CN104536339A - 基于高速数字检波的矢量网络分析仪功率控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于高速数字检波的矢量网络分析仪功率控制系统及方法，采用数字检波及处理的方式，通过数字信号处理技术几乎能够设计任意带宽的数字滤波器，从而提高检波的信噪比，达到提高功率扫描范围的目的。矢量网络分析仪数字检波链路线性度极高，提高了功率控制准确度。采用数字检波及处理的功率控制方法，不需要设计微波检波器及对数放大器等电路，简化了环路硬件设计，由于对中频进行检波，不受信号源频率范围的限制，因此只要中频不变，同一套稳幅系统可以应用于不同频率范围的矢量网络分析仪的功率控制。

Description

基于高速数字检波的矢量网络分析仪功率控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电磁波能量的测试技术领域，具体涉及一种基于高速数字检波的矢量网络分析仪功率控制系统及方法。

背景技术

随着各种先进的数字调制技术在诸如宽带数字通信系统中的广泛采用，为了降低系统的误码率，设计人员不仅需要关心整个射频收发系统的幅频特性，同时也要求对其相频特性进行测量。矢量网络分析仪是一种通用的微波毫米波测量仪器，对于射频收发系统中广泛使用的如放大器、滤波器、双工器等输入输出频率相同的所谓同频部件，可以实现对其幅频和相频矢量特性的精确测量。

传统矢量网络分析仪主要进行小信号线性测量，对激励信号源功率指标要求相对较低。现代矢量网络分析仪功能越来越多，开始由线性向非线性测量过渡，非线性特性和功率相关，所以现代矢量网络分析仪的非线性测试功能对功率指标提出了更高的要求。矢量网络分析仪从硬件上主要分为信号源和接收机两大部分，所以在源功率控制方面传统的做法是采用合成信号源中广泛使用的自动电平控制(ALC)技术来对矢量网络分析仪的功率进行控制。

传统的自动电平控制原理框图如图1所示。在源输出端由功分器分出一路信号进行检波，为增大对功率的控制范围，将检波信号进行对数放大。参考电平由D/A输出，用于实现主机对功率的设置。参考电平与对数放大的输出电压进行比较并且对比较误差进行积分，最终反馈到源通路中的电调衰减器上，这样组成一个负反馈环路，实现源功率的自动稳幅和控制。

申请号为201210252024.7的发明专利申请提出了一种基于中频检波的矢量网络分析仪功率控制方案，如图2所示。

此方案利用矢量网络分析仪的激励信号源Source和接收机本振源LO始终保持固定的中频进行同步扫描的特点，通过在中频进行检波实现对激励信号源功率的自动控制。由于中频检波带宽较窄，从而提高了检波信噪比，增大了功率稳幅范围和功率准确度。

由于这两种方案完全用模拟电路来实现，模拟电路带宽相对较宽，噪声较大导致功率控制精度相对较低。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明提出了一种基于高速数字检波的矢量网络分析仪功率控制系统及方法，通过数字接收通路来代替传统方案中的检波器及对数放大电路，组成一个数模混合ALC环路对功率进行控制，进而提高检波灵敏度及检波准确度，达到提高功率稳幅范围和矢量网络分析仪发射端口功率控制精度的目的。为达上述目的，一方面，本发明实施例提供了一种基于高速数字检波的矢量网络分析仪功率控制系统，包括：

激励信号源、衰减器、第一耦合器、第二耦合器、混频器、本振源、功率放大器、带通滤波器、测试通道、参考通道、CPU以及驱动放大器；

其中，所述激励信号源通过所述衰减器与所述第一耦合器的输入端连接；

所述第一耦合器的第一输出端与所述第二耦合器的输入端连接，其第二输出端与所述混频器的第一输入端连接；

所述混频器的第二输入端与所述本振源连接，其输出端通过所述功率放大器与所述带通滤波器连接；

所述带通滤波器通过所述参考通道与所述及CPU的第一输入端连接；

所述第二耦合器的第一输出端与输出端口连接，所述第二耦合器的第二输出端通过所述测试通道与所述CPU的第二输入端连接；

所述CPU的输出端通过所述驱动放大器与所述衰减器连接。

进一步的，所述参考通道包括：相互连接的第一高速A/D转换器以及第一高速数字信号处理器DSP；其中，所述第一高速A/D转换器与所述带通滤波器连接，所述第一高速DSP与所述CPU的第一输入端连接；

所述测试通道包括：相互连接的第二高速A/D转换器以及第二高速DSP；其中，所述第二高速A/D转换器与所述第二耦合器的第二输出端连接，所述第二高速DSP与所述CPU的第二输入端连接。

另一方面，本发明提供了一种基于高速数字检波的矢量网络分析仪功率控制方法，包括：

激励信号源产生的激励信号，通过第一耦合器耦合器分为测试信号和参考信号；

所述测试信号经过第二耦合器后通过输出端口输出；

该第二耦合器将反射信号经测试通道进行采样和计算处理完成检波后，发送至CPU；

所述参考信号与本振源产生的本振信号进行混频，生成中频信号；该中频信号经放大及带通滤波后，由参考通道进行采样和计算处理完成检波后，发送至CPU；

所述CPU根据处理后的参考信号以及处理后的反射信号，生成反馈信号，并将该反馈信号发送至驱动放大器，以使该驱动放大器驱动衰减器改变衰减量，实现对所述激励信号的功率的自动控制。

进一步的，所述测试通道对所述反射信号进行采样和计算处理，具体为：

通过第二高速A/D转换器对所述反射信号进行采样，通过第二高速DSP对采样后的反射信号进行计算处理；

所述参考通道对所述中频信号进行采样和计算处理，具体为：

通过第一高速A/D转换器对所述中频信号进行采样，通过第一高速DSP对采样后的中频信号进行计算处理。

上述技术方案具有如下有益效果：

上述技术方案采用数字检波及处理的方式，通过数字信号处理技术几乎能够设计任意带宽的数字滤波器，从而提高检波的信噪比，达到提高功率扫描范围的目的。矢量网络分析仪数字检波链路线性度极高，提高了功率控制准确度。采用数字检波及处理的功率控制方法，不需要设计微波检波器及对数放大器等电路，简化了环路硬件设计，由于对中频进行检波，不受信号源频率范围的限制，因此只要中频不变，同一套稳幅系统可以应用于不同频率范围的矢量网络分析仪的功率控制。

附图说明

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。

图1是现有技术中的自动电平控制原理框图；

图2是现有技术基于中频检波的功率控制原理框图；

图3是本发明实施例一的基于高速数字检波的网络分析仪功率控制系统原理框图；

图4是本发明实施例二的基于高速数字检波的矢量网络分析仪功率控制方法的流程图。

具体实施方式

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。

矢量网络分析仪是微波毫米波器件和设备性能测试领域不可或缺的测量仪器。随着微波毫米波技术的迅速发展，对测试仪器的性能指标要求越来越高。比如在高精度接收机所使用的混频器和放大器的压缩点测试中，测量1dB压缩点已经不能满足要求，希望测量0.1dB甚至更高精度的压缩点，高精度压缩点的测量只有在激励源功率精度高的条件下才能进行。放大器测试中，有时需要测试多级级联放大器的增益及压缩点，这时对功率扫描范围也提出了更高的要求。现有矢量网络分析仪功率控制技术都是直接采用合成信号源的功率控制技术，完全用模拟电路实现功率控制，模拟电路一般带宽相对比较宽，精度相对较低，目前国内外矢量网络分析仪功率扫描范围指标小于50dB，功率控制精度在±1dB以内。难以实现0.1dB压缩点测试等要求。

基于现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于高速数字检波的矢量网络分析仪功率控制系统及方法，以解决提高微波矢量网络分析仪的功率控制精度及功率扫描范围的瓶颈，实现大幅提高矢量网络分析仪发射端口功率准确度和功率扫描范围指标，便于实现0.1dB以上的高精度压缩点测试。

实施例一

如图3所示，为本实施例基于高速数字检波的网络分析仪功率控制系统的原理框图，包括：

激励信号源101、衰减器102、第一耦合器103、第二耦合器104、混频器105、本振源106、功率放大器107、带通滤波器108、测试通道109、参考通道110、CPU111以及驱动放大器112；

其中，所述激励信号源101通过所述衰减器102与所述第一耦合器103的输入端连接；

所述第一耦合器103的第一输出端与所述第二耦合器104的输入端连接，其第二输出端与所述105混频器的第一输入端连接；

所述混频器105的第二输入端与所述本振源106连接，其输出端通过所述功率放大器107与所述带通滤波器108连接；

所述带通滤波器108通过所述参考通道110与所述CPU111的第一输入端连接；

所述第二耦合器104的第一输出端与输出端口113连接，所述第二耦合器104的第二输出端通过所述测试通道109与所述CPU111的第二输入端连接；

所述CPU111的输出端通过所述驱动放大器112与所述衰减器102连接。

进一步的，所述参考通道110包括：相互连接的第一高速A/D转换器以及第一高速数字信号处理器DSP；其中，所述第一高速A/D转换器与所述带通滤波器连接，所述第一高速DSP与所述CPU的第一输入端连接；

所述测试通道109包括：相互连接的第二高速A/D转换器以及第二高速DSP；其中，所述第二高速A/D转换器与所述第二耦合器的第二输出端连接，所述第二高速DSP与所述CPU的第二输入端连接。

通过上述系统，激励信号通过第一耦合器分成两路，一路作为测试信号经过第二耦合器通过输出端口输出，另一路作为参考信号R，与本振源进行混频，输出的R中频信号经放大及带通滤波后，由高速A/D转换器进行采样，DSP进行计算处理完成检波，中央处理器根据处理结果发送反馈信号通过驱动放大器驱动电调衰减器，改变衰减量，实现对功率的自动控制。这样，激励源和矢量网络分析仪数字接收机通道之间组成一个闭环自动电平控制链路。

本实施例充分利用矢量网络分析仪自身的资源，即矢量网络分析仪的高灵敏度数字接收通路替代ALC中的检波器及对数放大器等处理电路的方式实现对功率的控制。

实施例二

现有的矢量网络分析仪功率控制技术无论采用直接从微波信号源的输出端口进行宽带检波，还是从中频进行的窄带检波，都是由模拟电路来实现，即使中频检波，其带宽也在几十MHz以上，噪声仍然较大，以目前市场上性能指标较高的集成对数检波器AD8310为例，检波灵敏度约为-70dBm，线性度为0.4dB，仍然难以满足0.1dB功率准确度的要求以及更宽的功率稳幅范围。

如图4所示，为本实施例基于高速数字检波的矢量网络分析仪功率控制方法的流程图，包括：

步骤401，激励信号源产生的激励信号，通过第一耦合器耦合器分为测试信号和参考信号；

步骤402，所述测试信号经过第二耦合器后通过输出端口输出；

步骤403，该第二耦合器将反射信号经测试通道进行采样和计算处理完成检波后，发送至CPU；

步骤404，所述参考信号与本振源产生的本振信号进行混频，生成中频信号；该中频信号经放大及带通滤波后，由参考通道进行采样和计算处理完成检波后，发送至CPU；

步骤405，所述CPU根据处理后的参考信号以及处理后的反射信号，生成反馈信号，并将该反馈信号发送至驱动放大器，以使该驱动放大器驱动衰减器改变衰减量，实现对所述激励信号的功率的自动控制。

进一步的，所述测试通道对所述反射信号进行采样和计算处理，具体为：

通过第二高速A/D转换器对所述反射信号进行采样，通过第二高速DSP对采样后的反射信号进行计算处理；

所述参考通道对所述中频信号进行采样和计算处理，具体为：

通过第一高速A/D转换器对所述中频信号进行采样，通过第一高速DSP对采样后的中频信号进行计算处理。

功率稳幅范围取决于稳幅环路所能处理的大信号和能检测到的小信号的能力，一般来说，市场上的矢量网络分析仪输出功率最大为20dBm左右，输入到检波器的信号从主路耦合出一小部分(耦合度15dB),所以大信号不会导致稳幅环路压缩，制约环路稳幅范围的因素主要在小信号检波的灵敏度上。本实施例通过高速数字检波便于采用数字信号处理技术，数字滤波器的带宽几乎可以做到任意控制，一般可以达到1Hz。所以对噪声的抑制能力更强，灵敏度更高，从而提高功率稳幅范围。一般来说矢量网络分析仪的接收灵敏度可高达120dB以上，从而理论上可以使功率稳幅范围达到120dB以上。

在功率控制准确度方面，混频器虽然是非线性器件，但是混频器的射频输入功率和中频输出功率具有非常高的线性关系，这并不矛盾。混频器输出的中频信号通过16位高速A/D转换器，量化误差非常小，从而可以保证很高的检波精度，从而提高功率控制准确度。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrativelogical block)，单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability)，上述的各种说明性部件(illustrativecomponents)，单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于高速数字检波的矢量网络分析仪功率控制系统，其特征在于，包括：

激励信号源、衰减器、第一耦合器、第二耦合器、混频器、本振源、功率放大器、带通滤波器、测试通道、参考通道、中央处理器CPU以及驱动放大器；

其中，所述激励信号源通过所述衰减器与所述第一耦合器的输入端连接；

所述第一耦合器的第一输出端与所述第二耦合器的输入端连接，其第二输出端与所述混频器的第一输入端连接；

所述混频器的第二输入端与所述本振源连接，其输出端通过所述功率放大器与所述带通滤波器连接；

所述带通滤波器通过所述参考通道与所述及CPU的第一输入端连接；

所述第二耦合器的第一输出端与输出端口连接，所述第二耦合器的第二输出端通过所述测试通道与所述CPU的第二输入端连接；

所述CPU的输出端通过所述驱动放大器与所述衰减器连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述参考通道包括：相互连接的第一高速A/D转换器以及第一高速数字信号处理器DSP；其中，所述第一高速A/D转换器与所述带通滤波器连接，所述第一高速DSP与所述CPU的第一输入端连接；

所述测试通道包括：相互连接的第二高速A/D转换器以及第二高速DSP；其中，所述第二高速A/D转换器与所述第二耦合器的第二输出端连接，所述第二高速DSP与所述CPU的第二输入端连接。

3.一种基于高速数字检波的矢量网络分析仪功率控制方法，其特征在于，包括：

激励信号源产生的激励信号，通过第一耦合器分为测试信号和参考信号；

所述测试信号经过第二耦合器后通过输出端口输出；

该第二耦合器将反射信号经测试通道进行采样和计算处理完成检波后，发送至CPU；

所述参考信号与本振源产生的本振信号进行混频，生成中频信号；该中频信号经放大及带通滤波后，由参考通道进行采样和计算处理完成检波后，发送至CPU；

所述CPU根据处理后的参考信号以及处理后的反射信号，生成反馈信号，并将该反馈信号发送至驱动放大器，以使该驱动放大器驱动衰减器改变衰减量，实现对所述激励信号的功率的自动控制。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述测试通道对所述反射信号进行采样和计算处理，具体为：

通过第二高速A/D转换器对所述反射信号进行采样，通过第二高速DSP对采样后的反射信号进行计算处理；

所述参考通道对所述中频信号进行采样和计算处理，具体为：

通过第一高速A/D转换器对所述中频信号进行采样，通过第一高速DSP对采样后的中频信号进行计算处理。