专利名称：单边带基带转换器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及射电望远镜全息测量系统，更具体地涉及一种用于该全息测量系统的单边带基带转换器。
背景技术：
目前，现有的射电望远镜全息测量系统，例如佘山25米射电望远镜全息测量系统，主要采用鑫诺1号12. 26GHz信标作为信号源，用到的设备有测试天线(25m)，参考天线(1.8米)，两部卫星接收机，两通道相关机。该全息测量系统的各个部分在测量过程中的连接见图1。测试天线和参考天线所组成的双通道接收系统，两个接收通道完全一样(除了天线不一样)，天线接收Ku波段(12. 2GHz 12. 75GHz)微波信号，输入到中心筒，中心筒主要由LNB(L0W Noise Block，低噪声放大器模块)组成，实现对Ku波段信号65dB的放大，此外还对信号进了滤波和混频处理，混频后的输出的中频信号频率范围为900MHz 1450MHz，混频使用的本振信号是由IOMHz作为参考的锁相本振源(PLO)提供的，频率为 11. 3GHz。中心筒安装于天线上，最后输出的中频信号(900MHz 1450MHz)通过远距离传输，送到位于机房的基带转换器。基带转换器主要实现二次变频、增益调整和滤波，二次变频是通过综合器(或叫合成器)提供不同的本振信号与900MHz 1450MHz进行混频，就可以把其中任意的20MHz频带搬移到DC(即直流0频) 20MHz。增益调整通过程控可变衰减器来实现。滤波器实现输入基带的范围为DC 20MHz。最后基带输出的信号同时输给相关机，相关机实现信号的数字化和互相关、自相关处理，解算出两个通道信号的幅度和相位差。由图1可以看出参考天线和主天线(测试天线)的接收信号经过两次混频后得到 0-20MHZ的中频信号，并且同时进入了相关机，在该相关机中实时处理数据，最终以一秒间隔扇出数据。相关机主要实现如图2所示的功能两个通道的中频信号分别经过40MHz抽样量化，然后进行4096个点的离散快速傅立叶变换(DFFT)，再交叉相乘，得到自相关和互相关的实部和虚部(Re，Im)，由此获得0 20MHz全部的基带信号的幅度和相位Amp = VRe2+ Im2 ；Phase = arctan(—)；
Re由于从相关机实时处理输出的数据量很大(包括测试天线的自相关相位和幅度， 参考天线的自相关相位和幅度，测试天线和参考天线的互相关相位和幅度)。整个相关机的设计是在一块带有FPGA的PCI卡上实现，这里不再展开，详细的设计可以参考文献(王锦清等.微波全息测量中相关机的实现[C]，天文研究与技术，2010年第7卷第一期)。在测量过程中，主天线围绕信号源的方向以不同的角度对信号源进行网格式扫描，如图3所示NxN点的网格(扫描网格的多少与测量精度有关系)，而参考天线始终对着信号源。随着扫描角度的变化，测试天线与固定的参考天线就会产生相位差，收集在各个位置点上的相位和幅度信息(也就是获得了天线的远场“全息图”)，然后就可以通过公式推出主天线的表面形变。当然在实际的全息测量系统中在数据处理上要做大量的工作，可以概括为以下流程，如图4所示。相关后数据信息来自硬件相关机输出的互相关相位、幅度，以及两天线的自相关幅度信息。主天线指向数据，指主天线在围绕卫星做扫描时实时记录的时间、方位和俯仰信息，以及状态信息。通过以上两个数据，就可以把网格扫描状态时的互相关相位信息准确提取出来(这个信息就是主天线的远场信息)，这个时候也就可以给出数据质量评估的记录数据，在网格数据校准好以后，根据天线远场与口径场的数学关系，就可以通过二维逆傅里叶变换把天线的口径场信息从远场信息求解出来，这样就知道了口径面的形变情况 (在成图过程中就是面形梯度搜索、面形重构)。最后是统计信息和绘图输出。相关后数据信息由相关机送出，包含了双通道带内信号的幅度、相位、时间等信息，而主天线指向数据包含了天线的位置、时间、状态等信息，这两个文件通过时间信息可以联系起来。在该全息测量系统中，基带转换器需要实现500MHz 4000MHz到基带的单边带搬移功能，基带的起始频率为DC。基带的带宽、镜像抑制是最重要的指标。混频通过接入本振和射频信号可以实现频谱的搬移，把本振频率左右的信号搬移到基带去，位于本振上面信号叫做上边带信号，位于本振下面的叫做下边带信号。但是直接的混频会把本振的上下边带同时挪下来变成基带信号，而无法分辨是上边带还是下边带。通过特殊的处理可以实现上下边带的分离后从两个端口分别输出基带的上下边带信号，但是，由于器件等因素，两个边带的信号总是发生隔离不彻底的现象，换句话说就是上边带的信号漏到了下边带端口，变成了下边带的镜像信号；而下边带信号漏到了上边带端口变成了上边带的镜像信号，这个漏过去的信号越小越好，这就用镜像抑制能力来定量考核。现有基带转换器采用正交解调器和模拟移相电桥来实现，通常情况下，用这种方式设计出来的基带转换器很难兼顾基带的低频段(因为低频宽带电桥很难设计)、宽带特性(一般低频电桥很难做到20KHz 20MHz带宽)、很好的镜像抑制特性，以及低廉的价格。单边带基带转换器的常规设计如图5所示。图5中主要有正交解调器和中频电桥组成，整个过程就是为了实现单边带的混频，LO是本振信号，RF是射频信号，通过有关的数学分析可以知道，最后输出的G和H端分别输出Lo的上下边带信号，而且没有镜像频率成分。电桥主要实现信号的90度移相和功率合成，比如E点和F电的信号通过中频电桥后会在G点合成，合成过程中E的信号没有相移，而F点信号相移了 90度；同样H点也有合成后的信号，但是H点输出的信号是E点移相90度，而F点没有移相。前后省略了可调衰减器和放大器，因为这是采用商用元件实现的。G点和H点出来就是上、下单边带信号。但是通常G点和H点的起始频率很难达到DC，一般都是几十MHz。所有设计的难点就在中频电桥上，目前商用中频电桥尚没有可以达到50KHz起始频率，同时带宽达到20MHz的。而中频电桥的性能在很大程度上决定了最后基带的镜像抑制性能。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种能改善镜像抑制性能的单边带基带转换器。一种单边带基带转换器，包括正交解调器，包括射频信号输入端和本振信号输入端，以及两个输出端；中频电桥，包括两个输入端和两个输出端，所述两个输入端与所述正交解调器的两个输出端分别相连；所述单边带基带转换器进行单边带混频以使所述中频电桥的两个输出端分别输出所述本振信号的上、下边带信号。所述中频电桥包括移相部分和信号合成部分，所述移相部分用于使来自所述中频电桥的两个输入端的信号进行90度移相，所述信号合成部分用于使所述移相部分输出的信号进行合成。所述移相部分包括分别与所述中频电桥的两个输入端相连且由全通滤波器级联构成的两路移相电路。所述信号合成部分包括与所述两路移相电路的输出端相连的由运算放大器构成的加法器。所述信号合成部分还包括与所述两路移相电路的输出端相连的由运算放大器构成的减法器。本实用新型的单边带基带转换器与现有基带转换器相比在商用器件的基础上做了改进设计，可以实现十分接近DC(0频)的单边带信号(一般的商用单边带基带起始频率都从几十MHz起始)，实现相对十分宽的基带带宽(20MHz)，扩大了基带的可用范围。减轻了后面数字化地成本和设计难度(因为IOOMHz采样以内的数字系统很廉价)。
图1示出了现有全息测量系统的系统框图；图2示出了该全息测量系统中的相关机的原理图；图3示出了该全息测量系统中主天线的NxN点的网格式扫描图；图4示出了该全息测量系统中的数据处理流程图；图5示出了该全息测量系统中的基带转换器的示意图；图6示出了本实用新型单边带基带转换器中的单级全通滤波器的简易模型图；图7示出了图6所示模型中f改变时的单点频相位移动示意图；图8示出了运放加法运算示意图；图9示出了本实用新型的单边带基带转换器中的中频电桥的90度移相电路；图10示出了图9所示90度移相电路的仿真；图11示出了本实用新型的单边带基带转换器中的中频电桥的信号合成电路。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进行详细描述。本申请的单边带基带转换器的主要功能是实现500MHz 4000MHz到基带的单边带搬移功能，基带的起始频率为DC。本实用新型的单边带基带转换器与现有基带转换器的不同之处不仅在于中频电桥的设计，还采用了商用的IQ解调作为基带转换器的一部分，比现有的基带转换性能更优。[0035]本实用新型的单边带基带转换器中，中频电桥采用宽带运放组成的多级(10级) 全通滤波器来完成，合成则采用运放的加法和减法功能实现。中频电桥的功能与图5中标有箭头的射频电桥(位于正交解调器内部)一样，主要实现90度移相和加法的功能，比如G点的信号是E的信号与F点信号移相90度后相加结果；H点的信号是F点信号与E点信号移相90度后相加结果。单级全通滤波器可以实现单点频移相的功能，包括90度移相，但不能实现中频电桥所要求的宽带(0 20MHz)移相。单级全通滤波器的简易模型如图6所示。当Rl = RF时；可以得到输出电压和输入电压之比Au为 y 1- jmRCAu = ~l + j(aRC，因此Au的模为1，也就是没有增益特性；而相位为於=180°- 2arctg(J-)
JO其中/。=，因此，当f = fQ时，可以实现90度的相位移动，其中fQ是RC的谐
IkKL
振频率，f是进入系统的可用信号频率。而改变f就可以实现如图7所示的单点频相位移动。基于以上单级特性，由于fQ的确定是由RC决定的，因此，改变RC就可以实现不同 f0上的90度移相，如果把多级级联起来就可以实现宽带的移相。图9示出了本实用新型的单边带基带转换器中的中频电桥的90度移相电路。其中输入E和F为输入端口(分别对应图5中频电桥的E和F)，M和N为输出端口(其是信号合成部分的输入，见下文)，图中写出了各级RC产生的&。图10是对图9的移相电路的仿真，横坐标是频率，纵坐标是M和N的信号差，可以看到，在整个20MHz带宽内都具有90度的移相功能(在高频段和低频段效果略差)，这是实现良好的镜像抑制的关键指标。中频电桥除了移相，还要实现两路信号的合成，也就是两路信号的功率合成，而信号合成采用运放加法运算，如图8所示。本实用新型的中频电桥的信号合成电路具体见图 11所示，M和N是输入端口(也就是前面移相电路的输出口)，G和H是输出端口(也就是图5中的中频电桥输出口 )，分别输出上边带和下边带信号。图中G的输出是通过把运算放大器搭成加法器来实现的，而H的输出是通过把运算放大器搭成减法器来实现的。另外通过改变R38和R42还可以分别控制G和H输出的增益。下面是采用本实用新型基带转换器最后测量得到的一组镜像抑制性能表格
权利要求1.一种单边带基带转换器，其特征在于，包括正交解调器，包括射频信号输入端和本振信号输入端，以及两个输出端；中频电桥，包括两个输入端和两个输出端，所述两个输入端与所述正交解调器的两个输出端分别相连。
2.如权利要求1所述的单边带基带转换器，其特征在于，所述中频电桥包括移相部分和信号合成部分，所述移相部分用于使来自所述中频电桥的两个输入端的信号进行90度移相，所述信号合成部分用于使所述移相部分输出的信号进行合成。
3.如权利要求2所述的单边带基带转换器，其特征在于，所述移相部分包括分别与所述中频电桥的两个输入端相连且由全通滤波器级联构成的两路移相电路。
4.如权利要求3所述的单边带基带转换器，其特征在于，所述信号合成部分包括与所述两路移相电路的输出端相连的由运算放大器构成的加法器。
5.如权利要求4所述的单边带基带转换器，其特征在于，所述信号合成部分还包括与所述两路移相电路的输出端相连的由运算放大器构成的减法器。
专利摘要本实用新型提供了一种单边带基带转换器，包括正交解调器，包括射频信号输入端和本振信号输入端，以及两个输出端；中频电桥，包括两个输入端和两个输出端，所述两个输入端与所述正交解调器的两个输出端分别相连；所述单边带基带转换器进行单边带混频以使所述中频电桥的两个输出端分别输出所述本振信号的上、下边带信号。与现有基带转换器相比在商用器件的基础上做了改进设计，可以实现十分接近DC(0频)的单边带信号(一般的商用单边带基带起始频率都从几十MHz起始)，实现相对十分宽的基带带宽(20MHz)，扩大了基带的可用范围。减轻了后面数字化地成本和设计难度。
文档编号H03D7/18GK202210799SQ20112016035
公开日2012年5月2日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者梁世光, 江永琛, 洪晓瑜, 王锦清, 范庆元, 虞林峰, 韦文仁 申请人:中国科学院上海天文台