一种应用于微波频率计的主频信号判定电路及判定方法
【专利摘要】本发明提出了一种应用于微波频率计的主频信号判定电路，包括：混频器、本振单元、带通滤波器、压控衰减器、功率比较单元、数模转换单元、CPU单元以及计数单元。本振单元为频率计提供混频的本振信号，混频器将被测信号与本振信号进行混频得到中频信号；带通滤波器对混频器输出的中频信号进行滤波；压控衰减器对带通滤波器输出的中频信号进行功率衰减，衰减幅度与控制电压成线性关系；功率比较单元对压控衰减器输入的中频信号进行峰值检波，得到峰值电压，对峰值电压进行采样保持，将采样保持电压与比较电压进行比较，得到控制电压，将所述控制电压作用到压控衰减器，对输入中频信号进行功率衰减。
【专利说明】一种应用于微波频率计的主频信号判定电路及判定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及测试【技术领域】，特别涉及一种应用于微波频率计的主频信号判定电路，还涉及一种应用于微波频率计的主频信号判定方法。
【背景技术】
[0002]随着现代电子技术的发展，在信息通讯以及军事雷达等领域，人们利用的微波频率向着更高频段发展，可以达到太赫兹甚至更高的频段。现实应用中高频信号多为主机外加扩频模块的方式获得，主机产生基波信号，经过扩频模块后即可产生基波的高次倍频信号。实际得到的高频信号中不可避免的包含通过扩频模块泄露过来的基波信号、基波信号的高次谐波信号(非主频信号)以及其他交调信号。这种大带宽内多种频率信号共存的现象给普通的频率测量技术带来了困难，因为信号中本来就包含主频信号在内的多种谐波信号以及交调信号，微波频率计无法判断哪个信号是主频信号，往往测得第一个信号之后就判定信号存在并完成测量，而不能测量幅度最大的主频信号，造成测量错误。
[0003]现有的解决方案是采用预选频技术和功率检测技术来判定主频信号的。它的组成如图1所示。该方案主要由预选频单元、混频器、本振单元、功率检测单元、计数单元、CPU单元六个单元组成。
[0004]预选频单元位于频率计的高波段混频器之前，通过抑制输入信号的谐波、境频和其他杂散信号，提高频率计对输入信号的选择性。预选频单元通常由YIG电调滤波器(即YTF)组成，它受YTF驱动电路的控制，可以线性的改变其中心频率点。
[0005]混频器的功能是实现频率变换，将较高频率的射频信号通过非线性器件变换成容易处理的低中频信号。它有两个输入端口，一个输出端口，其中Fx为输入被测信号，Lo为输入本振信号，IF为输出中频信号，其计算公式为Fx = NXLo±IF，N为谐波次数，由混频器的特性决定。
[0006]本振单元产生射频信号用于谐波下混频，通常由ΥΤ0、VCO或者梳谱发生器构成。本振频率值与预选频单元设定的中心频率点满足混频器的计算公式。
[0007]计数单元的作用是在CPU单元的控制下对中频信号进行滤波、放大、整形以及计数。
[0008]功率检测单元由功率检测电路以及模数转换器组成，其作用是将来自混频器的中频信号的相对幅度转换为数字信号，并传送到CPU单元中。
[0009]CPU单元控制着系统中所有单元的正常运转，包括设置预选频单元的中心频率点、本振单元输出信号频率；控制计数单元进行计数处理；接收来自功率检测单元的相对幅度数据。
[0010]该方案的工作步骤为:
[0011]第一步:系统启动测量，CPU单元设置预选频单元调谐滤波器的中心频率点和本振单元输出频率，系统开始扫描。当后端电路检测到中频信号时，功率检测单元会将来自混频器的中频信号功率转化为数字量的相对功率值，并将该相对功率值以及中频频率和本振频率都存储到CPU单元中。
[0012]第二步:完成存储后，CPU单元继续控制预选频单元和本振单元按照一定频率步进进行扫描，当再一次检测到中频信号时，则再一次记录该中频信号的相对功率值和中频频率值以及本振频率值。如果没有检测到中频信号，将继续进行扫描，直到完成全频段的扫描。
[0013]第三步:完成全频段扫描后，CPU单元会比较整个扫描周期内所有出现的中频信号的相对功率值，相对功率值最大的一个即为主频信号。然后CPU单元会根据存储的数据，重新设置预选频单元的中心频率点以及本振频率点，并且启动计数单元，测量主频信号的频率值。
[0014]基于预选频技术和功率检测技术的主频信号检测电路的缺点是:
[0015]1、预选频技术主要由YIG调谐滤波器(即YTF)构成，其调谐受到非线性、磁滞效应、温漂等因素影响，这些因素的综合作用使得YTF难以在大带宽的频率范围内实现对输入信号的预选频。因此工程上通常需要对其进行控制处理，通过驱动数据细化的方法来实现YTF较为精确的线性驱动，通过温度传感器采集YTF腔体的温度数据来进行实时的温度补偿，通过设计消磁电路来有效克服YTF的磁滞效应的影响。总之要使YTF正常工作，需要设计复杂的补偿电路才能满足系统的要求。
[0016]2、YIG调谐滤波器(即YTF)受到制造工艺、材料等限制，其频段难以做的很高，目前同轴产品最高到50GHz，波导产品最高到75GHz，所以其应用范围难以再往高频频段扩展，即使将来可以做到很高的频段，受到非线性、温漂、磁滞效应等因素的影响，其控制补偿电路将变得更加复杂，成本会变得更高。
【发明内容】
[0017]为了解决上述问题，本发明设计了一种应用于微波频率计的主频信号判定电路及判定方法，可以判断出主频信号、谐波信号以及交调信号的幅度大小关系，进而可以判定幅度最大的信号即为主频信号，然后可以通过后端计数电路单元对主频信号进行处理，测量主频信号的频率。
[0018]本发明的技术方案是这样实现的:
[0019]一种应用于微波频率计的主频信号判定电路，包括:混频器、本振单元、带通滤波器、压控衰减器、功率比较单元、数模转换单元、CPU单元以及计数单元；
[0020]本振单元为频率计提供混频的本振信号，本振信号驱动混频器对高频信号进行下变频处理，混频器将被测信号与本振信号进行混频得到中频信号；
[0021]带通滤波器对混频器输出的中频信号进行滤波；
[0022]压控衰减器对带通滤波器输出的中频信号进行功率衰减，衰减幅度与控制电压成线性关系；
[0023]功率比较单元的检波电路对压控衰减器输入的中频信号进行峰值检波，得到峰值电压，采样保持电路对峰值电压进行采样保持，比较电路将采样保持电压与比较电压进行比较，得到控制电压，将所述控制电压作用到压控衰减器，对输入中频信号进行功率衰减；
[0024]模数转换单元接收来自功率比较单元的控制电压，将控制电压进行放大、模数转换、电平变换后，数字量化的控制电压被传输到CPU单元；
[0025]计数单元接收功率比较单元输入的中频信号，对中频信号进行整形、滤波、放大、电平转换后传输到FPGA，在FPGA进行计数测频；
[0026]CPU单元控制本振单元输出不同频率的信号，控制计数单元进行计数处理；接收来自模数转换单元的数字信号；控制系统与外界的接口设置以及系统显示。
[0027]可选地，所述压控衰减器为一级衰减结构。
[0028]可选地，所述压控衰减器为两级或三级衰减串联的结构。
[0029]基于上述电路，本发明还提供了一种应用于微波频率计的主频信号判定方法，包括以下步骤:
[0030]第一步:系统启动测量，本振单元从较低频段开始频率步进扫描，当后端电路检测到中频信号时，即调整本振信号，完成一次计数测量，测得频率值及其对应的控制电压值，通过模数转换单元将控制电压值转化为数字信号，并将数据传回CPU单元；
[0031]第二步:完成一次测量后，本振单元按照一定频率步进继续扫描，搜索到中频信号则再一次记录控制电压值以及对应的本振频率，否则将继续进行扫描，直到完成全频段的扫描;
[0032]第三步:完成全频段扫描后，CPU单元分析接收到的来自模数转换单元的所有中频信号的控制电压值的数据，判定控制电压值最大的信号即为主频信号，重新设置主频信号对应的本振频率，再次产生中频信号，启动计数单元，完成计数测量，显示主频信号的频率。
[0033]本发明的有益效果是:
[0034](I)直接利用本振对全频段进行扫频，简化了前端处理的电路，避免了使用预选频技术可能带来的控制、补偿等技术难题，降低了技术难度，节省了成本。
[0035](2)直接利用本振信号驱动混频器对高频信号进行下变频处理，可以处理高频信号，而基于预选频技术的主频信号判定方法受到预选频带宽限制，其处理高频信号的能力有限。
[0036](3)本发明设计了由压控衰减器、功率比较单元构成闭环的稳幅电路，将中频信号的功率锁定到系统设定功率值上，既方便后端计数单元处理中频信号，又可将控制电压值用来衡量输入信号功率大小，控制电压值最大的信号即可判定为主频信号，这样省掉了功率检测电路，简化了设计，节省了成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]图1为现有的基于预选频技术和功率检测技术的主频信号检测电路的原理框图；
[0039]图2为本发明应用于微波频率计的主频信号判定电路的原理框图；
[0040]图3为本发明的功率比较单元的原理框图；
[0041]图4为本发明应用于微波频率计的主频信号判定方法的流程图。
【具体实施方式】
[0042]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]本发明设计了一种微波频率计主频信号判定电路，可以判定微波频率计测量带宽内主频信号，通过功率比较电路可以衡量测量带宽内所有信号的相对功率大小，相对功率最大的信号即为主频信号。
[0044]如图2所示，本发明的应用于微波频率计的主频信号判定电路包括:混频器、本振单元、带通滤波器、压控衰减器、功率比较单元、数模转换单元、CPU单元以及计数单元。
[0045]混频器将被测信号与本振信号进行混频得到中频信号。由于后端计数单元受到测量带宽的限制，不能直接测量高频信号，所以需要将高频信号通过混频的方式进行频率搬移，以便计数单元进行测量。
[0046]根据混频器的设计原理，被测信号通常与本振的奇次谐波进行混频，如本振信号的1、3、5、7次谐波，这样被测信号的频率可以表示为:Fx = NXLo±IF，式中Fx为被测频率，Lo为本振频率，IF为中频信号，N为本振的谐波次数，N由混频器特性给定。
[0047]本振单元为频率计提供混频的本振信号，要求具有较小的频率分辨率和符合混频器要求的驱动功率，用来驱动混频器。本发明直接利用本振单元对全频段进行扫频，简化了前端处理的电路，避免了使用预选频技术带来的控制、补偿等技术难题，降低了技术难度，节省了成本；而且，本振信号驱动混频器对高频信号进行下变频处理，可以处理高频信号，而基于预选频技术的主频信号判定方法受到预选频带宽限制，其处理高频信号的能力有限。
[0048]带通滤波器对混频器输出的中频信号进行滤波，因为后端计数单元受到测量带宽的限制，所以中频信号必须在一定频率范围内系统才能对其进行测量。经过图2中带通滤波器的滤波作用，混频器输出的中频信号只有在一定频率功率范围内才能触发CPU单元，进而触发计数单元进行计数测频。
[0049]压控衰减器采用的是集成芯片，其对带通滤波器输出的中频信号进行功率衰减，衰减幅度与控制电压成线性关系。为了满足系统的灵敏度要求，该压控衰减器具有大衰减范围的特点，如果一级衰减不能满足系统要求，可以采用两级或三级衰减串联的方式提供大的衰减范围。
[0050]功率比较单元是本发明的核心单元，功率比较单元的控制框图如图3所示，首先检波电路对压控衰减器输入的中频信号进行峰值检波，得到峰值电压，然后采样保持电路对峰值电压进行采样保持，比较电路将采样保持电压与比较电压进行比较，就可以得到一个控制电压，将该控制电压作用到压控衰减器，对输入中频信号进行功率衰减。
[0051]压控振荡器与功率比较单元构成一个闭环系统，不论输入信号功率大小，经过该闭环系统后，中频信号的功率都被锁定到固定功率值上，这样功率大的信号衰减大，其控制电压值大，而功率小的信号衰减小，其控制电压值小，所以可以将控制电压值作为衡量信号功率大小的参照值。
[0052]由压控衰减器、功率比较单元构成闭环的稳幅电路，将中频信号的功率锁定到系统设定功率值上，既方便后端计数单元处理中频信号，又可将控制电压值用来衡量输入信号功率大小，控制电压值最大的信号即可判定为主频信号，这样省掉了功率检测电路，简化了设计，节省了成本。
[0053]模数转换单元主要由一个12位或16位的模数转换器构成，其接收来自功率比较单元的控制电压，将控制电压进行放大、模数转换、电平变换后，数字量化的控制电压被传输到CPU模块。
[0054]计数单元包括FPGA电路，计数单元的作用是接收中频信号，对中频信号进行整形、滤波、放大、电平转换后传输到FPGA，在FPGA里面进行计数测频。
[0055]CPU单元控制整个系统的运行，包括控制本振模块按照设计方案输出不同频率的信号；控制计数单元进行计数处理；接收来自模数转换单元的数字信号；控制系统与外界的接口设置以及系统显示等。
[0056]基于上述判定电路，本发明还提供了一种应用于微波频率计的主频信号判定方法，如图4所示，工作步骤为:
[0057]第一步:系统启动测量，本振从较低频段开始频率步进扫描，当后端电路检测到中频信号时，即调整本振信号，完成一次计数测量，测得频率值及其对应的控制电压值，通过模数转换单元将控制电压值转化为数字信号，并将数据传回CPU单元。
[0058]第二步:完成一次测量后，本振按照一定频率步进继续扫描，搜索到中频信号则再一次记录控制电压值以及对应的本振频率，否则将继续进行扫描，直到完成全频段的扫描。
[0059]第三步:完成全频段扫描后，CPU单元分析接收到的来自模数转换单元的所有中频信号的控制电压值的数据，判定控制电压值最大的信号即为主频信号，按照程序设计重新设置主频信号对应的本振频率，再次产生该中频信号，启动计数单元，完成计数测量，显示主频信号的频率。
[0060]本发明应用于微波频率计的主频信号判定电路及判定方法，直接利用本振对全频段进行扫频，简化了前端处理的电路，避免了使用预选频技术可能带来的控制、补偿等技术难题，降低了技术难度，节省了成本；本发明直接利用本振信号驱动混频器对高频信号进行下变频处理，可以处理高频信号，而基于预选频技术的主频信号判定方法受到预选频带宽限制，其处理高频信号的能力有限；本发明设计了由压控衰减器、功率比较单元构成闭环的稳幅电路，将中频信号的功率锁定到系统设定功率值上，既方便后端计数单元处理中频信号，又可将控制电压值用来衡量输入信号功率大小，控制电压值最大的信号即可判定为主频信号，这样省掉了功率检测电路，简化了设计，节省了成本。
[0061]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种应用于微波频率计的主频信号判定电路，其特征在于，包括:混频器、本振单元、带通滤波器、压控衰减器、功率比较单元、数模转换单元、CPU单元以及计数单元； 本振单元为频率计提供混频的本振信号，本振信号驱动混频器对高频信号进行下变频处理，混频器将被测信号与本振信号进行混频得到中频信号； 带通滤波器对混频器输出的中频信号进行滤波； 压控衰减器对带通滤波器输出的中频信号进行功率衰减，衰减幅度与控制电压成线性关系; 功率比较单元的检波电路对压控衰减器输入的中频信号进行峰值检波，得到峰值电压，采样保持电路对峰值电压进行采样保持，比较电路将采样保持电压与比较电压进行比较，得到控制电压，将所述控制电压作用到压控衰减器，对输入中频信号进行功率衰减； 模数转换单元接收来自功率比较单元的控制电压，将控制电压进行放大、模数转换、电平变换后，数字量化的控制电压被传输到CPU单元； 计数单元接收功率比较单元输入的中频信号，对中频信号进行整形、滤波、放大、电平转换后传输到FPGA，在FPGA进行计数测频； CPU单元控制本振单元输出不同频率的信号，控制计数单元进行计数处理；接收来自模数转换单元的数字信号；控制系统与外界的接口设置以及系统显示。
2.如权利要求1所述的应用于微波频率计的主频信号判定电路，其特征在于，所述压控衰减器为一级衰减结构。
3.如权利要求1所述的应用于微波频率计的主频信号判定电路，其特征在于，所述压控衰减器为两级或三级衰减串联的结构。
4.一种基于权利要求1至3任一项所述电路的主频信号判定方法，包括以下步骤: 第一步:系统启动测量，本振单元从较低频段开始频率步进扫描，当后端电路检测到中频信号时，即调整本振信号，完成一次计数测量，测得频率值及其对应的控制电压值，通过模数转换单元将控制电压值转化为数字信号，并将数据传回CPU单元； 第二步:完成一次测量后，本振单元按照一定频率步进继续扫描，搜索到中频信号则再一次记录控制电压值以及对应的本振频率，否则将继续进行扫描，直到完成全频段的扫描; 第三步:完成全频段扫描后，CPU单元分析接收到的来自模数转换单元的所有中频信号的控制电压值的数据，判定控制电压值最大的信号即为主频信号，重新设置主频信号对应的本振频率，再次产生中频信号，启动计数单元，完成计数测量，显示主频信号的频率。
【文档编号】G01R23/02GK104316760SQ201410554440
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月10日 优先权日:2014年10月10日
【发明者】凌伟, 蒙海瑛, 杜念文, 张士峰, 白轶荣 申请人:中国电子科技集团公司第四十一研究所