CN111030765B - 一种能识别镜频信号的外差扫频式频谱分析*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能识别镜频信号的外差扫频式频谱分析***，在现有外差扫频式频谱分析***基础上，增加了正、负符号滤波器和识别电路模块，根据正、负符号滤波器与中频滤波器输出信号的时序关系判断本振信号即扫频信号频率与输入信号频率的大小关系，实现镜频信号的识别。与传统外差扫频式频谱分析***相比，去除了低通滤波器，使得被测信号及其镜频信号均可以通过输入电路模块处理后进入外差扫频混频电路模块，频谱分析***的工作频段不再由输入电路模块的低通滤波器的截止频率决定，消除了被测信号带宽受低通滤波器中心频率的限制，同时能够通过一次测量快速识别镜频信号。

Description

一种能识别镜频信号的外差扫频式频谱分析***
技术领域
本发明属于计量测试技术领域，更为具体地讲，涉及一种能识别镜频信号的外差扫频式频谱分析***。
背景技术
外差扫频式频谱分析技术在电子***、材料、器件等基础学科高速发展的支撑下，工作频段高端可达太赫兹、分辨率高达赫兹级，已成为信号、器件测试和研发、制备不可或缺的重要技术。
但是，传统外差扫频式频谱分析技术为了防止频谱混叠、抑制镜频干扰，如图1所示，在输入电路模块中加入低通滤波器，同时将外差扫频混频电路模块的中频滤波器的中心频率设置为高中频。在此设置下，为了提高频谱分析的频率分辨率，采用多级混频技术，即有一个或多个后续外差扫频混频电路模块(图1中只画出了一个，实际应用中可以有多个)。这种设计的缺陷在于：增大了频谱分析***的复杂性、提高了所采用器件的指标要求，例如需要满足外差扫频混频电路中的混频器、扫频本振的工作频段远高于被测信号频段，同时被测信号带宽受低通滤波器中心频率限制。此外，由于采用多级混频技术，频谱分析***的单边带相位噪声增加，频谱分析******灵敏度降低、动态范围缩小。因此可以认为高中频技术直接或间接提高了***复杂性。
同时，随着现代微波毫米波测试技术的发展，矢量网络分析仪逐渐从单一仪器向测试***过渡，即通过充分利用矢量网络分析器中的合成扫频信号源、信号接收***(频谱分析***)以及它们的组合——矢量网络分析仪，实现满足目前微波毫米波技术领域各种测试需求的目的。然而与普通频谱分析仪相比，矢量网络分析仪的信号接收***的输入电路模块中没有低通滤波器，以至于矢量网络分析仪无法区分被测信号及其镜频信号，也无法识别被测信号的频谱是否存在混叠，这一问题极大地阻碍了矢量网络分析技术的发展。
因此，镜频信号识别技术是现代微波毫米波测试领域急需解决的重要问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能识别镜频信号的外差扫频式频谱分析***，在能识别镜频信号的同时，消除被测信号带宽受低通滤波器中心频率的限制，突破现代微波毫米波测试技术发展的瓶颈，大幅度提高外差扫频式频谱分析***指标参数，为提升矢量网络分析技术水平打下良好基础。
为实现上述发明目的，本发明能识别镜频信号的外差扫频式频谱分析***，包括输入电路模块以及外差扫频混频电路模块，其特征在于：
所述输入电路模块不包括以抑制镜频信号为目的的低通滤波器；
外差扫频混频电路模块包括混频器、扫频本振、中频滤波器、正符号滤波器以及负符号滤波器；中频滤波器的频率通带与正符号滤波器、负符号滤波器的频率通带不相交；其中，正符号滤波器为中心频率大于中频滤波器中心频率的带通滤波器，负符号滤波器为中心频率小于中频滤波器中心频率的带通滤波器；
输入电路模块的输出信号输入到混频器中，与扫频本振输出扫频信号进行混频，得到的中频信号分别输入到中频滤波器、正符号滤波器以及负符号滤波器；
所述外差扫频式***还包括识别电路模块，中频滤波器、正符号滤波器以及负符号滤波器的输出信号送入识别电路模块中，根据正符号滤波器以及负符号滤波器的输出信号与中频滤波器输出信号的时序关系判断本振信号(扫频信号)频率与输入信号频率的大小关系，实现被测信号、镜频信号的识别。
本发明的目的是这样实现的。
本发明能识别镜频信号的外差扫频式频谱分析***，在现有外差扫频式频谱分析***基础上，增加了一组符号滤波器(正、负符号滤波器)和识别电路模块，根据正、负符号滤波器与中频滤波器输出信号的时序关系判断本振信号即扫频信号频率与输入信号频率的大小关系，实现镜频信号的识别。
本发明能够带来以下的有益效果：
(1)、与传统外差扫频式频谱分析***相比，去除了低通滤波器，使得被测信号及其镜频信号均可以通过输入电路模块处理后进入外差扫频混频电路模块，频谱分析***的工作频段不再由输入电路模块的低通滤波器的截止频率决定，消除了被测信号带宽受低通滤波器中心频率的限制，突破现代微波毫米波测试技术发展的瓶颈，大幅度提高外差扫频式频谱分析***指标参数，为提升矢量网络分析技术水平打下良好基础；
(2)、所使用的混频器、扫频本振、中频滤波器均为现有外差扫频式频谱分析***中的原有器件，使用时只需在现有***外差扫频式频谱分析***中添加符号滤波器和识别电路模块，在输入电路模块中去除低通滤波器即可，而无需对现有外差扫频式频谱分析***进行大规模改造，易于实现和操作；
(3)、能够通过一次测量快速识别镜频信号；
(4)、可与现有的矢量网络分析技术结合，只需在现有***中添加简单的符号滤波器和识别电路模块即可，从而将矢量网络分析仪提升为矢量网络分析***，大幅度扩大矢量网络分析仪的应用范围。
附图说明
图1是传统外差扫频式频谱分析***的原理框图；
图2是本发明能识别镜频信号的外差扫频式频谱分析***一种具体实施方式的原理框图；
图3是识别镜频信号时，输入、输出信号时-频及时序关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
按照本领域技术人员的通用做法，当输入信号频率小于本振信号频率时，本发明定义其为被测信号；当输入信号频率大于本振信号且与被测信号频率相对于中频信号频率对称，本发明定义其为被测信号的镜频信号。
图2是本发明能识别镜频信号的外差扫频式频谱分析***一种具体实施方式的原理框图。
在本实施例中，如图2所示，本发明能识别镜频信号的外差扫频式频谱分析***包括输入电路模块1、外差扫频混频电路模块2以及识别电路模块3。
在本实施例总，如图2所示，输入电路模块1包括阻抗匹配电路101和信号调理电路102，输入信号经过阻抗匹配电路101匹配、信号调理电路102调理后输出到外差扫频混频电路模块2。输入电路模块1优选地可以包括阻抗匹配电路模块和信号调理电路模块。相对于传统的外差扫频式频谱分析***，去除了以抑制镜频信号为目的的低通滤波器，使得被测信号及其镜频信号均可以通过输入电路模块1处理后进入外差扫频混频电路模块2，频谱分析***的工作频段不再由输入电路模块1的低通滤波器的截止频率决定，消除了被测信号带宽受低通滤波器截止频率的限制。
在本实施例总，如图2所示，外差扫频混频电路模块2包括混频器201、扫频本振202、中频滤波器203以及正负符号滤波器204(包括正符号滤波器f+以及负符号滤波器f-)，中频滤波器203的频率通带与正负符号滤波器204的频率通带不相交。输入电路模块1中的信号调理电路102的输出信号输入混频器201中，与扫频本振202输出扫频信号进行混频，得到的中频信号分别输入到中频滤波器203和正负符号滤波器204。
中频滤波器203和正负符号滤波器204均为带通滤波器，正符号滤波器的中心频率大于中频滤波器的中心频率，负符号滤波器的中心频率小于中频滤波器的中心频率，设置可以根据实际工作需要而定。中频滤波器203的频率通带与正负符号滤波器204的频率通带在满足不相交的前提下，具体带宽也是可以根据实际工作需要而定，扫频本振202生成频率随时间周期性线性变化的扫频信号。
所述外差扫频式***还包括识别电路模块3，中频滤波器203和正负符号滤波器204的输出信号送入识别电路模块3中，根据正负符号滤波器204(正符号滤波器f+以及负符号滤波器f-)与中频滤波器203输出信号的时序关系判断本振信号(扫频信号)频率与输入信号频率的大小关系进行被测信号、镜频信号的识别即镜频信号的识别，具体而言：
如果滤波器输出信号的时序分别为负符号滤波器-中频滤波器-正符号滤波器，则输入信号频率小于扫频信号频率，输入信号为被测信号；如果滤波器输出信号的时序分别为正符号滤波器-中频滤波器-负符号滤波器，则输入信号频率大于扫频信号频率，输入信号为镜频信号。
同一频率被测信号导致所述正、负符号滤波器和所述中频滤波器在不同的时刻产生输出，滤波器输出信号的时间差由正、负符号滤波器和中频滤波器的中心频率以及扫频振荡器的扫频速度决定，与被测信号无关。
在本实施例总，如图2所示，识别电路模块3包括中频检波器301、正负符号检波器302、中频模数转换电路303、正负符号模数转换电路304以及数字电路模块305。
中频滤波器203的输出信号经过中频检波器301检波，经过中频模数转换电路303进行模数转换后，送入数字电路模块305；符号滤波器204的输出信号经过正负符号检波器302检波，经过正负符号模数转换电路304进行模数转换后，送入数字电路模块305。在数字电路模块305进行被测信号、镜频信号的识别即镜频信号的识别。
此外，在具体实施过程中，中频滤波器203的输出端与有一个或多个后续外差扫频混频电路模块(图2中未示出)，随后经过中频检波器301检波，经过中频模数转换电路303进行模数转换后，送入数字电路模块305。其中，后续外差扫频混频电路模块包括混频器、扫频本振和中频滤波器等电路，而不包括正负符号滤波器。
图3是识别镜频信号时，输入、输出信号时-频和时序关系图。
如图3所示，设定被测信号频率为fx，中频滤波器的中心频率为fif，扫频信号的频率为f0(t)＝a+bt，其中a,b为正常数，被测信号的镜频信号频率为fimg。
负符号滤波器的中心频率小于中频滤波器的中心频率设定其中心频率为f-；正符号滤波器的中心频率大于中频滤波器的中心频率设定其中心频率为f+若被测信号频率为fx，则扫频信号与被测信号混频后的混频(差频)信号频率为f0(t)-fx＝a+bt-fx，输出混频信号在t1、t3和t4时刻的频率分别达到负符号滤波器的中心频率f-、中频滤波器的中心频率fif和正符号滤波器的中心频率f+故负符号滤波器、中频滤波器和正符号滤波器分别在t1、t3和t4时刻输出信号。若输入信号频率为fimg，其与扫频信号混频后的混频(差频)信号频率为fimg-f0(t)＝fimg-(a+bt)，输出混频信号输出混频信号在t2、t3和t5时刻的频率分别达到正符号滤波器的中心频率f+、中频滤波器的中心频率fif和负符号滤波器的中心频率f-故正符号滤波器、中频滤波器和负符号滤波器分别在t2、t3和t5时刻输出信号。
根据以上分析可知，若滤波器输出信号的时序为负符号滤波器-中频滤波器-正符号滤波器时，则输入信号频率小于扫频信号频率，输入信号为被测信号；若滤波器输出信号的时序为正符号滤波器-中频滤波器-负符号滤波器，则输入信号频率大于扫频信号频率，输入信号为镜频信号。
综上可知，根据正负符号滤波器输出信号与中频滤波器输出信号时序关系，可以判断输入信号频率是小于还是大于本振信号，从而识别出输入信号是被测信号还是镜频信号。
本领域技术人员可以容易的将本发明应用到现有技术中的频谱分析技术以及现有矢量网络分析技术中，以简单高效的方式实现对镜频信号的识别，提高频谱分析技术水平，大幅度扩大矢量网络分析技术的应用范围。另外，本领域技术人员也可以根据实际工作需要，将本发明应用到其他的场景中，从而以简单高效的方式识别镜频信号。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种能识别镜频信号的外差扫频式频谱分析***，包括输入电路模块以及外差扫频混频电路模块，其特征在于：
所述输入电路模块不包括以抑制镜频信号为目的的低通滤波器；
外差扫频混频电路模块包括混频器、扫频本振、中频滤波器、正符号滤波器以及负符号滤波器；中频滤波器的频率通带与正符号滤波器、负符号滤波器的频率通带不相交；其中，正符号滤波器为中心频率大于中频滤波器中心频率的带通滤波器，负符号滤波器为中心频率小于中频滤波器中心频率的带通滤波器；
输入电路模块的输出信号输入到混频器中，与扫频本振输出扫频信号进行混频，得到的中频信号分别输入到中频滤波器、正符号滤波器以及负符号滤波器；
所述外差扫频式***还包括识别电路模块，中频滤波器、正符号滤波器以及负符号滤波器的输出信号送入识别电路模块中，根据正符号滤波器以及负符号滤波器的输出信号与中频滤波器输出信号的时序关系判断本振信号即扫频信号频率与输入信号频率的大小关系，实现被测信号、镜频信号的识别：如果滤波器输出信号的时序分别为负符号滤波器-中频滤波器-正符号滤波器，则输入信号频率小于扫频信号频率，输入信号为被测信号；如果滤波器输出信号的时序分别为正符号滤波器-中频滤波器-负符号滤波器，则输入信号频率大于扫频信号频率，输入信号为镜频信号。
2.根据权利要求1所述的能识别镜频信号的外差扫频式频谱分析***，其特征在于，同一频率被测信号导致所述正、负符号滤波器和所述中频滤波器在不同的时刻产生输出，滤波器输出信号的时间差由正、负符号滤波器和中频滤波器的中心频率以及扫频振荡器的扫频速度决定，与被测信号无关。
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