CN114252722A - 实现矢量信号收发的高带宽矢量网络分析仪*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实现矢量信号收发的高带宽矢量网络分析仪***，包括发射通道和接收通道，发射通道包括多音信号电路结构，多音信号电路结构的输入端与数字信号处理模块相连接，多音信号电路结构产生多音并行信号，并输出多音射频信号至接收端；接收通道包括多路并行数字下变频器组，多路并行数字下变频器组包括多个多路并行数字下变频器，多个多路并行数字下变频器的输入端分别与多个模数转换模块相连接，并行处理多路音频信号。采用了本发明的实现矢量信号收发的高带宽矢量网络分析仪***，多频点的测试速度大大提高，功能扩展性强，使传统矢网具备了矢量信号收发的功能，能够实现传统矢网无法完成的测试任务，硬件复杂度和成本有一定提升。
Description
技术领域
本发明涉及通信设备领域，尤其涉及矢量网络分析仪领域，具体是指一种实现矢量信号收发的高带宽矢量网络分析仪***。
背景技术
矢量网络分析仪是一种测量射频/微波元器件S参数的测试设备，具有广泛的应用。它通常由设备在本地产生已知频率的连续波信号，通过测量端口输出，经被测件(DUT)之后，返回到设备中，通过测量信号的幅度和相位变化，计算出被测件的S参数。
一个典型的矢量信号发生器原理如图1所示，主要包括射频源(RFS)、本振(LO)、双定向耦合器(COUP)、四通道接收机组成。射频源产生频率可调节的正弦波信号，经开关(SW1)并放大后可分别输出至端口A(Port A)或者端口B(Port B)，双定向耦合器可同时提取参考信号和入射信号，分别经过混频、滤波、放大后进入ADC进行模数变换，在DSP中进行多路信号的数字信号处理，包括数字下变频、数字滤波、抽取，计算信号的幅度、相位信息，并通过误差校正，得到最终的测量结果—被测件的S参数。
上述测量原理中，射频源需要产生的信号是正弦波信号，从本质上来说，各个接收机是一个窄带测量***，这是因为***仅需要处理CW信号，要想获得某段频率范围的测试结果，需要射频源不断切换输出频率。频率切换需要一定的时间才能达到稳定的信号输出结果。因此，测量速度除了受信号传输速率、数字信号处理速度等因素影响，实际上主要因素是射频源的频率切换时间。综上各种因素，传统的矢量网络分析仪存才以下局限性：
第一，以测试效率为优先的测试场景下，现有的方案很难再获得测试速度的大幅提升。对于多个频点的测试，需要射频源和本振同步设置，通过步进扫描完成。因为本振和射频源的频率切换需要一定的稳定时间，这是一个物理过程无法突破。
第二，作为具有收发一体功能的设备，受限于窄带测量的设计原理，以及矢量网络分析的实现原理，仅支持连续波信号的处理。整个设备不具备矢量信号处理的能力，尤其是大带宽信号的处理。通常，这些测试需要其它的专用设备才能支持。
第三，以通信、半导体等产业化测试，要求设备的测试速度和功能集成度不断提升。在现有基础上进行功能扩展比较困难，目前也仅有部分设备集成了频谱分析的功能。更为复杂的测试功能无法实现。如交调测试、响应速度、上升时间、EVM测试等。
本方面针对以上问题，提出了一种新型的高宽带处理能力的矢量网络分析仪设备和方法，它具备了传统矢量网络分析仪的能力之外，还具有大带宽矢量信号处理能力，以及并行信号处理能力，大大提升了测试速度。并且设备的技术架构上带来了设备的复用性大大增强，功能扩展能力加大。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足测试速度快、设备复用性强、适用范围较为广泛的实现矢量信号收发的高带宽矢量网络分析仪***。
为了实现上述目的，本发明的实现矢量信号收发的高带宽矢量网络分析仪***如下：
该实现矢量信号收发的高带宽矢量网络分析仪***，其主要特点是，所述的***包括发射通道，所述的发射通道包括多音信号电路结构，多音信号电路结构的输入端与数字信号处理模块相连接，多音信号电路结构产生多音并行信号，并输出多音射频信号至接收端；
所述的***还包括接收通道，所述的接收通道包括多路并行数字下变频器组，所述的多路并行数字下变频器组包括多个多路并行数字下变频器，所述的多个多路并行数字下变频器的输入端分别与多个模数转换模块相连接，并行处理多路音频信号。
较佳地，所述的多音信号电路结构包括多音信号发生器、两路多音信号处理电路结构和加法器，所述的多音信号发生器的输入端与数字信号处理模块相连接，在数字端产生多音并行信号，产生I路基带信号和Q路基带信号，所述的两路多音信号处理电路结构分别接收所述的I路基带信号和Q路基带信号，并进行多音信号处理，所述的加法器接收两路多音信号处理电路结构输出的信号，将信号相加并输出多音射频信号。
较佳地，所述的两路多音信号处理电路结构分别包括数模转换器、调制器和混频器，所述的两路多音信号处理电路结构的数模转换器分别接收I路基带信号和Q路基带信号，所述的调制器的输入端与所述的数模转换器相连接，所述的混频器的输入端接收调制器输出的信号以及本地射频源的信号并进行混频，所述的两路多音信号处理电路结构的混频后的信号均输出至所述的加法器。
较佳地，所述的接收通道还包括存储器模块，所述的多个多路并行数字下变频器的输出端均与所述的存储器模块相连接，所述的存储器模块的输出端与所述的数字信号处理模块相连接。
较佳地，所述的多路并行数字下变频器包括N组数字下变频器模块，所述的N组数字下变频器模块并联连接，所述的每组数字下变频器模块包括数字振荡器、第一乘法器、第二乘法器、第一FIR数字抽取滤波器和第二FIR数字抽取滤波器，所述的数字振荡器输出2路IQ基带数据，分别输出至第一乘法器和第二乘法器，所述的第一乘法器和第二乘法器均接收模数转换模块的信号，所述的第一乘法器的输出端与第一FIR数字抽取滤波器相连接，所述的第二乘法器的输出端与第二FIR数字抽取滤波器相连接，所述的第一FIR数字抽取滤波器和第二FIR数字抽取滤波器分别输出I路和Q路信号。
较佳地，所述的接收通道还包括快速傅里叶变换模块组，所述的快速傅里叶变换模块组包括多个快速傅里叶变换模块，所述的多个快速傅里叶变换模块的输入端分别与多个模数转换模块相连接，所述的多个快速傅里叶变换模块的输出端均与存储器模块相连接。
较佳地，所述的数字下变频器模块的数量小于多音信号处理电路结构的通道数的情况下，所述的***采用分时串行处理的方式进行复用。
较佳地，所述的数字振荡器的输出频率根据测量频率定义。
采用了本发明的实现矢量信号收发的高带宽矢量网络分析仪***，多频点的测试速度大大提高，典型场景下可提高测试速度10-20倍以上。对测试效率要求较高的场合非常使用；功能扩展性强，使传统矢网具备了矢量信号收发的功能，能够实现传统矢网无法完成的测试任务，硬件复杂度和成本有一定提升。
附图说明
图1为现有技术的双端口矢量网络分析仪原理框图。
图2为本发明的实现矢量信号收发的高带宽矢量网络分析仪***的电路结构示意图。
图3为本发明的实现矢量信号收发的高带宽矢量网络分析仪***的多路并行数字下变频器的电路结构示意图。
图4为本发明的实现矢量信号收发的高带宽矢量网络分析仪***的通过快速傅里叶变换模块替代多路并行数字下变频器的电路结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本发明的该实现矢量信号收发的高带宽矢量网络分析仪***，其中包括发射通道，所述的发射通道包括多音信号电路结构，多音信号电路结构的输入端与数字信号处理模块相连接，多音信号电路结构产生多音并行信号，并输出多音射频信号至接收端；
所述的***还包括接收通道，所述的接收通道包括多路并行数字下变频器组，所述的多路并行数字下变频器组包括多个多路并行数字下变频器，所述的多个多路并行数字下变频器的输入端分别与多个模数转换模块相连接，并行处理多路音频信号。
作为本发明的优选实施方式，所述的多音信号电路结构包括多音信号发生器、两路多音信号处理电路结构和加法器，所述的多音信号发生器的输入端与数字信号处理模块相连接，在数字端产生多音并行信号，产生I路基带信号和Q路基带信号，所述的两路多音信号处理电路结构分别接收所述的I路基带信号和Q路基带信号，并进行多音信号处理，所述的加法器接收两路多音信号处理电路结构输出的信号，将信号相加并输出多音射频信号。
作为本发明的优选实施方式，所述的两路多音信号处理电路结构分别包括数模转换器、调制器和混频器，所述的两路多音信号处理电路结构的数模转换器分别接收I路基带信号和Q路基带信号，所述的调制器的输入端与所述的数模转换器相连接，所述的混频器的输入端接收调制器输出的信号以及本地射频源的信号并进行混频，所述的两路多音信号处理电路结构的混频后的信号均输出至所述的加法器。
作为本发明的优选实施方式，所述的接收通道还包括存储器模块，所述的多个多路并行数字下变频器的输出端均与所述的存储器模块相连接，所述的存储器模块的输出端与所述的数字信号处理模块相连接。
作为本发明的优选实施方式，所述的多路并行数字下变频器包括N组数字下变频器模块，所述的N组数字下变频器模块并联连接，所述的每组数字下变频器模块包括数字振荡器、第一乘法器、第二乘法器、第一FIR数字抽取滤波器和第二FIR数字抽取滤波器，所述的数字振荡器输出2路IQ基带数据，分别输出至第一乘法器和第二乘法器，所述的第一乘法器和第二乘法器均接收模数转换模块的信号，所述的第一乘法器的输出端与第一FIR数字抽取滤波器相连接，所述的第二乘法器的输出端与第二FIR数字抽取滤波器相连接，所述的第一FIR数字抽取滤波器和第二FIR数字抽取滤波器分别输出I路和Q路信号。
作为本发明的优选实施方式，所述的接收通道还包括快速傅里叶变换模块组，所述的快速傅里叶变换模块组包括多个快速傅里叶变换模块，所述的多个快速傅里叶变换模块的输入端分别与多个模数转换模块相连接，所述的多个快速傅里叶变换模块的输出端均与存储器模块相连接。
作为本发明的优选实施方式，所述的数字下变频器模块的数量小于多音信号处理电路结构的通道数的情况下，所述的***采用分时串行处理的方式进行复用。
作为本发明的优选实施方式，所述的数字振荡器的输出频率根据测量频率定义。
本发明的具体实施方式中，如图2所示为本发明的***框图和连接关系。本发明的工作原理和方法描述如下：
对于同时接收和发射通道来说，具备并行多信号能力，通常采用增加通道数量的方式，但这种方法增加数量有限，硬件的增加带来复杂度、成本、可靠性的恶化。矢量调制具有同时并发多音信号的能力，因此，本发明对发射和接收通道进行了改进，全部采用矢量调制解调的收发模式，图2中虚框内是本发明增加和改变的地方。
在发射端，多音信号发生器(MTG)在数字端产生多音并行信号，产生I/Q两路基带信号，分别经DAC后输出量路模拟I和Q路信号，经调制器分别与本地射频源进行混频后相加，产生最终输出的多音射频信号，输出多音信号的多少由设备根据测试需要产生，但每次产生的多音信号的总带宽应该不大于数字基带的调制带宽，调制带宽通常又取决于DAC的采用速率。
在接收端，前面的处理流程基本一致。但由于信号带宽的增大，整个接收部分的射频通道带宽要满足发射带宽的要求，通常二者保持一致。如发射通道的调制带宽是100MHz，那么接收通道的所有单元都要保证100MHz的信号带宽，包括混频后的中频选择上，也要保证100MHz的带宽信号能够通过。同时，ADC需要提高采样率以保证不产生混叠。除了带宽、采样速率的改变，经ADC后的数字信号进入多路并行数字下变频器(MDDC)，MDDC可并行处理多路音频信号，其工作原理如图3所示：
如图3所示是多路数字下变频器的工作原理，它由N组并行的数字下变频器组成，每组由两个乘法器、数字振荡器(NCO)、及两个FIR数字抽取滤波器组成。NCO的输出频率由测量频率决定，可程控定义，每组输出2路信号的IQ基带数据，供DSP计算信号的幅度和相位。N的数量取决于硬件的资源能力和***的复杂度，实现过程中需要综合考虑。当N的数量小于多音信号的个数时，可以采用分时串行处理的方式进行复用。
采用多路数字下变频的方式，可以将被测信号精确的提取出来，避免其它频率信号存在产生的测试干扰，精度很高，但需要的硬件资源也较高。当测试动态范围和波动要求不高的情况下，可以采用如图4所示的电路结构，直接进行FFT测量，在ADC后直接对信号进行FFT处理，获得每个频点的幅度和相位信息，存储后供测量，这样可以获得更高的测试速度，而且不受资源的影响。
本方面采用了矢量信号收发的技术架构实现矢量网络分析的测量，由于具备矢量收发的能力，可以完成一些更复杂的测试。例如，用DAC输出射频脉冲信号，可以进行对被测件的时域测试，这是传统矢网无法完成的测试。还有，可以直接通过MTG产生双音信号，直接测试被测件的三阶互调，这也是传统矢网测试无法完成的。
采用了本发明的实现矢量信号收发的高带宽矢量网络分析仪***，多频点的测试速度大大提高，典型场景下可提高测试速度10-20倍以上。对测试效率要求较高的场合非常使用；功能扩展性强，使传统矢网具备了矢量信号收发的功能，能够实现传统矢网无法完成的测试任务，硬件复杂度和成本有一定提升。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (8)
1.一种实现矢量信号收发的高带宽矢量网络分析仪***，其特征在于，所述的***包括发射通道，所述的发射通道包括多音信号电路结构，多音信号电路结构的输入端与数字信号处理模块相连接，多音信号电路结构产生多音并行信号，并输出多音射频信号至接收端；
所述的***还包括接收通道，所述的接收通道包括多路并行数字下变频器组，所述的多路并行数字下变频器组包括多个多路并行数字下变频器，所述的多个多路并行数字下变频器的输入端分别与多个模数转换模块相连接，并行处理多路音频信号。
2.根据权利要求1所述的实现矢量信号收发的高带宽矢量网络分析仪***，其特征在于，所述的多音信号电路结构包括多音信号发生器、两路多音信号处理电路结构和加法器，所述的多音信号发生器的输入端与数字信号处理模块相连接，在数字端产生多音并行信号，产生I路基带信号和Q路基带信号，所述的两路多音信号处理电路结构分别接收所述的I路基带信号和Q路基带信号，并进行多音信号处理，所述的加法器接收两路多音信号处理电路结构输出的信号，将信号相加并输出多音射频信号。
3.根据权利要求2所述的实现矢量信号收发的高带宽矢量网络分析仪***，其特征在于，所述的两路多音信号处理电路结构分别包括数模转换器、调制器和混频器，所述的两路多音信号处理电路结构的数模转换器分别接收I路基带信号和Q路基带信号，所述的调制器的输入端与所述的数模转换器相连接，所述的混频器的输入端接收调制器输出的信号以及本地射频源的信号并进行混频，所述的两路多音信号处理电路结构的混频后的信号均输出至所述的加法器。
4.根据权利要求1所述的实现矢量信号收发的高带宽矢量网络分析仪***，其特征在于，所述的接收通道还包括存储器模块，所述的多个多路并行数字下变频器的输出端均与所述的存储器模块相连接，所述的存储器模块的输出端与所述的数字信号处理模块相连接。
5.根据权利要求1所述的实现矢量信号收发的高带宽矢量网络分析仪***，其特征在于，所述的多路并行数字下变频器包括N组数字下变频器模块，所述的N组数字下变频器模块并联连接，所述的每组数字下变频器模块包括数字振荡器、第一乘法器、第二乘法器、第一FIR数字抽取滤波器和第二FIR数字抽取滤波器，所述的数字振荡器输出2路IQ基带数据，分别输出至第一乘法器和第二乘法器，所述的第一乘法器和第二乘法器均接收模数转换模块的信号，所述的第一乘法器的输出端与第一FIR数字抽取滤波器相连接，所述的第二乘法器的输出端与第二FIR数字抽取滤波器相连接，所述的第一FIR数字抽取滤波器和第二FIR数字抽取滤波器分别输出I路和Q路信号。
6.根据权利要求1所述的实现矢量信号收发的高带宽矢量网络分析仪***，其特征在于，所述的接收通道还包括快速傅里叶变换模块组，所述的快速傅里叶变换模块组包括多个快速傅里叶变换模块，所述的多个快速傅里叶变换模块的输入端分别与多个模数转换模块相连接，所述的多个快速傅里叶变换模块的输出端均与存储器模块相连接。
7.根据权利要求5所述的实现矢量信号收发的高带宽矢量网络分析仪***，其特征在于，所述的数字下变频器模块的数量小于多音信号处理电路结构的通道数的情况下，所述的***采用分时串行处理的方式进行复用。
8.根据权利要求5所述的实现矢量信号收发的高带宽矢量网络分析仪***，其特征在于，所述的数字振荡器的输出频率根据测量频率定义。
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