一種提高寬帶信號分析儀器靈敏度和動態範圍的裝置及方法
2023-05-19 07:53:01
一種提高寬帶信號分析儀器靈敏度和動態範圍的裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種提高寬帶信號分析儀器靈敏度和動態範圍的裝置及方法，其中的裝置，不僅包括程控步進衰減器、高低波段開關、低波段混頻通路、高波段混頻通路、中頻處理電路、採集處理電路與控制模塊，還包括寬帶放大器、校準模塊、同軸開關組件、可變增益控制電路與增益預檢測電路。本發明能夠根據被測信號幅度對寬帶信號分析儀器接收處理通路特性的不同要求，設計了專門的高靈敏度和大動態範圍通路，實現了儀器靈敏度、動態範圍以及壓縮、失真等性能指標的最佳化；另外，設計了通路自動增益檢測和控制的方法，實現了被測信號的自動測量，可以進一步自動優化靈敏度和動態範圍，減小測試誤差。
【專利說明】一種提高寬帶信號分析儀器靈敏度和動態範圍的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種提高寬帶信號分析儀器靈敏度和動態範圍的裝置，以及一種提高寬帶信號分析儀器靈敏度和動態範圍的方法。
【背景技術】
[0002]為了得到高的靈敏度，寬帶信號分析儀器接收通路噪聲係數應該儘可能小；為了實現足夠大的動態範圍，寬帶信號分析儀器接收通路除了噪聲係數小外，還應具有足夠高的增益壓縮點和失真截獲點等，儘量避免產生壓縮和失真。
[0003]在寬帶信號分析儀器中，靈敏度和動態範圍是非常重要的指標。靈敏度反映了儀器可測量低電平信號的能力；動態範圍則體現了儀器測量同時存在的兩個信號幅度差的能力。為了得到優異的測量靈敏度，傳統信號分析儀器通常在接收前端通加入低噪聲放大器；但是加入低噪聲放大器卻使儀器測量大幅度信號的能力變差，即動態範圍指標會受一定影響。
[0004]傳統寬帶信號分析儀器接收處理通路中，通常包括程控步進衰減器、高低波段開關、低波段混頻通路、高波段混頻通路、中頻處理電路、採集處理電路以及控制模塊等功能單元,原理如圖1所示。
[0005]其中:
[0006]程控步進衰減器實現輸入埠的阻抗匹配和對輸入信號的幅度調整，通常可實現2dB步進(或5dB步進)的、最大超過60dB的衰減控制。
[0007]高低波段開關實現高低頻段信號的通路選擇。
[0008]低波段混頻通路實現低頻段信號的濾波和混頻，將低波段信號變為中頻信號。
[0009]高波段混頻通路實現高頻段信號的濾波和混頻，將高波段信號變為中頻信號。
[0010]中頻處理電路實現中頻信號的濾波、放大和增益補償等。
[0011]採集處理電路實現信號的採集和數位化處理。
[0012]控制模塊實現信號軌跡的處理、送顯以及整機的控制等。
[0013]按照該種方案設計的寬頻帶信號分析儀器的最優靈敏度通常約為_150dBm (儀器解析度帶寬為IHz)，最大動態範圍通常約為llOdB。
[0014]為了改善儀器的靈敏度，可以在上述接收通路中增加開關放大器，原理如附圖2所示。開關放大器有兩種工作模式:放大模式和直通模式。當工作於放大模式時，由於通路中增加了低噪聲前置放大器，接收通路的噪聲係數明顯降低，因此整機的靈敏度有顯著改善，最優可超過_165dBm (儀器解析度帶寬為IHz);但是，此時整機測量幅度較大信號的能力就會下降，會產生壓縮和失真，因此，動態範圍指標受到影響。當工作於直通模式時，由於電子開關的存在，通常此時通路會引入3-7dB的插損，靈敏度指標和動態範圍指標都會受到惡化。
[0015]另外，上述傳統方案中，高低波段開關也會給通路帶來約3_7dB的差損，對整機的靈敏度和動態範圍也造成了一定的影響。
[0016]現有技術存在的不足包括:
[0017]I)目前寬帶信號分析儀器普遍採用的接收通路方案不能同時保證高靈敏度和大動態範圍指標的實現。
[0018]2)通路增加開關放大器後，不能根據被測信號幅度的大小自動選擇通路模式，容易帶來測試誤差，比如存在大幅度信號時選擇放大模式，則會帶來壓縮和失真；信號幅度較小時選擇直通模式，會使信號淹沒在噪聲中。
【發明內容】
[0019]針對上述缺點，本發明的任務在於提供一種提高寬帶信號分析儀器靈敏度和動態範圍的裝置，以及一種提高寬帶信號分析儀器靈敏度和動態範圍的方法。
[0020]其技術解決方案是:
[0021]一種提高寬帶信號分析儀器靈敏度和動態範圍的裝置，包括:
[0022]程控步進衰減器，用於實現輸入埠的阻抗匹配和對輸入信號的幅度調整；
[0023]高低波段開關，用於實現高低頻段信號的通路選擇；
[0024]低波段混頻通路，用於實現低頻段信號的濾波和混頻，將低波段信號變為中頻信號;
[0025]高波段混頻通路，用於實現高頻段信號的濾波和混頻，將高波段信號變為中頻信號;
[0026]中頻處理電路，用於實現中頻信號的濾波、放大和增益補償；
[0027]採集處理電路，用於實現信號的採集和數位化處理；
[0028]控制模塊，用於實現信號軌跡的處理、送顯以及整機的控制；
[0029]還包括:
[0030]寬帶放大器，用於完成寬帶信號的放大；
[0031]校準模塊，用於提供校準信號，完成對高靈敏度通路和大動態範圍通路的幅度校準，提高測量幅度的準確性和一致性；
[0032]同軸開關組件，用於完成高靈敏度通路和大動態範圍通路的選擇；
[0033]可變增益控制電路，用於完成通路信號的增益調整；
[0034]增益預檢測電路，用於完成通路信號增益的檢波和幅度檢測。
[0035]上述程控步進衰減器，一是依次通過同軸開關組件、低波段混頻通路接入中頻處理電路，二是依次通過同軸開關組件、高波段混頻通路接入中頻處理電路；上述校準模塊接入程控步進衰減器，寬帶放大器與高低波段開關依次串接後接入同軸開關組件；上述中頻處理電路、可變增益控制電路、採集處理電路與控制模塊依次串接，增益預檢測電路並聯在由可變增益控制電路、採集處理電路與控制模塊組成的串聯通路上；上述控制模塊分別通過信號線路連接校準模塊、可變增益控制電路、同軸開關組件與程控步進衰減器。
[0036]上述同軸開關組件為機械開關。
[0037]—種提高寬帶信號分析儀器靈敏度和動態範圍的方法，包括提供上述提高寬帶信號分析儀器靈敏度和動態範圍的裝置，還有如下步驟:
[0038]步驟1:控制模塊根據用戶設置的狀態或程序默認的初始設置狀態對通道狀態進行設置；
[0039]步驟2:增益預檢測電路對通路信號增益進行預先檢測，將檢測結果送到控制模塊，控制模塊根據預先設置好的判定算法進行判定:如果檢測信號幅度小於設定的閾值，則設置通路中的各部件或模塊工作在高靈敏度模式；如果檢測信號幅度大於等於設定的閾值，則設置通路中的各部件或模塊工作在大動態能範圍模式；
[0040]步驟3:在高靈敏度模式時，輸入信號經程控步進衰減器、同軸開關組件、寬帶放大器、高低波段開關後，再進入低波段混頻通路或高波段混頻通路，然後經中頻處理電路、可變增益控制電路、採集處理電路和12控制模塊，完成被測信號的處理和測試；
[0041]步驟4:在大動態範圍模式時，輸入信號經程控步進衰減器、同軸開關組件直接進入低波段混頻通路或高波段混頻通路，然後經中頻處理電路、可變增益控制電路、採集處理電路和12控制模塊，完成被測信號的處理和測試；
[0042]步驟5:如果被測信號幅度發生變化，根據增益預檢測電路的檢測值，達到設定的幅度閾值，則控制模塊自動進行高靈度模式和大動態範圍模式的切換；
[0043]步驟6:根據測試信號的幅度，可以自動選擇程控步進衰減器的衰減量和可變增益控制電路的放大量，以進一步優化靈敏度和動態範圍；程控步進衰減器可以選擇直通或者衰減，其中最小衰減量為2dB，最大衰減量可超過60dB，衰減步進量為2dB ;可變增益控制電路可實現總量超過50dB、ldB步進的增益調整；
[0044]步驟7:當用戶執行通路校準時，通路會切換校準模塊輸出的校準信號，對高靈敏度以及大動態範圍通路進行幅度定標和校準。
[0045]本發明具有以下有益技術效果:
[0046]本發明能夠根據被測信號幅度對寬帶信號分析儀器接收處理通路特性的不同要求，設計了專門的高靈敏度和大動態範圍通路，實現了儀器靈敏度、動態範圍以及壓縮、失真等性能指標的最佳化。另外，設計了通路自動增益檢測和控制的方法，實現了被測信號的自動測量，可以進一步自動優化靈敏度和動態範圍，減小測試誤差。
[0047]本發明可以保證寬頻帶信號分析儀器同時具有優異的靈敏度和動態範圍，並且可以根據被測信號自動進行通路設置，使測量結果達到最優。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0048]下面結合附圖與【具體實施方式】對本發明作更進一步的說明:
[0049]圖1為現有一種寬帶信號分析儀器靈敏度和動態範圍的裝置的原理示意圖。
[0050]圖2為現有另一種寬帶信號分析儀器靈敏度和動態範圍的裝置的原理示意圖。
[0051]圖3為本發明中提高寬帶信號分析儀器靈敏度和動態範圍的裝置一種實施方式的原理示意圖。
【具體實施方式】
[0052]結合圖3，一種提高寬帶信號分析儀器靈敏度和動態範圍的裝置，包括:
[0053]程控步進衰減器2，用於實現輸入埠的阻抗匹配和對輸入信號的幅度調整。
[0054]高低波段開關4，用於實現高低頻段信號的通路選擇。
[0055]低波段混頻通路6，用於實現低頻段信號的濾波和混頻，將低波段信號變為中頻信號。
[0056]高波段混頻通路7，用於實現高頻段信號的濾波和混頻，將高波段信號變為中頻信號。
[0057]中頻處理電路8，用於實現中頻信號的濾波、放大和增益補償。
[0058]採集處理電路10，用於實現信號的採集和數位化處理。
[0059]控制模塊12，用於實現信號軌跡的處理、送顯以及整機的控制。
[0060]寬帶放大器3，用於完成寬帶信號的放大。將現有寬帶信號分析儀器靈敏度和動態範圍的裝置中開關寬帶放大器改進為寬帶放大器，即將開關寬帶放大器中的旁路電子開關去掉，只保留放大狀態，這樣噪聲係數會減小3dB-7dB，因此靈敏度會有進一步提高。
[0061]校準模塊1，用於提供校準信號，完成對高靈敏度通路和大動態範圍通路的幅度校準，提高測量幅度的準確性和一致性。
[0062]同軸開關組件5,用於完成聞靈敏度通路和大動態範圍通路的選擇。聞靈敏度通路時輸入信號經同軸開關組件、寬帶放大器、高低波段開關後，再進入低波段混頻通路或高波段混頻通路；大動態範圍通路時輸入信號經同軸開關組件直接進入低波段混頻通路或高波段混頻通路。同軸開關組件為機械開關，相對於電子開關，機械開關插損小，隔離度高。
[0063]可變增益控制電路9，用於完成通路信號的增益調整，除了進一步優化靈敏度和動態範圍外，還使信號進入採集處理電路時具有最佳的電平，保證測量的準確度。
[0064]增益預檢測電路11，用於完成通路信號增益的檢波和幅度檢測。
[0065]上述程控步進衰減器，一是依次通過同軸開關組件、低波段混頻通路接入中頻處理電路，二是依次通過同軸開關組件、高波段混頻通路接入中頻處理電路；上述校準模塊接入程控步進衰減器，寬帶放大器與高低波段開關依次串接後接入同軸開關組件；上述中頻處理電路、可變增益控制電路、採集處理電路與控制模塊依次串接，增益預檢測電路並聯在由可變增益控制電路、採集處理電路與控制模塊組成的串聯通路上；上述控制模塊分別通過信號線路連接校準模塊、可變增益控制電路、同軸開關組件與程控步進衰減器。
[0066]一種提高寬帶信號分析儀器靈敏度和動態範圍的方法，包括提供上述提高寬帶信號分析儀器靈敏度和動態範圍的裝置，還有如下步驟:
[0067]步驟1:控制模塊根據用戶設置的狀態或程序默認的初始設置狀態對通道狀態進行設置。
[0068]步驟2:增益預檢測電路對通路信號增益進行預先檢測，將檢測結果送到控制模塊，控制模塊根據預先設置好的判定算法進行判定:如果檢測信號幅度小於設定的閾值(t匕如_30dBm)，則設置通路中的各模塊工作在高靈敏度模式；如果檢測信號幅度大於等於設定的閾值，則設置通路中的各模塊工作在大動態能範圍模式。
[0069]步驟3:在高靈度模式時，輸入信號經程控步進衰減器、同軸開關組件、寬帶放大器、高低波段開關後，再進入低波段混頻通路或高波段混頻通路，然後經中頻處理電路、可變增益控制電路、採集處理電路和控制模塊，完成被測信號的處理和測試。
[0070]步驟4:在大動態範圍模式時，輸入信號經程控步進衰減器、同軸開關組件直接進入低波段混頻通路或高波段混頻通路，然後經中頻處理電路、可變增益控制電路、採集處理電路和控制模塊，完成被測信號的處理和測試。
[0071]步驟5:如果被測信號幅度發生變化，根據增益預檢測電路的檢測值，達到設定的幅度閾值，則控制模塊自動進行高靈度模式和大動態範圍模式的切換。
[0072]步驟6:根據測試信號的幅度，可以自動選擇程控步進衰減器的衰減量和可變增益控制電路的放大量，以進一步優化靈敏度和動態範圍。程控步進衰減器可以選擇直通或者衰減，其中最小衰減量為2dB，最大衰減量可超過60dB，衰減步進量為2dB。可變增益控制電路可實現總量超過50dB、ldB步進的增益調整。
[0073]步驟7:當用戶執行通路校準時，通路會切換I校準模塊輸出的校準信號，對高靈敏度以及大動態範圍通路進行幅度定標和校準。
[0074]在寬帶微波毫米波波段，與圖1所示的方案相比，本發明靈敏度可以提高約20dB，動態範圍提高約3-6dB (依據頻段)；與附圖2所示的方案相比，本發明靈敏度可以提高約3dB，動態範圍提高約5-15dB (依據頻段)。另外本方案增加了可變增益自動控制和自動檢測功能，可根據被測信號進一步自動優化靈敏度和動態範圍。
[0075]上述方式中未述及的有關技術內容採取或借鑑已有技術即可實現。
[0076]本發明中的提高寬帶信號分析儀器靈敏度和動態範圍的裝置適用於寬帶信號分析儀器接收處理通路(電路)。
[0077]需要說明的是，在本說明書的教導下本領域技術人員還可以作出這樣或那樣的容易變化方式，諸如等同方式，或明顯變形方式。上述的變化方式均應在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種提高寬帶信號分析儀器靈敏度和動態範圍的裝置，包括: 程控步進衰減器，用於實現輸入埠的阻抗匹配和對輸入信號的幅度調整； 高低波段開關，用於實現高低頻段信號的通路選擇； 低波段混頻通路，用於實現低頻段信號的濾波和混頻，將低波段信號變為中頻信號； 高波段混頻通路，用於實現高頻段信號的濾波和混頻，將高波段信號變為中頻信號； 中頻處理電路，用於實現中頻信號的濾波、放大和增益補償； 採集處理電路，用於實現信號的採集和數位化處理； 控制模塊，用於實現信號軌跡的處理、送顯以及整機的控制； 其特徵在於還包括: 寬帶放大器，用於完成寬帶信號的放大； 校準模塊，用於提供校準信號，完成對高靈敏度通路和大動態範圍通路的幅度校準，提高測量幅度的準確性和一致性； 同軸開關組件，用於完成高靈敏度通路和大動態範圍通路的選擇； 可變增益控制電路，用於完成通路信號的增益調整； 增益預檢測電路，用於完 成通路信號增益的檢波和幅度檢測。
2.根據權利要求1所述的提高寬帶信號分析儀器靈敏度和動態範圍的裝置，其特徵在於:上述程控步進衰減器，一是依次通過同軸開關組件、低波段混頻通路接入中頻處理電路，二是依次通過同軸開關組件、高波段混頻通路接入中頻處理電路；上述校準模塊接入程控步進衰減器，寬帶放大器與高低波段開關依次串接後接入同軸開關組件；上述中頻處理電路、可變增益控制電路、採集處理電路與控制模塊依次串接，增益預檢測電路並聯在由可變增益控制電路、採集處理電路與控制模塊組成的串聯通路上；上述控制模塊分別通過信號線路連接校準模塊、可變增益控制電路、同軸開關組件與程控步進衰減器。
3.根據權利要求1所述的提高寬帶信號分析儀器靈敏度和動態範圍的裝置，其特徵在於:上述同軸開關組件為機械開關。
4.一種提高寬帶信號分析儀器靈敏度和動態範圍的方法，包括提供如權利要求1所述提高寬帶信號分析儀器靈敏度和動態範圍的裝置，還有如下步驟: 步驟1:控制模塊根據用戶設置的狀態或程序默認的初始設置狀態對通道狀態進行設置； 步驟2:增益預檢測電路對通路信號增益進行預先檢測，將檢測結果送到控制模塊，控制模塊根據預先設置好的判定算法進行判定:如果檢測信號幅度小於設定的閾值，則設置通路中的各部件或模塊工作在高靈敏度模式；如果檢測信號幅度大於等於設定的閾值，則設置通路中的各部件或模塊工作在大動態能範圍模式； 步驟3:在高靈敏度模式時，輸入信號經程控步進衰減器、同軸開關組件、寬帶放大器、高低波段開關後，再進入低波段混頻通路或高波段混頻通路，然後經中頻處理電路、可變增益控制電路、採集處理電路和12控制模塊，完成被測信號的處理和測試； 步驟4:在大動態範圍模式時，輸入信號經程控步進衰減器、同軸開關組件直接進入低波段混頻通路或高波段混頻通路，然後經中頻處理電路、可變增益控制電路、採集處理電路和12控制模塊，完成被測信號的處理和測試； 步驟5:如果被測信號幅度發生變化，根據增益預檢測電路的檢測值，達到設定的幅度閾值，則控制模塊自動進行高靈度模式和大動態範圍模式的切換； 步驟6:根據測試信號的幅度，可以自動選擇程控步進衰減器的衰減量和可變增益控制電路的放大量，以進一步優化靈敏度和動態範圍；程控步進衰減器可以選擇直通或者衰減，其中最小衰減量為2dB，最大衰減量可超過60dB，衰減步進量為2dB ;可變增益控制電路可實現總量超過50dB、ldB步進的增益調整； 步驟7:當用戶執行通路校準時，通路會切換校準模塊輸出的校準信號，對高靈敏度以及大動態範圍通路進行幅度定`標和校準。
【文檔編號】H04B17/00GK103595493SQ201310507416
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月24日 優先權日:2013年10月24日
【發明者】杜會文, 李立功, 許建華 申請人:中國電子科技集團公司第四十一研究所