一种信号源综合参数现场测量装置的制作方法

本发明涉及无线电测量仪器。更具体地，涉及一种信号源综合参数现场测量装置。

背景技术：

信号源是应用最广泛的无线电仪器，大量使用在无线电通信科研测试领域和部队的现役装备(雷达、导弹、飞机及导航卫星等)、试验场、靶场等诸多场合。它的性能指标对各应用系统都有重要的影响。但是，在通常情况下试验场和靶场等现场的测试环境条件均比较恶劣，且经常在室外进行，温湿度环境和电源的电压波动很大，零地电压有时可达到将近20VPP，这些因素很容易在测试时造成所用的仪器不可逆的严重的损坏，或者对测量数据产生很大的影响，导致测量结果的不准确和不可靠。目前国际上商品化的信号源综合参数测量装置主要有德国R&S公司生产的FSMR测量接收机和美国Agilent公司生产的N5530S测量接收机。它们的工作原理均是在频谱分析仪的基础上通过软件来实现的，但对试验条件、环境条件均有较高要求，无法满足试验场、靶场等现场测试任务。

因此，需要提供一种信号源综合参数现场测量装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种信号源综合参数现场测量装置，解决在恶劣的环境下解决对信号源的现场测量，得到信号源输出的待测信号的频率、衰减、调制度、频谱纯度等各项技术指标。本发明需要达到的技术指标为：

(1)频率测量范围：10MHz～40GHz；

频率测量分辨力：1Hz；

允许误差极限：5×10-8；

(2)衰减测量范围：

(10～2000)MHz：(0～120)dB，允许误差极限：±0.02dB/10dB；

(2～26.5)GHz：(0～100)dB，允许误差极限：±0.02dB/10dB；

(26.5～40)GHz：(0～80)dB，允许误差极限：±0.05dB/10dB；

(3)调制度测量：

调制频率：20Hz～200kHz；

调幅度测量范围：0％～99％，允许误差极限：±1％；

调频频偏测量范围：0Hz～1MHz，允许误差极限：±1％；

调相相偏测量范围：0～400rad，允许误差极限：±3％；

(4)频谱纯度(谐波、杂波)范围：(-20～-80)dBc

允许误差极限：±1.0dB。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种信号源综合参数现场测量装置，包括：射频前端模块、频率测量模块、衰减测量模块、调制度测量模块、频谱纯度测量模块和显示控制模块；

射频前端模块的输入端作为信号源综合参数现场测量装置的待测信号输入端，射频前端模块的输出端分别连接频率测量模块、衰减测量模块、调制度测量模块和频谱纯度测量模块的输入端，频率测量模块、衰减测量模块、调制度测量模块和频谱纯度测量模块的输出端均连接显示控制模块的输入端。

优选地，所述射频前端模块进一步包括：YIG滤波器、第一SPDT射频同轴开关、第一SP3T射频同轴开关、第二SP3T射频同轴开关、8GHz～40GHz微波放大器、第一微波衰减器、第三SP3T射频同轴开关、8GHz～40GHz混频器、第二SPDT射频同轴开关、10MHz～8GHz微波放大器、第二微波衰减器、第四SP3T射频同轴开关、10MHz～8GHz混频器、本振信号源和第三SPDT射频同轴开关；

YIG滤波器，输入端作为射频前端模块的待测信号输入端，输出端连接第一SPDT射频同轴开关的输入端；

第一SPDT射频同轴开关的第一输出端连接第一SP3T射频同轴开关的输入端、第二输出端连接第二SP3T射频同轴开关的输入端；

第一SP3T射频同轴开关的第一输出端连接8GHz～40GHz微波放大器的输入端、第二输出端连接第一微波衰减器的输入端、第三输出端连接第三SP3T射频同轴开关的第三输入端；

8GHz～40GHz微波放大器的输出端连接第三SP3T射频同轴开关的第一输入端，第一微波衰减器的输出端连接第三SP3T射频同轴开关的第二输入端；

第三SP3T射频同轴开关的输出端连接8GHz～40GHz混频器的输入端；

第二SP3T射频同轴开关104的第一输出端连接10MHz～8GHz微波放大器的输入端、第二输出端连接第二微波衰减器的输入端、第三输出端连接第四SP3T射频同轴开关的第三输入端；

10MHz～8GHz微波放大器的输出端连接第四SP3T射频同轴开关的第一输入端，第二微波衰减器的输出端连接第四SP3T射频同轴开关的第二输入端；

第四SP3T射频同轴开关的输出端连接10MHz～8GHz混频器的输入端；

本振信号源的输出端连接第三SPDT射频同轴开关的输入端；

第三SPDT射频同轴开关的第一输出端连接8GHz～40GHz混频器的本振端、第二输出端连接10MHz～8GHz混频器的本振端；

8GHz～40GHz混频器的输出端连接第二SPDT射频同轴开关的第一输入端，10MHz～8GHz混频器的输出端连接第二SPDT射频同轴开关的第二输入端；

第二SPDT射频同轴开关的输出端作为射频前端模块的中频信号输出端。

优选地，所述衰减测量模块包括依次连接的低噪声预放、带通滤波器、程控步进标准衰减器和锁相放大器，低噪声预放的输入端作为衰减测量模块的输入端，锁相放大器的输出端作为衰减测量模块的输出端。

优选地，所述调制度测量模块进一步包括：AD数据采集器、AM解调器、FM解调器、选择开关、FIR低通滤波器和DSP数据处理器；

AD数据采集器，输入端作为调制度测量模块的输入端、输出端分别连接AM解调器和FM解调器的输入端；

AM解调器的输出端连接选择开关的第一输入端，FM解调器的输出端连接选择开关的第二输入端；

选择开关的输出端连接FIR低通滤波器的输入端，FIR低通滤波器的输出端连接DSP数据处理器的输入端；

DSP数据处理器的控制端连接选择开关的控制端，DSP数据处理器的输出端作为调制度测量模块的输出端。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案结构紧凑可靠、体积小、测量参数齐全、指标达到国外同类产品水平，实现国产化目标，能满足现场测量要求，保证了高技术武器装备的战斗力，确保研制产品质量和方便日常维护，保证了信号源可在使用前或维护期内对其关键指标、关键参数进行测量和校准。在衰减测量中由于采用了锁相放大器的相关检测方法，在测量大衰减量时把输入的微弱信号放大到足以满足相关检波器工作的电平，利用锁相放大器相关检测方法抑制和滤除输入信号的干扰和噪声，使得测量信噪比很差的信号时，仍能够从噪声中提取出有用信号并进行有效测量，使得平衡电平的测量稳定性得到很大程度的提高，进而使衰减的测量准确度、稳定性和重复性有了很大的提升。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出信号源综合参数现场测量装置的示意图。

图2示出射频前端模块的示意图。

图3示出衰减测量模块的示意图。

图4示出频率测量模块进行频率计算的示意图。

图5示出调制度测量模块的示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明公开的信号源综合参数现场测量装置包括射频前端模块100和中频测量接收机，其中，中频测量接收机包括频率测量模块200、衰减测量模块300、调制度测量模块400、频谱纯度测量模块500和显示控制模块600。射频前端模块100的主要功能是无畸变地将待测信号变换到中频，输出频率稳定的中频信号。中频测量接收机的功能为通过各测量模块和显示控制模块600的配合，构成一台完整的信号源综合参数测量接收机系统。

本发明公开的信号源综合参数现场测量装置中，射频前端模块100的输入端作为信号源综合参数现场测量装置的待测信号输入端，射频前端模块100的输出端分别连接频率测量模块200、衰减测量模块300、调制度测量模块400和频谱纯度测量模块500的输入端，频率测量模块200、衰减测量模块300、调制度测量模块400和频谱纯度测量模块500的输出端均连接显示控制模块600的输入端。

本方案中，射频前端模块100通过对待测信号(通常为高频宽带微波信号)进行频谱搬移，使待测信号变为容易处理的中频信号，进行频谱搬移的方法是通过混频器和本振信号对被测射频信号进行下变频。由于混频器为非线性器件，所以要考虑非线性的影响，输入混频器的信号不能太大，以免产生非线性压缩造成测量误差，而当待测信号太小时，由于混频器噪底的限制可能使被测信号淹没在噪声之中无法测量。因此在射频前端模块100中对待测信号进行处理时要综合考虑这两方面的因素。当待测信号功率电平太强时，射频前端模块100中在混频器前端加入微波衰减器来降低输入信号的电平，减小混频器非线性压缩；当待测信号功率电平很弱时，射频前端模块100中在混频器前端加入微波宽带放大器提高输入信号的功率电平，降低噪声影响提高信噪比，使混频器始终工作在良好的状态下，在不引起信号的非线性失真的同时又提高了信噪比，并有效地提高了测量的动态范围。

如图2所示，为实现上述功能，射频前端模块100进一步包括：

YIG滤波器101、第一SPDT射频同轴开关102、第一SP3T射频同轴开关103、第二SP3T射频同轴开关104、8GHz～40GHz微波放大器105、第一微波衰减器106、第三SP3T射频同轴开关107、8GHz～40GHz混频器108、第二SPDT射频同轴开关109、10MHz～8GHz微波放大器110、第二微波衰减器111、第四SP3T射频同轴开关112、10MHz～8GHz混频器113、本振信号源114和第三SPDT射频同轴开关115；

YIG滤波器101，输入端作为射频前端模块100的待测信号输入端，输出端连接第一SPDT射频同轴开关102的输入端；

第一SPDT射频同轴开关102的第一输出端连接第一SP3T射频同轴开关103的输入端、第二输出端连接第二SP3T射频同轴开关104的输入端；

第一SP3T射频同轴开关103的第一输出端连接8GHz～40GHz微波放大器105的输入端、第二输出端连接第一微波衰减器106的输入端、第三输出端连接第三SP3T射频同轴开关107的第三输入端；

8GHz～40GHz微波放大器105的输出端连接第三SP3T射频同轴开关107的第一输入端，第一微波衰减器106的输出端连接第三SP3T射频同轴开关107的第二输入端；

第三SP3T射频同轴开关107的输出端连接8GHz～40GHz混频器108的输入端；

第二SP3T射频同轴开关104的第一输出端连接10MHz～8GHz微波放大器110的输入端、第二输出端连接第二微波衰减器111的输入端、第三输出端连接第四SP3T射频同轴开关112的第三输入端；

10MHz～8GHz微波放大器110的输出端连接第四SP3T射频同轴开关112的第一输入端，第二微波衰减器111的输出端连接第四SP3T射频同轴开关112的第二输入端；

第四SP3T射频同轴开关112的输出端连接10MHz～8GHz混频器113的输入端；

本振信号源114的输出端连接第三SPDT射频同轴开关115的输入端；

第三SPDT射频同轴开关115的第一输出端连接8GHz～40GHz混频器108的本振端、第二输出端连接10MHz～8GHz混频器113的本振端；

8GHz～40GHz混频器108的输出端连接第二SPDT射频同轴开关109的第一输入端，10MHz～8GHz混频器113的输出端连接第二SPDT射频同轴开关109的第二输入端；

第二SPDT射频同轴开关109的输出端作为射频前端模块100的中频信号输出端。

中频测量接收机一般均采用中频替代法测量，并且均在较低的固定中频上进行替代。为了保证很高的测量准确度，要求接收机有良好的线性、优良的稳定性和精细的中频增益控制。线性主要取决于测量接收机部分的检波器工作电平，故要恰当的选择中频电路增益以的调整射频和中频增益，使其落在检波器的最佳线性区域内。测量接收机部分采用通带很窄的中频放大器，可以提高电平测量下限的测量范围，采用窄带滤波电路，保证中频频率在中频带宽的最佳位置，带宽越窄小信号测量的稳定度就越高，可测的电平也会越小，接收机的灵敏度就越高。

本方案中，衰减测量模块300采用串联低中频替代法，其特点是衰减测量的准确度高且动态范围较大，工作原理为首先在零衰减时进行校准，再接入被测衰减器，通过改变程控步进标准衰减器的衰减量替代被测衰减器的衰减量达到再次平衡。为了进一步提高系统性能，本方案中采用射频串联和低中频串联替代相结合的方法对系统进行改进，引入锁相放大器相关检测的方法，使用锁相放大器作为中频接收和指示装置。锁相放大器是根据参考信号与测试信号相关而与噪声不相关的原理，采用相关检测技术，最大限度的压缩带宽、抑制噪声，使得系统的测量稳定度和动态范围都有大幅提高。采用锁相放大器进行单通道串联低中频替代法原理框图如图3所示。在衰减测量系统中，采用射频源、本振源和函数发生器共时基，其参考信号由函数发生器产生，测试系统结构简单，且由于不存在测试通道和参考通道的串扰问题，测量准确度更高。

如图3所示，衰减测量模块300包括依次连接的低噪声预放301、带通滤波器302、程控步进标准衰减器303和锁相放大器304，低噪声预放301的输入端作为衰减测量模块300的输入端，锁相放大器304的输出端作为衰减测量模块300的输出端。采用串联低中频替代法的技术原理，通过频率变换方式将射频及微波信号线性地变换为中频信号，利用高准确度标准衰减器的改变量替代被检的射频及微波衰减器的衰减量从而达到准确有效地测量衰减量的目的，它具有很高的灵敏度，和超过100dB的动态范围。为了保证很高的测量准确度，要求接收机有良好的线性、优良的稳定性和精细的中频增益控制。线性主要取决于工作电平，故要恰当的选择射频前端电路增益和中频电路增益的各种组合调节射频和中频增益，使其落在混频器和检波器的最佳线性区域内。

衰减测量的过程是首先对中频信号进行低噪声预放，经程控步进标准衰减器303进行替代补偿后由锁相放大器304进行中频放大滤波和相关检波处理并送至显示控制模块600进行最终显示。具体过程为首先要进行校准，即中频信号的衰减量为零时对系统进行校准，得到一平衡电平，然后改变中频信号的衰减量，并同时改变系统中程控标准步进衰减器303的衰减量，使系统达到二次平衡，此时的程控标准步进衰减器303的改变量即为中频信号的衰减量。而被测量的误差则取决于锁相放大器304的灵敏度和准确度。

在测量不同的衰减量时，由于采用的为中频替代法，因此系统的总衰减量是固定不变的，合理分配每部分的增益，使得系统对信号进行放大时不产生非线性失真和压缩，在信号很小时又能满足信噪比，在此原则下各部分电路分配的技术指标如下：

低噪声预放301：

中心频率：50kHz；放大增益：20dB；输出阻抗：

程控步进标准衰减器303：

中心频率：50kHz；衰减范围：0～110dB，0.1dB步进；输入输出阻抗：

锁相放大器304：

中心频率：50kHz；放大增益：90dB；带宽：500Hz；输入阻抗：

在电路的设计过程中，还要有效保证锁相放大器304对温度漂移、电源频率干扰的抑制能力。

本方案中，频率测量模块200对于小于150MHz信号采用直接测量的方法，对于大于150MHz射频信号采用将混频器后的中频信号经过比较器对信号进行整形去噪后，利用FPGA构成频率计进行测频，最后根据相关的本振频率得到被测的射频频率。在信号调理过程中，由于谐波较基波至少要弱20dB，在测量过程中为了消除混频后寄生频率的影响，电路采用在比较电平的基础上再加一小的直流偏置(约50mV)，使得比较电平偏离被测信号的幅度中心点，对小的谐波信号干扰不产生响应，从而使得整形过程中消除了谐波的干扰，从而提高测量的准确度。

在信号处理时采用对本振信号源进行扫描控制的方法使混频后的中频频率落在频率的可测范围内，然后通过改变本振的一个小的变化量在进行测频，根据所测频率的变化量和本振的量可以得到实际被测量的准确值，计算示意图如图4所示。当本振信号频率fL大于被测信号fx时，通过改变本振信号频率一个变换量”f，则所测到的中频信号的频率fI同方向变化，得出被测信号频率为fL-fI；当本振信号fL小于被测信号fx时，通过改变本振信号频率一个变换量”f，则所测到的中频信号的频率fI反方向变化，得出被测信号频率为fL+fI。

本方案中，调制度测量模块400具有调幅、调频和调相测量能力，能够解调调频/调幅/调相信号。调制度测量模块400对中频信号进行高速数据采集并进行软件解调。通过微处理器对对采集后的信号进行软件解调、滤波、数据处理分析后得到相关调制度测量结果。具体的，对中频信号进行高速数据采集，对调幅信号数字化后的调幅波经过绝对值计算，再经过低通滤波，得到调制信号；而调频波所携带的信息包含在瞬时频率的变化之中，其中的过零信息就包含着调制信息，对调频信号解调采用的是过零信息计数法实现解调，计数法是利用调频波通过零点的惟一性，准确性，宽范围，高效率的解调调频波，获得原调制信号的方法。过零点的惟一性是指调频波的过零点和调制信号的瞬时幅度一一对应。首先对调频波进行A/D变换形成数据流，在对数据流每过零一次，计数器就加1。对脉冲的计数后进行低通滤波，就可得到调制信号。

如图5所示，为实现上述功能，调制度测量模块400进一步包括：

AD数据采集器401、AM解调器202、FM解调器403、选择开关404、FIR低通滤波器405和DSP数据处理器406；

AD数据采集器401，输入端作为调制度测量模块400的输入端、输出端分别连接AM解调器402和FM解调器403的输入端；

AM解调器402的输出端连接选择开关404的第一输入端，FM解调器403的输出端连接选择开关404的第二输入端；

选择开关404的输出端连接FIR低通滤波器405的输入端，FIR低通滤波器405的输出端连接DSP数据处理器406的输入端；

DSP数据处理器406的控制端连接选择开关404的控制端，DSP数据处理器406的输出端作为调制度测量模块400的输出端。

本方案中，频谱纯度测量模块500具有测量信号源输出二次谐、三次谐和分谐波的功能。频谱纯度测量模块500的工作过程为在衰减测量的基础上，在测谐波时在混频器的前端加一YIG带通滤波器滤除基波以消除基波对中频信号的非线性影响，测得的相对于基波的衰减量，此方法测得的频谱纯度精度相比直接测量要高许多。频谱纯度的测量方法是首先在基波频率上进行校准，然后依此为参考，改变YIG带通滤波器的中心频率到分谐波、谐波的频率点在进行测量得到相对于基波的衰减量，再通过对YIG带通滤波器、混频器的频响引入的误差分量进行修正，得到最终测量结果。

如上所述，本发明公开的信号源综合参数现场测量装置，具有如下优点：

(1)可以在恶劣的电磁和温度环境下，可以对信号源的现场校准，其结构紧凑可靠、体积小、测量参数齐全，用于检定和校准信号源的频率、衰减、调制度、频谱纯度等各项技术指标。

(2)在衰减测量方面引入了锁相放大器对微弱信号进行校准和检定，使得测量准确度和动态范围都有大幅提高，从而解决了在测量大衰减量过程中各类噪声的干扰问题。

(3)在频率测量方面对于大于150MHz射频信号采用将混频器后的中频信号经过比较器对信号进行整形去噪后，在信号调理过程中，由于谐波较基波至少要弱20dB，在测量过程中为了消除混频后寄生频率的影响，电路采用在比较电平的基础上再加一小的直流偏置(约50mV)，使得比较电平偏离被测信号的幅度中心点，对小的谐波信号干扰不产生响应，从而使得整形过程中消除了谐波的干扰，从而提高测量的准确度。在测量结果处理时采用对本振信号源进行扫描控制的方法使混频后的中频频率落在频率的可测范围内，然后通过改变本振的一个小的变化量在进行测频，根据所测频率的变化量和本振的量可以得到最终实际被测量的准确值。

(4)在频谱纯度测量方面采用得是通过改变YIG带通滤波器中心频率对待测频率点直接测量相对于基波的衰减量，通过误差修正得到最终测量结果。

(5)在调制度测量方面采用的数字解调方法代替传统的模拟电路进行，使得测量准确度均有所提高。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。