基于零频直接转换的射频测试电路系统

技术领域

本发明涉及射频电路技术领域，尤其涉及一种基于零频直接转换的射频测试电路系统。

背景技术

所有使用射频，微波以及毫米波无线信号来达到通信和探测目的的设备都需要把高频信号转换到频率较低的“中频”(IF,intermediate frequency)，以便模数转换器能对其数字采样和转换，然后进行数字信号处理。

传统的频率转换电路叫超外差接收机(Super Heterodyne Receiver)。其工作原理是：用混频器(mixer)把进来的频率为F1的信号与一个接收机本地产生的频率为F2的信号(所谓本振信号)混合，产生频率为F1-F2和F1+F2的信号。通过滤波，如果选择F1-F2，那么我们就达到了把F1频率降低到F1-F2的效果。

市场上所有高端宽频频谱分析仪采用的都是这种多级超外差接收机，一级一级地把高频信号转换到中频。每一级转换都需要精细的滤波设计，以屏蔽掉各种镜像信号和本振信号泄漏等等。设计一款超宽频，频率连续可调，高信噪比，低杂散信号的频谱仪，总是一种高成本，大体积的投入。

另一种频率转换的方法是零中频直接转换接收机(zero-IF direct conversionreceiver)。其原理是，把进来的中心频率F1的信号分成两条(一对)信号。这一对信号经过一对混频器。这一对混频器的本振频率相同(可与进来信号的频率F1相同)，但相位是90度之差。数学上可以理解为：一个本振信号如果是余玄信号，那另一个本振信号就是负正弦信号。这种零频转换是一种最完美的数学转换，一次性地把高频带通信号转换成一对基频复信号，大大降低了射频电路设计难度和成本体积等等。在很多民用通信设备里，这种零频转换几乎是唯一的选择。

但是，世界上没有免费的午餐。任何方法，有其利，必要其弊。这种零频转换需要那一对信号路径保持严格的幅度和相位等同均衡。那一对本振信号也必须保持严格的90度相位差。但实际上，任何实际芯片和电路都不能保证严格的均衡。这些不均衡问题的后果是镜像信号的产生，在中心频率之上的信号会映射到中心频率之下，而在中心频率之下的信号会映射到中心频率之上。这种信号畸变对高端频谱分析仪是不可接受的。另外，转换后的基频信号中的零频直流成分对应着原射频信号里的中心频率，是有用的信息，但是，所有高速模数转换器都有直流转换偏移问题，转换后的数字信号不能准确地表达原射频信号里的中心频率成分。所以，这种零频直接转换方式还没有被用到高端频谱仪设计上。

中国专利申请号:201210530318.1，申请日：2012年12月10日，公开日：2014年06月18日，专利名称为：一种具有零频抑制功能的频谱分析仪，本发明涉及检测领域，具体涉及一种具有零频抑制功能的频谱分析仪。其中具有变频装置；变频装置包括：本振信号产生电路、混频电路、移相电路以及中频放大滤波电路；混频电路用于将本振信号产生电路产生的本振信号与射频信号混频后，输出至中频输出端；移相电路包括：移相器、第一定向耦合器以及第二定向耦合器；第一定向耦合器将本振信号耦合至移相器，由移相器输出反向本振信号后，第二定向耦合器将反向本振信号耦合至中频输出端。本发明实施例所提供的频谱分析仪将会消除或减少本振泄露信号，从而降低本振泄露，改善了零频附近的底噪。使得后续的中频放大滤波电路中的中频放大器不会产生压缩，位于后级的模拟数字采集器(ADC)也不会发生溢出。

上述专利文献虽然公开了一种具有零频抑制功能的频谱分析仪，但是，该频谱分析仪缺乏零频转换电路，电路均衡性差，无法解决直流转换偏移问题。

发明内容

有鉴于此，本发明在于提供一种均衡性好、解决了直流偏移和镜像信号问题，准确性强，可靠性高，功能多样的一种基于零频直接转换的射频测试电路系统。

为了实现本发明目的，可以采取以下技术方案：

一种基于零频直接转换的射频测试电路系统，包括射频前端模块，IQ解调器，双通道低通滤波器，双通道模数转换器，采样时钟器，双通道并行接口数字信号处理器，所述IQ解调器还包括频率合成器；

所述射频前端模块，用于接收射频信号；所述IQ解调器，用于将单道射频信号下调成双道基频信号；所述双通道低通滤波器，用于过滤高频镜像信号；所述双通道模数转换器，用于对IQ基频信号进行模拟信号转化为数字信号；所述采样时钟器，用于实时调节该双通道模数转化的采样频率；所述双通道并行接口数字信号处理器数字信号处理器，用于数字信号处理；所述频率合成器，用于调节IQ解调器的中心频率；

所述射频前端模块将单道射频信号通过IQ解调器下调成双道基频信号，并传输至该双通道低通滤波器；所述双通道低通滤波器将下调后的双道基频信号滤波后，传输至该双通道模数转器进行模数转换，转换后的数字信号通过该双通道并行接口数字信号处理器直接输出给信号处理器；所述采样时钟器实时控制该双通道模数转化器的采样频率；所述频率合成器控制该IQ解调器的中心频率。

所述射频前端模块将单道射频信号通过IQ解调器下调成双道基频信号，并传输至该双通道低通滤波器；所述双通道低通滤波器将下调后的双道基频信号滤波后，传输至该双通道模数转器进行模数转换，转换后的数字信号传输至该双通道并行接口数字信号处理器数字信号处理器；所述采样时钟器实时控制该双通道模数转化器的采样频率；所述频率合成器控制该IQ解调器的中心频率。

所述IQ解调器为高线性度超宽频的IQ解调器。

所述双通道低通滤波器为双通道低通数控滤波器。

所述双通道模数转换器为双通道数控模数转换器。

所述采样时钟器为可变数模数转换采样时钟器。

所述双通道并行接口数字信号处理器数字信号处理器包括具有双通道并行接口数字信号处理器的多核浮点数字信号处理器。

所述双通道并行接口数字信号处理器数字信号处理器将实时处理结果通过以太网传输至该PC机或云网络。

所述采样时钟器包括基准参照时钟源电路，该基准参照时钟源同时也是频率合成器的参照时钟。

本发明的有益效果是：1)本发明成功地把最有效的零频直接转换方法用到了高精度射频测试仪器设计上；2)本发明在硬件信号流程设计上，保持了最佳IQ信号均衡和同步性，最完美地解决了这种零频直接转换中固有的由不均衡仪器的镜像信号问题；3)本发明采用的各种时钟同步性和使得我们的软件算法能干净地消除镜像信号和直流偏移问题；4)本发明开创了一种最轻便最有效的高端测试仪器设计模型。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于零频直接转换的射频测试电路系统方框图；

图2为本发明另一实施例一种基于零频直接转换的射频测试电路系统的电路方框示意图。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对发明作进一步详细的说明。

实施例1

参看图1，图2，该一种基于零频直接转换的射频测试电路系统，包括射频前端模块1，IQ解调器2，双通道低通滤波器3，双通道模数转换器4，采样时钟器6，双通道并行接口数字信号处理器7，所述IQ解调器2还包括频率合成器5；

所述射频前端模块1，用于接收射频信号；所述IQ解调器2，用于将单道射频信号下调成双道基频信号；所述双通道低通滤波器3，用于过滤高频镜像信号；所述双通道模数转换器4，用于对IQ基频信号进行模拟信号转化为数字信号；所述采样时钟器6，用于实时调节该双通道模数转化的采样频率；所述双通道并行接口数字信号处理器7，用于数字信号处理；所述频率合成器5，用于调节IQ解调器2的中心频率；

所述射频前端模块1将单道射频信号通过IQ解调器2下调成双道基频信号，并传输至该双通道低通滤波器3；所述双通道低通滤波器3将下调后的双道基频信号滤波后，传输至该双通道模数转器4进行模数转换后将数字信号传输至该双通道并行接口数字信号处理器7进行数字信号处理；所述采样时钟器6实时控制该双通道模数转化器4的采样频率；所述频率合成器5控制该IQ解调器2的中心频率。

参看图2，本实施例中，优选地，所述射频前端模块1包括射频信号输入电路11，过载保护电路12，前置放大电路13，前选滤波器14；所述射频信号输入电路11将射频信号通过该过载保护电路12经过前置放大电路13将信号放大后输入至该前选滤波器14；该前选滤波器14将放大的信号滤波后输入至该射频前端模块1。

本实施例，优选地，所述IQ解调器2为高线性度超宽频的IQ解调器。该IQ解调器2是零频转换的核心部分，进一步优选地，所述IQ解调器2为型号是LTC5594的芯片。

所述IQ解调器2还包括频率合成器5；该频率合成器5为IQ解调器2提供本振信号，该频率合成器5是一频率精细可调的分数频率合成器(fractional frequencysynthesizer)；优选地，所述频率合成器5是型号为ADF4355-3(ver-A)或LMX 2592(ver-B)的芯片；所述频率合成器5的输出频率精细可调，是后续软件算法消除镜像信号和直流偏移问题的必要条件。

本实施例中，所述双通道数控低通滤波器3是为了最大限度地保证IQ信号均衡，使用双通道滤波器是最佳设计，该双通道模数转换器4在对IQ基频信号模数转换时，保证最佳IQ均衡；所述双通道低通滤波器3可以采型号为ADRF6516芯片或者为型号是HMC900LP5E芯片。该双通道低通滤波器3为滤波器带宽的可调性为后端采样频率的变化提供了基础。

本实施例，优选地，所述双通道低通滤波器3为双通道低通数控滤波器。

本实施例中，优选地，所述双通道模数转换器4为双通道数控模数转换器。

所述双通道模数转换器4为了进一步保证IQ信号在幅度和相位上的均衡性，本实施例采用了一个双通道的模数转换器。在采样时钟和数据输出接口上，本发明设计保证了两道信号的绝对同步和均衡。

本实施例，所述双通道模数转换器4采用的是具有并行口输出，16-位，高线性度，仪器级别的芯片，型号为LTC2183/4/5的芯片。

所述双通道模数转换器4，在对IQ基频信号模数转换时，保证最佳IQ均衡。

本实施例，优选地，所述双通道模数转换器4为双通道数控模数转换器。

本实施例，所述采样时钟器6为可变数模数转换采样时钟器。

本实施例，该采样时钟器6可以驱动双通道模数转换器4的采样时钟信号，该采样时钟信号是一个可变时钟产生器或时钟除法器。

本实施例，优选地，所述采样时钟器6包括基准参照时钟源电路9，该基准参照时钟源电路9用于对采样时钟器调节时钟频率提供参考标准。

所述采样时钟产生器6和频率合成器5都基于统一基准时钟源。这一时钟同步性也是IQ信号不均衡算法矫正和直流偏移消除的前提条件；所述采样时钟器6和频率合成器5采用同一基准参照时钟源电路，以确保后续数字领域里的更精准镜像信号和直流偏移消除。

所述采样时钟频率可以实时随应用场景变换而更换，但是模数转换器的输出和时钟在仪器开启后，永不关闭，这样能保证在任何应用场景下，该IQ信号在时间上的绝对同步性。可变采样频率，配上可变滤波器带宽，使得频谱仪既能处理大分辨率时的快速，又能处理精细分辨率的要求。

传统扫瞄式频谱仪的速度与分辨率平方的倒数成正比，比如，分辨率从10KHz调低到1KHz时，速度将降低100倍。而本发明所述频谱仪，速度只和原始数据的物理采样时间有关，精细分辨率并不增加额外的处理负担。从用户角度上，频谱分析速度几乎不受分辨率的影响。

本实施例，所述模数转换采用双通道模数转换器4，采样时钟器6提供实时可变采样频率。

本实施例，优选地，所述双通道并行接口数字信号处理器7可以选择具备ADC并行口输出。

本实施例，所述ADC的双通道并行接口数字信号处理器7无需外接FPGA或DDC等；所述双通道低通滤波器3将下调后的双道基频信号滤波后，传输至双通道模数转器4进行模数转换，转换后的双道数字信号通过双通道并行接口数字信号处理器7可直接与数字信号处理器连接；

进一步，优选地，所述双通道并行接口数字信号处理器7包括具有双通道并行接口的多核浮点数字信号处理器71。

所述双通道并行接口数字信号处理器7将实时处理结果通过以太网72传输至该PC机或云网络73。

双通道并行接口数字信号处理器7包括多核核浮点数字信号处理器71；该多核浮点信号处理器71具有双通道并行口，能直接与所述双通道模数转换器4的输出连接，不需经过额外的FPGA或DDC部件。这种架构最大可能地保持了原始信号的精密度，加上64-位浮点复数运算功能，使得IQ信号不均衡矫正和直流偏移消除成了现实。这种直接的数据接口也最大地保证了仪器的实时性和宽频处理能力。在双通道并行口DMA基于的数据驱动软件里，也采用了永不间断的设计方法，以保证采样频率和应用场景更变时，该IQ数字信号的绝对同步性。

使用的该双通道并行接口数字信号处理器7具备EMAC(Enhanced Media AccessController)，便于通过以太网络接口与后端PC机，单板机，或者云网络直接联系。这种构架使得仪器即适合短程便携式仪器设计，也适合于云网络控制分布式仪器设计。嵌入的多核信号处理器即保证仪器的实时和功能强大性，又使得核心测试功能不依赖于后端PC机或者网络的不确定性等等。

本发明能够取得如下效果：一次性分析带宽高达100MHz，对微秒级的短暂信号有100％的截获率，在宽频扫描时，能达到280GHz/s的扫描数度，镜像频谱和直流偏移被干净地消除到噪底。射频部分的简易性使得我们的发明成为高端实时宽频FFT频谱分析仪的设计典范。

本发明还同时为频谱仪提供了精准的矢量分析功能。本发明不仅具有高性能的频谱分析功能，也具有各种通讯信号(3G-WCDMA,4G-LTE,NB-IoT和5G-NR等等)的解码分析功能。

本发明所述频率转换(将射频信号转换到低频)是射频电路设计中必需的一个部分。零频直接转换是频率转换中最简单优美的方法，在无线通信设备中已广泛应用，但是，在高端测试仪器中，还没有得到应用，因为零频转换有两个致命的问题：IQ信号不均衡问题和直流偏移问题。

所述IQ信号不均衡会引起信号频谱镜像问题，直流偏移问题影响原射频信号对应中心频点的测试。本发明提供了一种减少IQ不均衡效应的最佳硬件设计，配上我们独特的IQ不均衡和直流偏移矫正方法，本发明实现了一种基于零频转换而又高性能的宽频实时FFT频谱分析仪设计。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。