CN112666392A - 一种高速脉冲调制信号的载波频率测量电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速脉冲调制信号的载波频率测量电路及方法，属于频率测量技术领域，本发明通过可变分频器实现信号的频率变换压缩，通过滤波器滤除分频器的3次以上谐波分量，保留了信号的相位信息，变频方案简单；通过控制信号生成单元和数字IQ解调单元实现对脉冲调制信号的相位提取，避免了脉冲调制关期间的噪声干扰，实现脉冲调制信号相位的快速提取和计算，最终实现了高速脉冲调制信号的载波频率测量；本发明可实现脉冲重复频率10MHz高速脉冲调制信号的载波频率测量，测量时间最快8ns(速率125MHz)，测量方案简单，成本低；可实现对高速脉冲调制信号的载波频率快速测量，并可对脉冲调制信号载波频率变化进行跟踪测量。
Description
技术领域
本发明属于频率测量技术领域，具体涉及一种高速脉冲调制信号的载波频率测量电路及方法。
背景技术
脉冲调制信号是雷达和数字通信***中的一类重要信号，随着电子技术的发展，脉冲调制信号的脉冲重复频率(PRF)不断提高，脉冲宽度也越来越小，脉冲调制载波复杂多变，测量更加困难。
测量脉冲调制信号载波频率主要有两种方法，一种是频谱仪测量方法，将被测信号经过多次混频变频至中频信号，对中频信号进行FFT变换得到频谱信息，根据频谱信息得到载波信号频率。
第二种方法是计数器测频法，如图1所示，首先设定一个闸门，通过测量闸门时间T和闸门内的信号次数N0，利用f＝N0/T算出被测信号频率。在测量中，通过被测信号与测量闸门同步，被测信号次数可精确测量，没有误差，但在闸门时间测量上存误差，如图所示，T1、T2即为测量误差。测量误差最大为测量时钟周期。在短时测量中误差影响很大。为减小测量误差，通常采用内插法，把T1、T2测量出来。
现有技术的缺点是：
(1)采用频谱仪测量脉冲载波频率方案复杂，成本高。频谱仪采用扫频方案，当脉冲调制信号载波频率变化时，受频谱仪扫频速度限制，无法对频率快速变化信号进行跟踪测量。
(2)采用计数器法，如果不用内插，测频精度低；采用内插法，测量速度慢，如美国是德公司的53200系列频率计，最短测量时间为1us(速率1MHz)，
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种高速脉冲调制信号的载波频率测量电路及方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高速脉冲调制信号的载波频率测量电路，包括功分器、可控分频器、滤波器、AD转换器、FPGA、比较器以及检波器；功分器、可控分频器、滤波器、AD转换器、FPGA、比较器、检波器通过线路依次连接；
功分器，被配置为用于将被测信号功分为两路；
可控分频器，被配置为用于实现信号的频率变换压缩；
滤波器，被配置为用于滤除分频后的3次及以上谐波分量；
AD转换器，被配置为用于将模拟信号转换为数字信号；
检波器，被配置为用于检出被测信号包络波形，输出检波信号；
比较器，被配置为用于将检波信号变为数字信号；
FPGA，被配置为用于进行数字IQ解调，输出脉冲调制信号的载波频率；
被测信号经功分器分为两路，一路进入可控分频器，可控分频器通过分频比设置，输出中频信号至滤波器，滤波器滤除分频后的3次及以上谐波分量，滤波器输出信号至AD转换器，AD转换器对信号进行采样后送入FPGA；
第二路信号进入检波器，检波器检出被测信号包络波形，输出检波信号至比较器，比较器将检波信号变为数字信号，送入FPGA，外部的数字本振信号与AD转换器输出信号在FPGA内进行数字IQ解调，数字本振频率为中频范围的中间值。
优选地，FPGA包括控制信号生成单元、数字IQ解调单元、相位计算单元和频率计算单元；控制信号生成单元、数字IQ解调单元、相位计算单元和频率计算单元通过线路依次连接；
控制信号生成单元，被配置为用于对AD转换器输出信号和比较器输出信号到达时间的比较，对比较器输出信号进行延迟和截断，输出一个相对比较器输出信号较短的控制闸门信号，用于控制数字IQ解调单元的工作时段，使数字IQ解调单元在脉冲开期间工作，在脉冲关闭期间不工作，从而获得有效脉冲调制载波频率信息；
数字IQ解调单元，将外部的数字本振信号与AD转换器输出信号进行IQ混频，解调出I路信号和Q路信号；
相位计算单元，被配置为用于对I路信号和Q路信号进行运算，得到脉冲调制信号的相位；
频率计算单元，被配置为用于根据相位变化得到脉冲调制信号的载波频率。
此外，本发明还提到一种高速脉冲调制信号的载波频率测量方法，该方法采用如上所述的高速脉冲调制信号的载波频率测量电路，具体包括如下步骤：
步骤1：通过功分器将被测信号分为两路，一路进入可控分频器，另一路信号进入检波器；
步骤2：通过可控分频器实现信号的频率变换压缩，可控分频器通过分频比设置，输出中频信号至滤波器；
步骤3：通过滤波器滤除分频后的3次及以上谐波分量，滤波器输出信号至AD转换器；
步骤4：AD转换器对信号进行模数转换后送入FPGA；
步骤5：通过控制信号生成单元，对AD转换器输出信号和比较器输出信号到达时间的比较，对比较器输出信号进行延迟和截断，输出一个相对比较器输出信号较短的控制闸门信号，用于控制数字IQ解调单元的工作时段，使数字IQ解调单元在脉冲开期间工作，在脉冲关闭期间不工作，从而获得有效脉冲调制载波频率信息；
步骤6：通过数字IQ解调单元，将外部的数字本振信号与AD转换器输出信号进行IQ混频，解调出I路信号和Q路信号；
步骤7：通过相位计算单元，对I路信号和Q路信号进行运算，得到脉冲调制信号的相位；
步骤8：通过频率计算单元，根据相位变化得到脉冲调制信号的载波频率。
本发明所带来的有益技术效果：
本发明通过可变分频器实现信号的频率变换压缩，通过滤波器滤除分频器的3次以上谐波分量，保留了信号的相位信息，变频方案简单；通过控制信号生成单元和数字IQ解调单元实现对脉冲调制信号的相位提取，避免了脉冲调制关期间的噪声干扰，实现脉冲调制信号相位的快速提取和计算，最终实现了高速脉冲调制信号的载波频率测量；
本发明可实现脉冲重复频率10MHz高速脉冲调制信号的载波频率测量，测量时间最快8ns(速率125MHz)，测量方案简单，成本低；可实现对高速脉冲调制信号的载波频率快速测量，并可对脉冲调制信号载波频率变化进行跟踪测量。
附图说明
图1为计数器测频示意图。
图2为本发明高速脉冲调制信号的载波频率测量电路原理框图。
图3为进入FPGA两路信号时序及控制信号生成图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
如图2所示，被测信号经功分器分为两路，一路进入可变分频器，可变分频器通过分频比设置，将被测信号变为固定中频范围内，如(20MHz～50MHz)；分频器输出中频信号进入滤波器，滤波器用于滤除分频后的3次及以上谐波分量，滤波器可设为50MHz低通滤波器；滤波器输出信号进入AD转换器，AD转换器对信号进行高速采样后送入FPGA，采样频率250MHz；
第二路信号经过检波器，检出被测信号包络波形；检波信号经过比较器，变为数字信号，送入FPGA，外部的数字本振信号送入FPGA用于数字IQ解调，数字本振频率为中频范围的中间值(35MHz)。
FPGA分为四个单元：控制信号生成单元、数字IQ解调单元、相位计算单元、频率计算单元。
由于两路信号通过的路径和器件延迟不一样，两路信号到达FPGA的时间不一致，如图3所示。FPGA中控制信号生成单元通过对AD转换器输出信号和比较器输出信号到达时间的比较，对比较器输出信号进行延迟和截断，输出一个相对比较器输出信号较短的控制闸门信号(前后沿各相差5ns)，用于控制数字IQ解调单元的工作时段，使数字IQ解调单元在脉冲开期间工作，在脉冲关闭期间不工作，从而获得有效脉冲调制载波频率信息，避免在脉冲关期间杂波干扰。
数字IQ解调单元将AD转换器输出信号和外部的数字本振信号进行IQ混频，输出I路信号和Q路信号，I路信号和Q路信号在相位计算单元进行运算，得到信号的相位，AD转换器输出的每个样点都可计算出一个相位，频率计算单元根据相位变化得到载波信号频率，AD转换器采样率250MHz，4ns可得一个样点，8ns可得到两个样点，假设两个样点相位分别为
中频频率f1计算公式为
假设数字本振频率为f2，分频器分频比为N，被测信号频率f＝(f1+f2)×N。因为AD转换器可连续采样，因此频率计算单元可连续计算信号频率，对脉冲调制信号载波频率变化进行跟踪测量。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种高速脉冲调制信号的载波频率测量电路，其特征在于：包括功分器、可控分频器、滤波器、AD转换器、FPGA、比较器以及检波器；功分器、可控分频器、滤波器、AD转换器、FPGA、比较器、检波器通过线路依次连接；
功分器，被配置为用于将被测信号功分为两路；
可控分频器，被配置为用于实现信号的频率变换压缩；
滤波器，被配置为用于滤除分频后的3次及以上谐波分量；
AD转换器，被配置为用于将模拟信号转换为数字信号；
检波器，被配置为用于检出被测信号包络波形，输出检波信号；
比较器，被配置为用于将检波信号变为数字信号；
FPGA，被配置为用于进行数字IQ解调，输出脉冲调制信号的载波频率；
被测信号经功分器分为两路，一路进入可控分频器，可控分频器通过分频比设置，输出中频信号至滤波器，滤波器滤除分频后的3次及以上谐波分量，滤波器输出信号至AD转换器，AD转换器对信号进行采样后送入FPGA；
第二路信号进入检波器，检波器检出被测信号包络波形，输出检波信号至比较器，比较器将检波信号变为数字信号，送入FPGA，外部的数字本振信号与AD转换器输出信号在FPGA内进行数字IQ解调。
2.根据权利要求1所述的高速脉冲调制信号的载波频率测量电路，其特征在于：FPGA包括控制信号生成单元、数字IQ解调单元、相位计算单元和频率计算单元；控制信号生成单元、数字IQ解调单元、相位计算单元和频率计算单元通过线路依次连接；
控制信号生成单元，被配置为用于对AD转换器输出信号和比较器输出信号到达时间的比较，对比较器输出信号进行延迟和截断，输出一个相对比较器输出信号较短的控制闸门信号，用于控制数字IQ解调单元的工作时段，使数字IQ解调单元在脉冲开期间工作，在脉冲关闭期间不工作，从而获得有效脉冲调制载波频率信息；
数字IQ解调单元，将外部的数字本振信号与AD转换器输出信号进行IQ混频，解调出I路信号和Q路信号；
相位计算单元，被配置为用于对I路信号和Q路信号进行运算，得到脉冲调制信号的相位；
频率计算单元，被配置为用于根据相位变化得到脉冲调制信号的载波频率。
3.一种高速脉冲调制信号的载波频率测量方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的高速脉冲调制信号的载波频率测量电路，具体包括如下步骤：
步骤1：通过功分器将被测信号分为两路，一路进入可控分频器，另一路信号进入检波器；
步骤2：通过可控分频器实现信号的频率变换压缩，可控分频器通过分频比设置，输出中频信号至滤波器；
步骤3：通过滤波器滤除分频后的3次及以上谐波分量，滤波器输出信号至AD转换器；
步骤4：AD转换器对信号进行模数转换后送入FPGA；
步骤5：通过控制信号生成单元，对AD转换器输出信号和比较器输出信号到达时间的比较，对比较器输出信号进行延迟和截断，输出一个相对比较器输出信号较短的控制闸门信号，用于控制数字IQ解调单元的工作时段，使数字IQ解调单元在脉冲开期间工作，在脉冲关闭期间不工作，从而获得有效脉冲调制载波频率信息；
步骤6：通过数字IQ解调单元，将外部的数字本振信号与AD转换器输出信号进行IQ混频，解调出I路信号和Q路信号；
步骤7：通过相位计算单元，对I路信号和Q路信号进行运算，得到脉冲调制信号的相位；
步骤8：通过频率计算单元，根据相位变化得到脉冲调制信号的载波频率。
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