寬頻帶信號分析的帶通採樣結構的製作方法
2023-09-22 20:58:40 2
專利名稱：寬頻帶信號分析的帶通採樣結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及電子測試及測量領域，尤其涉及分析寬帶電信號頻譜的帶通採樣技術。
現有的信號處理及分析系統例如頻譜分析儀通常採用多個頻率轉換級，將有益的信號頻帶在被模數轉換器(「ADC」)數位化以進一步處理和顯示之前轉換為低通濾波的基帶信號。該結構方案將正在測量的信號頻率放在模數轉換器的第一奈奎斯特頻帶內以防止頻帶外的信號混雜到頻率分析帶中。
例如，名稱為「電信號的頻譜分析設備」的US專利No.4,257,104描述了一種全特徵的譜分析儀系統，該系統在模數轉換器之前採用多個降頻轉換器、中頻(「IF」)放大器、檢測器和視頻處理器。更簡單的結構方案在以下專利中有所描述US專利No.4,607,215「譜分析儀」，4,890,099「具有局部滾動功能的顯示屏的信號分析儀」，4,839,582「具有自動頻率測量功能的信號分析設備」，以及5,038,096「脈衝輸入信號的譜分析電路」。但是，所有這些結構方案都描述了在數位化之前的信號降頻轉換、中頻放大、濾波以及頻率的基帶檢測，用於隨後的信號處理和分析。
在另一個例子中，轉讓給受讓人的US專利No.5,629,703「在模數轉換器系統中減小諧波失真的方法」描述了一種譜分析結構，該結構採用了降頻轉換到頻率的基帶中以及低通濾波，但在數位化之前沒有採用檢測。低通濾波將信號分析帶寬限制到相對嚴密的9MHz。
上述信號測量系統不僅複雜、成本高，而且需要寬的本機振蕩(「LO」)調諧或擺動範圍以實現有效寬的信號分析帶寬。這種信號測量系統還需要模數轉換器具有相對較高的採樣頻率以實現在第一奈奎斯特帶內沒有混雜信號的信號的數位化。
所以，需要一種電信號分析結構，該結構複雜性和成本降低，同時獲得具有相對窄的LO調諧範圍和相對低模數轉換器採樣頻率的寬信號分析帶寬。
所以，本發明的目的是提供一種分析電信號的設備和方法。
本發明的另一個目的是提供一種比現有結構更簡單、成本更低廉的譜分析儀結構。
本發明的再一個目的是提供一種具有寬信號分析帶寬同時需要相對窄的本機振蕩調諧範圍和相對低的模數轉換器採樣速率的譜分析儀。
本發明的帶通採樣信號處理和分析結構採用由頻率可調的LO驅動的常規混頻器將信號頻帶升頻轉換到信號頻帶以上的中頻頻帶。中頻頻帶通過中頻帶通濾波器，為隨後的數位化級提供中頻帶通範圍的信號頻率成分。在該結構中，中頻帶通濾波器充當數位化級的抗混雜濾波器。選擇LO頻率將升頻轉換的信號頻率帶放在中頻帶通濾波器的通帶內。以與中頻帶寬相稱但通常遠低於中頻帶通中心頻率的速率採樣和數位化所得的中頻帶通信號。通過採樣保持和跟蹤保持電路執行信號採樣，電路的輸出加到時鐘頻率與採樣電路採樣速率相同的模數轉換器上。
本發明的帶通採樣結構的優點在於，它與現有的降頻轉換和基帶採樣結構相比更簡單，成本更低廉。
本發明的帶通採樣結構的優點還在於，信號頻率帶的升頻轉換提供了寬信號分析帶寬而僅需要相對窄(從百分比上看)的LO調諧範圍(通常小於一個倍頻程)。
本發明的帶通採樣結構的優點還在於，在數位化之前對中頻帶通信號的採樣允許使用採樣速率遠低於在第一奈奎斯特帶內沒有混雜地採樣所需的採樣速率的模數轉換速器。
本發明的這些和其他的目的、優點及特徵將通過結合附圖對本發明的最佳實施例的描述而得到進一步說明。在這些附圖中
圖1是本發明用於實現帶通採樣信號處理和分析系統的部件連接結構的電框圖。
圖2是在圖1系統中使用的最佳信號採樣電路的簡化示意電路圖。
圖1示出了本發明的帶通採樣系統10，在該系統中，3.5GHz低通濾波器12接收範圍具有從約0Hz到約3GHz的頻率成分的輸入信號並將濾波後的信號傳遞到混頻器14。LO16向混頻器14提供可調的或可在約3.5GHz到約6.5GHz範圍擺動的LO信號，以將輸入信號頻率成分升頻轉換到以約3.525GHz為中心的中頻頻帶。具有約50MHz帶寬的3.525GHz中頻帶通濾波器18為快速採樣電路20提供50MHz中頻帶通範圍的輸入信號頻率成分。以約100MHz振蕩的時鐘22為快速採樣電路20提供採樣脈衝，快速採樣電路20以每秒100兆次採樣(「Msps」)的速率對50MHz中頻帶通範圍的輸入信號頻率成分實現跟蹤保持採樣。模數轉換器24也從時鐘22接收100MHz的採樣脈衝，以將快速採樣電路20提供的每個信號採樣數位化。根據需要，對模數轉換器24輸出的數字進行常規處理、分析和顯示，以適應不同的應用。
除非中頻帶通濾波器18的中心頻率選擇得當，否則，如果採樣頻率的任何諧波落在中頻帶通濾波器18的通帶之內，就可能出現輸入信號頻率成分的負、正頻率成分重疊混雜。例如，如果通帶以3.50GHz為中心，這種情況就可能出現。一個解決方案是使中頻通帶的中心偏移四分之一採樣頻率，對於上述最佳實施例來說是在3.525GHz。另一種解決方案是在混頻器14上或在中頻帶通濾波器18之後提供正交信道。
在帶通採樣系統10中，50MHz帶寬的中頻帶通濾波器18充當100Msps快速採樣電路20和模數轉換器24的抗混雜濾波器。對中頻帶通範圍的輸入信號頻率成分進行採樣和數位化的速率至少兩倍於50MHz中頻帶寬，但遠低於3.525GHz中頻帶通中心頻率。這種方案將有益信號放在模數轉換器24的第一奈奎斯特頻帶內，防止頻帶外信號混雜到分析頻帶中。
帶通採樣系統10的正常運行取決於快速採樣電路20，其具有相應窄的樣本採集時間和適當寬的帶寬的跟蹤保持或採樣保持電路。合適的採樣電路可以基於轉讓給本申請受讓人的US專利No.5,225,776「探測和採樣電信號的方法和設備」中所描述的電路。當然，根據具體應用，其他很多採樣電路的實施例也是合適的。
圖2示出了快速採樣電路20的最佳跟蹤保持實施例，其中，射極跟隨器緩衝電晶體30接收50歐姆終端32兩端的50MHz中頻帶寬範圍的輸入信號頻率成分。緩衝後的中頻帶通信號出現在緩衝電晶體30的發射極，被電流源34下拉並通過二極體接法的電晶體36耦合，二極體接法的電晶體36接收與電壓源VCC相連接的電阻器38所產生的偏置電流。電阻器38和電晶體36的基極和集電極形成的節點與電晶體40的發射極相連接，其集電極連接偏置電壓例如VCC，其基極與採樣電路20的採樣信號輸出相耦合。在跟蹤模式下，電晶體40被電晶體38和二極體接法的電晶體36的接點上形成的電壓截止。緩衝後的中頻帶通信號通過二極體接法的電晶體36耦合到射極跟隨器電晶體42的基極。最後得到的中頻帶通信號通過電阻器44耦合併存儲在電容器46上。電阻器44和電容器46形成低通濾波器，減小了快速採樣電路20的噪聲帶寬，改善了其線性度。
為了從跟蹤模式切換到保持模式，快速採樣電路20採用差動電晶體對48和50，它們的發射極電連接在一起，連接到電流源52。電晶體48的集電極與由電晶體36、40、電阻器38和射極跟隨器42所形成的接點電連接。
在跟蹤模式下，加到電晶體50基極上的V_跟蹤信號的電勢比加到電晶體48基極上的V_保持信號的電勢高，電晶體50導通，電晶體48截止，從而使電流從地流過電晶體42和50，流入電流源52。中頻帶通信號通過射極跟隨器緩衝電晶體30、二極體接法的電晶體36、射極跟隨器電晶體42、電阻器44，被跟蹤並存儲在電容器46上。包括射極跟隨器電晶體54、56和差動接法電晶體58、60的非反相緩衝放大器接收保持在電容器46上的採樣信號電壓，在電晶體56的發射極產生其緩衝形式。電晶體54、45、58和60通過相關聯的電流源62、64和66被偏置。
電晶體56和40的基極電壓電勢與保持在電容器46上的採樣信號電壓電勢相同。所以，建立在電晶體40發射極的箝位電壓跟蹤輸入信號電壓。這對改善採樣電路20的增益從屬(gain-dependent)線性度和動態範圍是重要的。
在保持模式下，加到電晶體50基極上的V_跟蹤信號電勢低於加到電晶體48基極上的V_保持信號電勢，電晶體48導通，電晶體50截止，從而使電流停止流過電晶體42、50，射極跟隨器電晶體42截止。因為電晶體48導通，電流從VCC經電晶體40和48流入電流源52。如上所述，電晶體40的發射極被箝位在0.7V，低於存儲在電容器46上的電壓，從而使二極體接法電晶體36和射極跟隨器電晶體42反向偏置。在保持模式期間存儲在電容器46上的瞬時中頻帶通信號電壓是可在電晶體56的發射極獲得的，通過模數轉換器24被數位化。
快速採樣電路20最好利用高頻模擬集成電路製造工藝來完成，例如Vermont的IBM、Essex Junction公司在商業上利用的矽/鍺工藝。
本發明的帶通採樣結構是有利的，因為與現有的降頻變換到基帶採樣結構相比，它本身不複雜且成本低；信號頻帶的升頻變換提供了一種寬信號分析帶寬而僅需要通常少於一個倍頻程的相對窄的(從百分比上看)低調諧範圍；以及在數位化之前採樣中頻帶通信號允許使用採樣速率遠低於通常在第一奈奎斯特頻帶內無混雜採樣所需採樣速率的模數轉換器。
本發明尤其適用於通信信號頻率在約1MHz到約2500MHz範圍的信號處理、分析和顯示。
技術人員認識到，本發明的各部分可以採用不同於上述最佳實施例的方式來實現。例如，各種頻率、帶寬和採樣頻率可以不同於以上描述，為了適應特殊應用，可以將各种放大器、濾波器、LO和混頻器加到到系統10中去。同樣，降頻轉換到頻率的非基帶範圍也認為是本發明範圍內的。
雖然本發明的優選實施例已經進行了表示和說明，但是，應當知道，本領域的技術人員可以在不背離本發明的精神的條件下進行變化和變型。因此，本發明也適用於除頻譜分析儀中所發現的應用以外的信號處理和分析應用。本發明的範圍由權利要求書限定。
權利要求
1.一種使電輸入信號譜數位化的方法，包括接收具有基頻範圍的頻率成分的輸入信號；將基頻範圍的頻率成分轉換為中頻範圍的頻率成分；對中頻範圍的頻率成分進行帶通濾波以產生帶通範圍的頻率成分；以及採樣和數位化帶通範圍的頻率成分。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，轉換步驟包括提供具有在頻率的混頻範圍內頻率可調的本機振蕩信號，並將輸入信號與本機振蕩信號混頻。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，頻率的混頻範圍跨度小於一個倍頻程。
4.根據權利要求2所述的方法，其中，頻率的混頻範圍跨度從約3.5GHz到約6.5GHz。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，轉換步驟為升頻轉換步驟。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，頻率成分的基頻範圍跨度從約0GHz到約3.5GHz，中頻範圍的頻率成分的頻率都高於3.5GHz。
7.根據權利要求1所述的方法，其中，頻率成分的帶通範圍在使帶通範圍的頻率成分數位化的模數轉換器的第一奈奎斯特頻帶內。
8.根據權利要求1所述的方法，還包括在轉換步驟之前對輸入信號低通濾波。
9.根據權利要求1所述的方法，其中，採樣和數位化中至少有一項是以比中頻範圍頻率成分的帶寬的約兩倍還大的頻率執行的。
10.根據權利要求1所述的方法，其中，採樣和數位化中至少有一項是以每秒約100兆次操作的速率執行的。
11.一種使電輸入信號頻譜數位化的設備，包括混頻器，接收具有基頻範圍的頻率成分的輸入信號，並將基頻範圍的頻率成分轉換為中頻範圍的頻率成分；帶通濾波器，對中頻範圍的頻率成分進行濾波以產生帶通範圍的頻率成分；採樣電路，對帶通範圍的頻率成分執行採樣保持或跟蹤保持操作；以及模數轉換器，使帶通範圍的頻率成分數位化。
12.根據權利要求11所述的設備，還包括產生具有在頻率的混頻範圍內可調頻率的本機振蕩信號的本機振蕩器，輸入信號和本機振蕩信號通過混頻器混合在一起。
13.根據權利要求12所述的設備，其中，頻率的混頻範圍變化小於約一個倍頻程。
14.根據權利要求12所述的設備，其中，頻率的混頻範圍跨度從約3.5GHz到約6.5GHz。
15.根據權利要求11所述的設備，其中，中頻範圍的頻率成分的頻率高於基頻範圍的頻率成分。
16.根據權利要求11所述的設備，頻率成分的基頻範圍跨度從約0GHz到約3.5GHz，中頻範圍的頻率成分在頻率上都高於約3.5GHz。
17.根據權利要求11所述的設備，其中，頻率成分的帶通範圍在使帶通範圍的頻率成分數位化的模數轉換器的第一奈奎斯特頻帶內。
18.根據權利要求11所述的設備，還包括將輸入信號頻率成分的範圍限制到小於頻率成分中頻範圍的低通濾波器。
19.根據權利要求11所述的設備，其中，採樣和數位化中至少有一項是以比頻率成分中頻範圍帶寬約兩倍的頻率大的速率執行的。
20.根據權利要求11所述的設備，其中，採樣和數位化中至少有一項是以每秒約100兆次操作的速率執行的。
全文摘要
本發明的帶通採樣系統採用由頻率可調LO驅動的常規混頻器將信號頻帶升頻轉換到中頻頻帶。中頻頻帶通過中頻帶通濾波器,提供到隨後的數位化級。在該結構中,中頻帶通濾波器充當數位化級的抗混雜濾波器。選擇LO頻率將升頻轉換的信號頻率帶放在中頻帶通濾波器的通帶內。以與中頻帶寬相稱但通常低於中頻帶通中心頻率的速率採樣和數位化所得的中頻帶通信號。電路的輸出加到時鐘頻率與採樣電路的採樣速率相同的模數轉換器上。
文檔編號G01R23/16GK1271101SQ0010686
公開日2000年10月25日 申請日期2000年4月20日 優先權日1999年4月21日
發明者S·P·亞基姆, M·K·拉維爾, S·H·佩珀 申請人:特克特朗尼克公司