CN108964612B - 一种低噪声分布式幅度调制电路及调制方法、微波信号发生器 - Google Patents
一种低噪声分布式幅度调制电路及调制方法、微波信号发生器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种分布式幅度调制电路，属于微波信号发生器技术领域。所述分布式幅度调制电路用于微波信号发生器，包括多个级联的幅度调制单元，每个幅度调制单元包括幅度调制器、驱动电路和放大器，通过调节各个幅度调制单元中幅度调制器的衰减量，改变微波信号发生器输出功率。采用本发明的分布式幅度调制电路，在信号源输出小功率的情况下，可由多级分布式的幅度调制器对信号进行适量的衰减，可实现较高信噪比；避免噪声底部的抬高和相位噪声的恶化，从而提高信号质量。本发明还公开了一种低噪声分布式幅度调制方法、微波信号发生器。
Description
技术领域
本发明涉及信号发生器领域，特别涉及一种低噪声分布式幅度调制电路及调制方法、微波信号发生器。
背景技术
通用型微波信号发生器是常用的微波测量仪器之一，根据测试需求，信号发生器可输出指定频率、指定功率、指定调制类型的信号，用于模拟各种测试场景；在不借助外部固定衰减单元的情况下，微波信号发生器输出功率动态范围可达到50dB甚至更高，这样给信号质量带来了巨大的挑战，当微波信号发生器输出功率变化的情况下，信号噪声底部也发生变化，具体表现为当微波信号发生器输出小功率的情况下，输出信号噪声底部抬高，相位噪声也随之恶化，动态范围越大，噪声底部越高，相位噪声恶化越严重，该问题严重影响微波信号发生器输出信号各项噪声指标。
图1示出了微波信号发生器的一个典型电路，该电路采用自动电平控制(Autolevel control，ALC)技术和幅度调制技术，自动电平控制主要功能是精准控制信号输出功率，幅度调制技术则主要功能是将幅度信息调制到载波便于传输。因ALC电路中的幅度控制电路和信号发生器中的幅度调制电路作用都是对信号幅度进行调理，为简化微波信号发生器方案，ALC环路中的幅度控制电路和幅度调制电路通常是共用同一电路，即图1中所示的幅度调制电路，幅度调制电路后端为多级级联放大器，作用为对微波信号进行放大。信号发生器输出信号通过定向耦合器耦合一路信号进行检波，得到对应功率的检波电压，检波电压放大后与预设功率对应的参考电压进行比较，比较器输出放大后的电压差，通过驱动器转换后调节幅度调制器衰减量，改变微波信号发生器输出功率，该环路一直重复以上的动态调节状态，直至检波电压与参考电压相等，即信号输出功率达到预设功率时稳定。
微波信号发生器还可以采用其他电路实现，目前，现有的微波信号发生器都是采用单级幅度调制电路，即如图1中虚线框内所示的幅度调制电路，幅度调制器为单级调制器，信号发生器输出功率动态范围即为幅度调制器最大衰减量，幅度调制器后端为多级级联放大器，用于微波信号功率放大输出。
在微波信号发生器最小输出功率状态下，幅度调制器(幅度控制器)达到最大衰减量，例如信号发生器动态范围为50dB甚至更高，幅度调制电路的衰减量将达到50dB甚至更高，理论上信号噪声底部最低为-174dBm/Hz，小功率信号输出情况下，信号衰减50dB甚至更高，但噪声底部却已经到达极限理论值，信噪比恶化严重，经过后端放大器放大后，噪声底部随信号放大抬高，相位噪声恶化，信号质量下降。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明提出了一种低噪声分布式幅度调制电路及调制方法、微波信号发生器，采用分布式幅度调制改善噪声底部，提高相位噪声。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种分布式幅度调制电路，用于微波信号发生器，包括多个级联的幅度调制单元，每个幅度调制单元包括幅度调制器、驱动电路和放大器，通过调节各个幅度调制单元中幅度调制器的衰减量，改变微波信号发生器输出功率。
可选地，各级幅度调制单元的设置满足以下条件：
NGin+Gn-ATTn>NG+K
其中，NG为整个信号链路最低噪声底部；NGin为输入信号功率为Pin时所对应的噪声底部；G1～Gn为各级幅度调制单元放大器增益；ATT1～ATTn为各级幅度调制器衰减量；K为余量值。
可选地，所述K＝5～10dB。
可选地，所述分布式幅度调制电路设置满足以下条件：
G＝G1+G2+…+Gn
ATT＝ATT1+ATT2+…+ATTn
其中，G为信号通路所需总增益，ATT为信号通路所需总衰减量，
G＝Pmax-Pin
ATT＝Pd
其中，Pd为信号发生器输出功率动态范围，Pmax为信号发生器输出最大功率。
本发明还提出了一种微波信号发生器，包括前文所述的分布式幅度调制电路。
本发明还提出了一种分布式幅度调制方法，将衰减量通过多个级联的幅度调制单元进行分配，每个幅度调制单元包括幅度调制器、驱动电路和放大器，通过调节各个幅度调制单元中幅度调制器的衰减量，改变微波信号发生器输出功率。
可选地，所述分布式幅度调制方法，包括：
确定整个信号链路最低噪声底部NG；
确定输入信号功率Pin及对应的噪声底部NGin；
根据信号发生器输出功率动态范围Pd及最大功率Pmax确定信号通路所需总增益G及总衰减量ATT，其中，
G＝Pmax-Pin
ATT＝Pd
设置各级幅度调制单元放大器增益为G1-Gn，各级幅度调制器衰减量为ATT1-ATTn，各级幅度调制单元设置满足以下条件：
G＝G1+G2+…+Gn
ATT＝ATT1+ATT2+…+ATTn
NGin+Gn-ATTn>NG+K
其中，K为余量值。
可选地，所述K＝5～10dB。
本发明的有益效果是：
(1)采用分布式幅度调制改善噪声底部，将现有方案中单级幅度调制和后端多级级联放大器进行拆分组合，形成由幅度调制器、驱动器、放大器组成的幅度调制单元，再由多个幅度调制单元级联组成分布式幅度调制器电路，在信号源输出小功率的情况下，可由多级分布式的幅度调制器对信号进行适量的衰减，可实现较高信噪比；
(2)避免噪声底部的抬高和相位噪声的恶化，从而提高信号质量。
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为现有的微波信号发生器的一个典型电路的原理框图；
图2为采用本发明的分布式幅度调制电路的微波信号发生器的一个具体实施例的原理框图；
图3为现有的单级幅度调制电路的示例图；
图4为本发明分布式幅度调制电路的一个可选实施例的原理框图。
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。
现有的微波信号发生器的幅度调制电路都是采用单级幅度调制器和后端多级级联放大器的形式实现，输出功率动态范围较大的情况下，噪声底部会随信号输出功率发生变化，具体表现为小功率输出情况下，输出信号噪声底部抬高，相位噪声恶化，信号输出功率动态范围越大，恶化越严重，该问题严重影响微波信号发生器输出信号噪声底部及相位噪声指标。
本发明提出了一种新的幅度调制电路的实现方案，采用了一种全新的架构，将现有幅度调制电路的单级幅度调制器和后端多级级联放大器进行拆分组合，形成由幅度调制器、驱动器、放大器组成的幅度调制单元，再由多个幅度调制单元级联组成分布式幅度调制电路，在信号源输出小功率的情况下，可由多级分布式的多个幅度调制器对信号进行适量的衰减，可实现较高信噪比，避免噪声底部的抬高和相位噪声的恶化，从而提高信号质量。
下面结合说明书附图对本发明的分布式幅度调制电路以及在微波信号发生器中的具体实施例进行详细说明。
如图2所示，本发明分布式幅度调制电路包括多个级联的幅度调制单元(2-4、2-8、……2-9)，每个幅度调制单元包括幅度调制器、驱动电路和放大器，例如幅度调制单元1(2-4)包括幅度调制器2-1、驱动电路2-2和放大器2-3，幅度调制单元2(2-8)包括幅度调制器2-5、驱动电路2-6和放大器2-7，……，幅度调制单元N(2-9)包括幅度调制器、驱动电路和放大器，通过调节各个幅度调制单元中幅度调制器的衰减量，改变微波信号发生器输出功率，ALC环路一直重复以上的动态调节状态，直至检波电压与参考电压相等，即信号输出功率达到预设功率时稳定。
幅度调制单元的衰减量和放大器的增益可以根据具体需求进行分配和调节，将现有方案中的单级幅度调制器50dB甚至更大的衰减量，通过分布式的幅度调制电路进行分配，降低单个幅度调制单元衰减量，各级幅度调制单元衰减量以达到恶化信噪比临界点为宜，幅度调制器的后级放大器再将信号及噪声底部放大，可以有效避免信噪比严重恶化的情况发生，在小功率输出情况下，可改善噪声底部和相位噪声指标。
图2中示出的是本发明的分布式幅度调制电路在采用ALC技术的微波信号发生器中的一个可选实施例，该实施例不应作为对本发明保护范围的限制，本发明的分布式幅度调制电路还可以应用到微波信号发生器的其他电路形式中，以及其他任何需要应用幅度调制的电路中，以实现幅度信息调制的功能。
可选地，各级幅度调制单元的设置需满足以下条件：
NGin+Gn-ATTn>NG+K
其中，NG为整个信号链路最低噪声底部，例如室温(27℃)理想情况下噪声底部为-174dBm/Hz，但部分器件，如分频器、放大器等有源器件其噪声底部可能会更高；NGin为输入信号功率为Pin时所对应的噪声底部；G1-Gn为各级幅度调制单元放大器增益，ATT1-ATTn为各级幅度调制器衰减量；K为余量值，各个幅度调制单元以不恶化噪声底部为原则，并留一定余量，K＝5～10dB。
所述分布式幅度调制电路设置需满足以下条件：
G＝G1+G2+…+Gn
ATT＝ATT1+ATT2+…+ATTn
其中，G为信号通路所需总增益，ATT为信号通路所需总衰减量，
G＝Pmax-Pin
ATT＝Pd
其中，Pd为信号发生器输出功率动态范围，Pmax为信号发生器输出最大功率。
下面结合具体实施例进一步说明所述分布式幅度调制电路的优点。
图3示出的是现有的单级幅度调制电路的示例。
该示例中，以输出功率动态范围50dB为例，输出信号3-5最大功率为+30dBm，输出信号3-5最小功率为-20dBm，假设输入微波信号3-1功率为0dBm，该信号噪声底部为-150dBm/Hz，那么单边相位噪声远端(频偏30MHz)即为-150dBc/Hz，在现有方案中，忽略幅度调制器、定向耦合器以及通道***损耗的理想情况下，要保证输出信号的最大功率，多级级联放大器3-4固定增益要求30dB；当输出功率为-20dBm时，幅度调制器3-2需达到最大衰减量50dB，经50dB衰减后，图3中幅度调制器输出信号3-3功率大小为-50dBm，噪声底部也随之衰减50dB，1Hz带宽内的噪声绝对功率为-150dBm的噪声经50dB衰减，但理想情况下信号噪声底部为-174dBm/Hz(实际会高于-174dBm/Hz)，因此，噪声底部不会变为-200dBm/Hz，而是-174dBm/Hz；再经过多级级联放大器3-4放大30dB，噪声底部也随之放大30dB，此时，输出信号3-5功率为-20dBm，但是噪声底部变为-144dBm/Hz，单边相位噪声频偏30MHz相位噪声恶化为-124dBc/Hz，噪声底部绝对功率恶化6dB，相位噪声恶化26dB。
造成图3示例中上述问题的原因是，由于为保证信号发生器输出功率的动态范围，单级的幅度调制器对信号幅度进行大衰减量的衰减，导致信噪比的严重恶化，造成了噪声底部的恶化和相位噪声的恶化。
因此，为解决上述问题，本发明采用的分布式幅度调制电路将原本较大的衰减量分布于各级调制器中进行适量衰减，可以有效的避免噪声底部及相位噪声的恶化。
图4示出了所述分布式幅度调制电路的一个可选实施例。
该可选实施例中，根据上述分布式幅度调制电路和各幅度调制单元的设计条件，分布式幅度调制电路采用2级幅度调制单元，以与上述图3示例相同的输入输出信号要求，输出功率动态范围50dB，输出信号4-9最大功率为+30dBm，输出信号最小功率为-20dBm，假设输入微波信号4-1功率0dBm，该信号噪声底部为-150dBm/Hz，那么单边相位噪声远端(频偏30MHz)即为-150dBc/Hz，幅度调制单元数量为2个，即图4中幅度调制单元1、幅度调制单元2；每个幅度调制单元包含放大器、幅度调制器、驱动电路；第1级幅度调制单元放大器4-2增益设置为15dB，幅度调制器4-4衰减量设置为25dB；第2级幅度调制单元放大器4-6增益设置为15dB，幅度调制器4-8衰减量设置为25dB；经过各个节点信号及噪声特性见下表1，
表1
| 节点 | 4-1 | 4-3 | 4-5 | 4-7 | 4-9 |
| 信号功率 | 0dBm | 15dBm | -10dBm | +5dBm | -20dBm |
| 噪声底部 | -150dBm/Hz | -135dBm/Hz | -160dBm/Hz | -145dBm/Hz | -170dBm/Hz |
| 相位噪声 | -150dBc/Hz | -150dBc/Hz | -150dBc/Hz | -150dBc/Hz | -150dBc/Hz |
从表1中可以看出，输出信号噪声底部为-170dBm/Hz，相位噪声-150dBc/Hz，噪声底部及相位噪声均无恶化。
上述实施例采用分布式幅度调制改善噪声底部，将现有方案中单级幅度调制和后端多级级联放大器进行拆分组合，形成由幅度调制器、驱动器、放大器组成的幅度调制单元，再由多个幅度调制单元级联组成分布式幅度调制器电路，在信号源输出小功率的情况下，可由多级分布式的幅度调制器对信号进行适量的衰减，可实现较高信噪比，避免噪声底部的抬高和相位噪声的恶化，从而提高信号质量。
本发明还提出了一种微波信号发生器，该微波信号发生器包括前文所述的分布式幅度调制电路。
本发明还提出了一种分布式幅度调制方法，将衰减量通过多个级联的幅度调制单元进行分配，每个幅度调制单元包括幅度调制器、驱动电路和放大器，通过调节各个幅度调制单元中幅度调制器的衰减量，改变微波信号发生器输出功率。
所述分布式幅度调制方法，具体包括：
确定整个信号链路最低噪声底部NG；
确定输入信号功率Pin及对应的噪声底部NGin；
根据信号发生器输出功率动态范围Pd及最大功率Pmax确定信号通路所需总增益G及总衰减量ATT，其中，
G＝Pmax-Pin
ATT＝Pd
设置各级幅度调制单元放大器增益为G1-Gn，各级幅度调制器衰减量为ATT1-ATTn，各级幅度调制单元设置满足以下条件：
G＝G1+G2+…+Gn
ATT＝ATT1+ATT2+…+ATTn
NGin+Gn-ATTn>NG+K
其中，K为余量值，K＝5～10dB。
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。
Claims (5)
1.一种分布式幅度调制电路，用于微波信号发生器，其特征在于，包括多个级联的幅度调制单元，每个幅度调制单元包括幅度调制器、驱动电路和放大器，通过调节各个幅度调制单元中幅度调制器的衰减量，改变微波信号发生器输出功率；
各级幅度调制单元的设置满足以下条件：
NGin+Gn-ATTn>NG+K
其中，NG为整个信号链路最低噪声底部；NGin为输入信号功率为Pin时所对应的噪声底部；G1～Gn为各级幅度调制单元放大器增益；ATT1～ATTn为各级幅度调制器衰减量；K为余量值；
所述分布式幅度调制电路设置满足以下条件：
G＝G1+G2+…+Gn
ATT＝ATT1+ATT2+…+ATTn
其中，G为信号通路所需总增益，ATT为信号通路所需总衰减量，
G＝Pmax-Pin
ATT＝Pd
其中，Pd为信号发生器输出功率动态范围，Pmax为信号发生器输出最大功率。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述K＝5～10dB。
3.一种微波信号发生器，其特征在于，包括如权利要求1至2任一项所述的分布式幅度调制电路。
4.一种分布式幅度调制方法，其特征在于，将衰减量通过多个级联的幅度调制单元进行分配，每个幅度调制单元包括幅度调制器、驱动电路和放大器，通过调节各个幅度调制单元中幅度调制器的衰减量，改变微波信号发生器输出功率；
包括以下步骤：
确定整个信号链路最低噪声底部NG；
确定输入信号功率Pin及对应的噪声底部NGin；
根据信号发生器输出功率动态范围Pd及最大功率Pmax确定信号通路所需总增益G及总衰减量ATT，其中，
G＝Pmax-Pin
ATT＝Pd
设置各级幅度调制单元放大器增益为G1-Gn，各级幅度调制器衰减量为ATT1-ATTn，各级幅度调制单元设置满足以下条件：
G＝G1+G2+…+Gn
ATT＝ATT1+ATT2+…+ATTn
NGin+Gn-ATTn>NG+K
其中，K为余量值。
5.如权利要求4所述的一种分布式幅度调制方法，其特征在于，所述K＝5～10dB。
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