缺陷，成为本领域技术人员有待解决的技术难题。
【发明内容】
[0005]有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明旨在提供一种实现频谱分析仪扩频功能的装置及方法，能够在频率范围高于67GHz时仍具备频谱分析扩频功能，并能够实现镜像、多重杂散信号的抑制，且不降低小信号测量能力。[0006]本发明的实现，该实现谱分析仪扩频功能的装置包括:波导转接器、第一波导开关、第二波导开关、高通滤波器、低通滤波器、基波混频器、点频本振和中频滤波放大器，其中，波导转接器与第一波导开关连接，第一波导开关分别与高通滤波器、低通滤波器的输入端连接，高通滤波器、低通滤波器的输出端分别与第二波导开关连接，第二波导开关、基波混频器和点频本振顺次连接，基波混频器与中频滤波放大器连接。
[0007]在一些技术方案中，点频本振的本振频率范围Fio符合如下要求=Fio = 2*n*YT0,其中η为扩频模块的谐波混频次数，YTO为钇铁石榴石振荡器输出频率。
[0008]在一些技术方案中，中频输出范围Fif=本振频率范围Fur输入信号频率范围Fkf，或中频输出范围Fif=输入信号频率范围Fkf-本振频率范围Fw。
[0009]在一些技术方案中，中频输出范围Fif在频谱分析仪主机预选器覆盖频段内。
[0010]在一些技术方案中，钇铁石榴石振荡器输出频率3.1?9.9GHz，步进值为200MHz。
[0011]在一些技术方案中，中频输出范围Fif在4?26.5GHz之间。
[0012]本发明还公开了一种实现频谱分析仪扩频功能的方法，其包括如下步骤:
[0013]步骤一，将扩频装置与频谱分析仪主机进行如下连接:频谱分析仪主机连接到扩频装置中的第一波导开关、第二波导开关、点频本振和中频滤波放大器；
[0014]步骤二，向波导转接器输入信号，信号经波导转接器进入第一波导开关；
[0015]步骤三，根据频谱分析仪主机设置的状态参数，配置扩频装置中的波导开关状态，使信号经过不同的滤波器，处于不同的工作频段；
[0016]步骤四，将经过低通滤波和高通滤波后的信号经第二波导开关后合成一路，送入基波混频器与点频本振混频；
[0017]步骤五，采用中频滤波放大器补偿混频器的变频损耗，提高进入主机信号的幅度；
[0018]步骤六，将中频信号送入频谱分析仪主机的射频输入端口，实现主机中的预选器的复用，滤除镜像信号，并进入中频放大滤波采样处理过程。
[0019]在一些技术方案中，点频本振的本振频率范围Fuj符合如下要求:FLQ=2*n*YT0，其中η为扩频模块的谐波混频次数，YTO为钇铁石榴石振荡器输出频率。
[0020]在一些技术方案中，钇铁石榴石振荡器输出频率3.1?9.9GHz，步进值为200MHz。
[0021]在一些技术方案中，所述中频输出范围Fif在4?26.5GHz之间。
[0022]在一些技术方案中，根据扩频装置的中频频率范围Fif在频谱分析仪主机预选器覆盖频率范围内，根据基波混频计算公式依次配置点频本振频率范围Fw和滤波器抑制区间，综合实现镜频抑制与扩频功能。
[0023]在一些技术方案中，根据扩频装置输入信号频率范围、点频本振频率范围Fuj和中频频率范围Fif的配置，综合协调对扩频装置覆盖区域进行波段划分。
[0024]在一些技术方案中，低频段利用变频公式:输入信号频率范围Fkf-本振频率范围Fw，配合波导器件的高通特性及低通滤波器组合实现镜频信号抑制。
[0025]在一些技术方案中，高频段利用变频公式:本振频率范围Fur输入信号频率范围Fef,配合高通滤波器，实现镜频信号抑制。
[0026]与现有技术相比，本发明的有益效果如下:
[0027]1.通过专用的测试装置和复用预选器实现扩频功能，硬件实现镜像抑制，无需多次软件运算，提高测量速度，能够实现毫米波频段范围内频谱分析功能；
[0028]2.基波混频方式大幅度提高小信号测量能力和测量准确度。
[0029]以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为本发明的一种实现频谱分析仪扩频功能的装置的结构示意图。
[0031]图2为本发明的一种实现频谱分析仪扩频功能的方法的示意图。
[0032]图3a为现有扩频装置不加软件信号识别算法测试效果图。
[0033]图3b为现有扩频装置加通用软件信号识别算法测试效果图。
[0034]图3c为本发明的扩频装置及方法应用测试效果图。
[0035]符号说明
[0036]I波导转接器
[0037]2第一波导开关(波导开关I)
[0038]3第二波导开关(波导开关2)
[0039]4高通滤波器
[0040]5低通滤波器
[0041]6基波混频器
[0042]7点频本振
[0043]8中频滤波放大器
【具体实施方式】
[0044]如图1所示为本发明一【具体实施方式】，该实现频谱分析仪扩频功能的装置主要包括:波导转接器1、第一波导开关2、第二波导开关3、高通滤波器4、低通滤波器5、基波混频器6、点频本振7和中频滤波放大器8，其中，波导转接器I与第一波导开关2连接，第一波导开关2分别与高通滤波器4、低通滤波器5的输入端连接，高通滤波器4、低通滤波器5的输出端分别与第二波导开关3连接，第二波导开关3、基波混频器6和点频本振7顺次连接，基波混频器6与中频滤波放大器8连接。
[0045]该装置搭配频谱分析仪主机，采用基波混频、点频本振的变频方式，降低变频损耗，利用波导器件的高通特性，及协同规划的本振与低通滤波器，组合实现带通，实现对镜频信号的抑制，高本振基波信号与开关滤波器根据合理选取的上下混频配置，将镜像信号的产生区域波导滤波器的抑制区重叠，实现远端镜像抑制，中频信号经放大器进入频谱分析仪主机变频接收前端，利用主机前端的可调谐滤波器，滤除镜像信号，能够实现毫米波频段范围内的信号频谱分析功能，具备镜像信号抑制功能，不需要主机软件算法修正和外部二次计算来进行信号识别，能够大幅提高小信号测量能力。
[0046]在一较佳实施方式中，点频本振7的本振频率范围Fuj符合如下要求:
[0047]FLQ=2*n*YT0 ；
[0048]其中η为扩频模块的谐波混频次数，YTO为HG(钇铁石榴石)振荡器输出频率。
[0049]在一较佳实施方式中，中频输出范围Fif=本振频率范围Fur输入信号频率范围Fkf，或中频输出范围Fif=输入信号频率范围Fkf-本振频率范围FM。
[0050] 在一较佳实施方式中，中频输出范围Fif在频谱分析仪主机预选器覆盖频段内。
[0051]在一较佳实施方式中，该HG (钇铁石榴石)振荡器输出频率3.1~9.9GHz，步进值为 200MHz。
[0052]在一较佳实施方式中，中频输出范围Fif=输入信号频率范围FRF-本振频率范围Flo。
[0053]在一较佳实施方式中，中频输出范围Fif在4~26.5GHz之间。
[0054]如图2所示，本发明还公开了一种采用上述装置对频谱分析仪进行扩频的方法，包括如下步骤:
[0055]步骤一，将扩频装置与频谱分析仪主机进行如下连接:频谱分析仪主机连接到扩频装置中的第一波导开关2、第二波导开关3、点频本振7和中频滤波放大器8 ；
[0056]步骤二，向波导转接器输入信号，信号经波导转接器进入第一波导开关；
[0057]步骤三，根据频谱分析仪主机设置的状态参数，配置扩频装置中的波导开关状态，使信号经过不同的滤波器，处于不同的工作频段。以3mm频段75GHz~IlOGHz为例，分为四个波段:75~80GHz，80~92.5GHz，利用波导开关走低通滤波器通路，镜像抑制点是99.2~115.2GHz ；92.5~104GHz，104~110GHz，利用波导开关走高通滤波器通路，镜像抑制点是68~84.8GHz，详细设置参数见表1。
[0058]表15mm、3mm频段扩频装置本振及开关控制算法
[0059]单位:GHz
【权利要求】
1.一种实现频谱分析仪扩频功能的装置，其特征在于，包括:波导转接器(I)、第一波导开关(2)、第二波导开关(3)、高通滤波器(4)、低通滤波器(5)、基波混频器(6)、点频本振(7)和中频滤波放大器(8)，其中，所述波导转接器(I)与所述第一波导开关(2)连接，所述第一波导开关(2)分别与所述高通滤波器(4)、低通滤波器(5)的输入端连接，所述高通滤波器(4)、低通滤波器(5)的输出端分别与所述第二波导开关(3)连接，所述第二波导开关(3)、基波混频器(6)和点频本振(7)顺次连接，所述基波混频器(6)与所述中频滤波放大器⑶连接。
2.如权利要求1所述的一种实现频谱分析仪扩频功能的装置，其特征在于，所述点频本振(7)的本振频率范围Fuj符合如下要求:Ρω=2*η*ΥΤ0，其中η为扩频模块的谐波混频次数，YTO为钇铁石榴石振荡器输出频率。
3.如权利要求2所述的一种实现谱分析仪扩频功能的装置，其特征在于，中频输出范围Fif=本振频率范围Fur输入信号频率范围Fkf，或中频输出范围Fif=输入信号频率范围Fef-本振频率范围FM。
4.如权利要求3所述的一种实现谱分析仪扩频功能的装置，其特征在于，所述中频输出范围Fif在频谱分析仪主机预选器覆盖频段内。
5.一种实现谱分析仪扩频功能的方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤一，将扩频装置与频谱分析仪主机进行如下连接:频谱分析仪主机连接到扩频装置中的第一波导开关、第二波导开关、点频本振和中频滤波放大器； 步骤二，向波导转接器输入信号，信号经波导转接器进入第一波导开关； 步骤三，根据频谱分析仪主机设置的状态参数，配置扩频装置中的波导开关状态，使信号经过不同的滤波器，处于不同的工作频段； 步骤四，将经过低通滤波和高通滤波后的信号经第二波导开关后合成一路，送入基波混频器与点频本振混频； 步骤五，采用中频滤波放大器补偿混频器的变频损耗，提高进入主机信号的幅度； 步骤六，将中频信号送入频谱分析仪主机的射频输入端口，实现主机中的预选器的复用，滤除镜像信号，并进入主机变频接收处理通路。
6.如权利要求5所述的一种实现频谱分析仪扩频功能的方法，其特征在于，根据扩频装置的中频频率范围Fif在频谱分析仪主机预选器覆盖频率范围内，根据基波混频计算公式依次配置点频本振频率范围Fm和滤波器抑制区间，综合实现镜频抑制与扩频功能。
7.如权利要求6所述的一种实现谱分析仪扩频功能的方法，其特征在于，根据扩频装置输入信号频率范围、点频本振频率范围Fuj和中频频率范围Fif的配置，综合协调对扩频装置覆盖区域进行波段划分。
8.如权利要求7所述的一种实现谱分析仪扩频功能的方法，其特征在于，低频段利用变频公式:输入信号频率范围Fkf-本振频率范围Fuj，配合波导器件的高通特性及低通滤波器组合实现镜频信号抑制。
9.如权利要求9所述的一种实现谱分析仪扩频功能的方法，其特征在于，高频段利用变频公式:本振频率范围Fur输入信号频率范围Fkf，配合高通滤波器，实现镜频信号抑制。
【文档编号】G01R23/16GK103607215SQ201310603251
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月13日 优先权日:2013年11月13日
【发明者】杜以涛, 许建华, 杜会文, 崔素玲, 周钦山, 郭小文, 闫亚力 申请人:中国电子科技集团公司第四十一研究所