測量接收機(jī)中高精度頻率與電平測量方法研究

杜 垚

（中電科思儀科技股份有限公司，山東 青島 266555）

0 引 言

測量接收機(jī)屬于微波毫米波測量儀器，綜合了頻譜分析儀、功率計(jì)、調(diào)制度分析儀以及頻率計(jì)等儀器的測量功能，具有測量參數(shù)多、測試精度和準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)[1]。測量接收機(jī)的基本原理如圖1所示。

圖1 測量接收機(jī)原理框圖

隨著信號發(fā)生器及步進(jìn)衰減器等設(shè)備的頻段逐步擴(kuò)展、性能指標(biāo)逐步提高、種類逐步增加，對頻率、電平以及幅度調(diào)制（Amplitude Modulation，AM）信號、頻率調(diào)制（Fequency Modulation，F(xiàn)M）信號以及相位調(diào)制（Phase Modulation，PM）信號等調(diào)制信號測量技術(shù)提出了更高要求[2]。本文研究的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)高精度頻率測量，滿足計(jì)量級儀器的測試需求，減少人工對儀器狀態(tài)的設(shè)置，提高產(chǎn)品的智能化。

1 整機(jī)軟件架構(gòu)

測量接收機(jī)整機(jī)軟件需要實(shí)現(xiàn)多種測量功能，功能內(nèi)部的運(yùn)算和功能之間的數(shù)據(jù)交換復(fù)雜，需要提升測量接收機(jī)內(nèi)部多種參數(shù)計(jì)算環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)性[3]，確保整機(jī)軟件運(yùn)行的效率。因此，整機(jī)軟件采用分層次、組件化的設(shè)計(jì)思路，整個(gè)軟件分為4層，包括總線驅(qū)動(dòng)層、板級功能層、分析測試層以及應(yīng)用接口層。功能模塊主要包括用戶接口、硬件驅(qū)動(dòng)控制、測量功能和自動(dòng)設(shè)置工具、參數(shù)校準(zhǔn)補(bǔ)償及修正、程控功能接口以及一些輔助功能實(shí)現(xiàn)模塊。這些模塊圍繞核心的各種參數(shù)分析測試模塊形成一個(gè)有機(jī)的整體。

測量接收機(jī)中的測試功能包括頻率計(jì)數(shù)測試、絕對功率測試、調(diào)諧電平測試、模擬解調(diào)測試以及音頻測試等多種測量功能。整機(jī)軟件實(shí)施這些測試功能的工作流程，根據(jù)測量功能獲取前端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流，配置并執(zhí)行數(shù)據(jù)處理和相關(guān)分析功能的實(shí)現(xiàn)。這些測量模式將設(shè)計(jì)成獨(dú)立的軟件模塊，可根據(jù)需要選擇執(zhí)行所需的測試功能組件。此外，整機(jī)軟件通過提供自動(dòng)調(diào)諧、自動(dòng)頻率搜索、模擬解調(diào)自動(dòng)參數(shù)設(shè)置等工具，可以快速、準(zhǔn)確地完成對各種復(fù)雜信號進(jìn)行的頻率、功率、模擬調(diào)制等參數(shù)測試，增強(qiáng)測量接收機(jī)的可用性。硬件驅(qū)動(dòng)控制協(xié)調(diào)整機(jī)硬件資源，實(shí)現(xiàn)對本振、檢波通道、微波變頻通道及中頻等硬件功能電路的控制和驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)字信號處理板的高速總線接口驅(qū)動(dòng)。為了提高儀器的測量準(zhǔn)確度，軟件設(shè)計(jì)了全面的測量接收機(jī)通道校準(zhǔn)和補(bǔ)償算法，針對諸多的通路和測量參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對測量結(jié)果進(jìn)行誤差修正。

2 頻率測量技術(shù)

頻率測量功能可以精確地測量信號頻率，對于衡量具有周期性射頻輸出的信號發(fā)生器的特性是十分重要的。

2.1 高精度信號搜索

信號搜索最直接的方法就是在全頻段范圍內(nèi)進(jìn)行一次峰值搜索，定位信號位置，但不同的頻點(diǎn)上測量接收機(jī)的靈敏度也不同。高波段較低波段靈敏度有所下降，儀器本身的顯示平均噪聲電平也隨之增大，甚至有可能出現(xiàn)高頻段噪聲電平比低頻段信號幅度還要高的情況。如果在全頻寬范圍內(nèi)直接進(jìn)行信號搜索，很有可能會(huì)誤將高頻段的噪聲識(shí)別為射頻輸入信號。

為了提高信號搜索的準(zhǔn)確度，本文對整機(jī)的全頻段進(jìn)行分段搜索。如果依據(jù)整機(jī)靈敏度來進(jìn)行頻率分段，可以最大程度上保證信號搜索的準(zhǔn)確度，但過多的劃分頻段又會(huì)增加測量時(shí)間的開銷。不同的輸入耦合方式會(huì)限制輸入信號的頻率大小。對小于10 MHz 的輸入信號的測量性能是在直流耦合方式下保證的。因此，在低頻段，不同的輸入耦合方式下，要采取不同的分段方式。在界定分段范圍時(shí)，默認(rèn)同一段內(nèi)靈敏度取值相同。選取每一個(gè)分段測量結(jié)果中信噪比最優(yōu)者作為精確的頻率調(diào)諧點(diǎn)，進(jìn)行進(jìn)一步的測量。

分段搜索可以有效地隔離高頻段的本底噪聲對低頻段信號搜索的干擾，保證了信號搜索的準(zhǔn)確度，同時(shí)也確定了當(dāng)前輸入信號所在的頻率分段范圍。當(dāng)測量信號幅度的波動(dòng)在誤差范圍內(nèi)，下一次的測量不需要再對其他分段進(jìn)行重新搜索，可以減少測量時(shí)間，提高測量效率。

2.2 截除零頻影響

中頻信號是由射頻信號與本振信號的基波或各次諧波混頻產(chǎn)生的。在多數(shù)情況下，本振信號頻率與中頻信號頻率距離足夠遠(yuǎn)，可以被中頻濾波器濾掉，不會(huì)對測量產(chǎn)生影響。而當(dāng)本振信號頻率與中頻信號頻率相同或是很接近時(shí)，本振信號會(huì)通過中頻濾波器在測量中出現(xiàn)。由于本振信號的相位噪聲影響，靠近最小起始頻率的現(xiàn)實(shí)噪聲電平將會(huì)增加，引起該頻率段靈敏度的降低。零頻信號幅度通常比較大，處于零頻附近的被測信號就有可能淹沒在零頻信號的響應(yīng)曲線邊緣處，對低頻信號的測量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

零頻抑制電路的工作原理是：產(chǎn)生一個(gè)與本振信號頻率相同的疊加信號，調(diào)整疊加信號的幅度和相位，使得疊加信號與本振信號幅度相等、相位相反，理論上可以完全抵消泄漏信號。但是在實(shí)際測量中，不可能完全消除零頻對測量的影響，當(dāng)被測信號頻率較低的時(shí)候，還是有可能被淹沒在零頻信號中。

前面章節(jié)提到，在信號搜索的過程中，采用分段搜索的頻率調(diào)諧方式，低頻段的信號搜索會(huì)受到零頻的影響，在硬件通路無法完全抵消零頻影響的情況下，可以通過軟件的“硬”截?cái)鄟硪?guī)避零頻對低頻信號測量的干擾。整機(jī)中采用的中頻濾波器的形狀因子值接近于5，只要保證在低頻段頻率搜索范圍的下限高于3 倍的分辨率帶寬值，就可以避免零頻信號對測量帶來的影響。

對小于10 MHz 的輸入信號，通常選擇直流耦合方式測量，采用這種“硬”截?cái)嗟姆绞浇Y(jié)合分段搜索，即使是在交流耦合方式下，也可以準(zhǔn)確地搜索到10 MHz 以下的輸入信號。在直流耦合方式下，可以搜到100 kHz 或更低頻的信號，提高整機(jī)測量動(dòng)態(tài)范圍。

2.3 提高掃描讀數(shù)精度

受制于當(dāng)前測量狀態(tài)的頻寬、分辨率帶寬及掃描點(diǎn)數(shù)等參數(shù)的影響，分段信號搜索得出的測量結(jié)果只能算是一個(gè)“粗”定位，頻率測量的精度、準(zhǔn)確度還不能滿足測量的需求。要提升測量結(jié)果的精確度，就需要在一定的范圍內(nèi)不斷地提高頻譜分辨率和軌跡數(shù)據(jù)的讀數(shù)精度。

頻譜分辨率主要決定于分辨率帶寬。分辨率帶寬越窄，對輸入信號的頻譜分辨率也就越高，測量結(jié)果精度也會(huì)越高。但非常窄的分辨率帶寬會(huì)造成長的掃描時(shí)間。分辨率帶寬通常自動(dòng)適應(yīng)于頻寬，這樣可避免由于過大的頻寬與過小的分辨率帶寬造成的長掃描時(shí)間，或過小的頻寬與過大的分辨率帶寬造成的低分辨率。分段搜索可以快速地完成輸入信號的“粗”定位，得到信號搜索的頻率讀數(shù)，但尚未能達(dá)到頻率讀數(shù)準(zhǔn)確度的要求，此時(shí)計(jì)數(shù)結(jié)果也是不準(zhǔn)確的。至少要保證信號搜索的頻率讀數(shù)誤差在當(dāng)前0.5 倍分辨率帶寬的范圍內(nèi)，得到的計(jì)數(shù)結(jié)果才是準(zhǔn)確的。頻率讀數(shù)準(zhǔn)確度與頻寬、分辨率帶寬及掃描點(diǎn)數(shù)相關(guān)，分辨率帶寬與頻寬通常是1 ∶106 的比率關(guān)系。通過不斷縮小頻寬、提高掃描點(diǎn)數(shù)，就可以獲得更精確的信號頻率讀數(shù)。掃描點(diǎn)數(shù)多少不影響測量時(shí)間，因此本文把掃描點(diǎn)數(shù)提高到整機(jī)工作最大掃描點(diǎn)數(shù)，頻寬縮放比率1 ∶200，在同等讀數(shù)精度下，最大程度地提高掃描讀數(shù)精度，降低頻寬的縮放次數(shù)，有效地減少測量時(shí)間。

3 高精度電平測量

頻譜分析儀通常用來測量一定頻段內(nèi)的頻譜，包括信號頻率和電平值。頻譜分析儀的絕對電平和相對電平測試動(dòng)態(tài)范圍較寬，但是由于頻譜儀元器件頻響以及線性度原因，電平測試誤差較大[4]。

提高電平測量范圍和準(zhǔn)確度的一種方法是采用功率計(jì)與頻譜分析儀相結(jié)合的測量辦法。通過測試值比較和傳遞的辦法，將功率計(jì)的精確功率測量結(jié)果傳遞給接收機(jī)，保證接收機(jī)絕對功率測試值的準(zhǔn)確性[5]。同時(shí)，通過范圍調(diào)整和自動(dòng)校準(zhǔn)的辦法，利用射頻調(diào)諧模塊的高線性度來保證整個(gè)功率范圍的測量精度。

在測量接收機(jī)的電平測量范圍內(nèi)，存在著儀器內(nèi)部參數(shù)必須改變的要求。這是因?yàn)?，調(diào)諧電平測量要求保證信號接收處理模塊大信號接收不壓縮，小信號通路下能夠通過提高通路增益降低通路噪聲。內(nèi)部參數(shù)發(fā)生切換后，盡管信號接收處理模塊已經(jīng)進(jìn)行過狀態(tài)補(bǔ)償，但是仍可能存在細(xì)小的誤差。這對普通頻譜分析功能可忽略不計(jì)，但對于接收機(jī)的信號接收處理模塊卻必須進(jìn)行修正。這時(shí)需要一個(gè)Range-to-Range 的校準(zhǔn)過程，將改變增益前后的測量結(jié)果進(jìn)行交叉校準(zhǔn)。

信號接收處理模塊在初始化測量時(shí)，首先通過頻率計(jì)數(shù)獲得精確的頻率，進(jìn)行信號接收通路設(shè)置，并通過調(diào)整衰減器的方式使混頻器工作在線性區(qū)間，保證信號接收模塊無失真。接收模塊的信號獲取值為SA，并以功率處理模塊的測量值PM 為參考，形成校準(zhǔn)因子CF=PM-SA，借此將功率處理模塊的高精度傳遞到信號接收處理通路。

利用信號接收處理模塊的線性度進(jìn)行寬范圍測量過程中，測量值會(huì)受到本底噪聲的影響。任何接近接收機(jī)顯示噪聲電平的測量都會(huì)受到噪聲的影響。接收機(jī)的噪聲會(huì)加在顯示的被測信號功率上，使得測量結(jié)果比真實(shí)值偏高。隨著信號載噪比降低，噪聲對測量值的影響逐漸變大。為了保證接收機(jī)通路相對測量值的準(zhǔn)確性，可以通過設(shè)定接收機(jī)通路的衰減器、放大器狀態(tài)，使載噪比盡可能地高。

4 實(shí)現(xiàn)效果及驗(yàn)證

本文使用R&S SMW200A（100 kHz～40 GHz） 信號發(fā)生器分別產(chǎn)生100 kHz、4 GHz、9 GHz、13 GHz、18 GHz、26 GHz 及40 GHz 等連續(xù)波信號，測量接收機(jī)與信號發(fā)生器通過BNC 電纜共時(shí)基，利用文中算法設(shè)計(jì)的頻率測量功能測量各頻點(diǎn)，得出的測量數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 各頻點(diǎn)測量結(jié)果

由測量結(jié)果可以看出，基于本文去零頻、分段搜索及提高頻率讀數(shù)精度算法的頻率測量功能在低頻段（4GHz及以下）的測量靈敏度優(yōu)于-50 dBm，零頻附近信號測量未受影響。在9～18GHz頻段的測量靈敏度優(yōu)于-40 dBm。26GHz及以上頻段的靈敏度優(yōu)于-30 dBm。各頻段測量精度均優(yōu)于0.1 Hz，實(shí)現(xiàn)了頻率的高精度、高靈敏度測量。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的高精度頻率測量功能，有效提高了測量接收機(jī)在頻域上的基本測試能力。本文提出的高精度電平測量方法對大動(dòng)態(tài)范圍的功率電平測量提供了理論支持。