CN1336721A - 检测已知频率的微弱信号的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种检测已知频率的微弱信号的方法及装置,将待测的已知频率的微弱信号和另一个与其同频的信号分别与本振信号下变频后得到两个中频信号IF、LO;将上述两个中频信号IF、LO进行相位比较,得到两个包含有被测信号幅度A的信号,将其分两路,每路依次进行前级缓冲放大、低通滤波、末级缓冲放大后,进行平方和运算;将运算后的信号开平方即得到被测信号。本发明可在强干扰环境中对已知微弱信号进行检测。

Description

检测已知频率的微弱信号的方法及装置

本发明涉及一种检测已知频率的微弱信号的方法及装置，特别是在引入导频的前馈线性功放***的末级输出端检测已被衰减的导频信号的幅度的方法及装置。

随着全球通讯业务的发展，下一代的移动通讯基站***发射机开始大量采用线性功放作为末级输出，在线性功放中前馈技术是采用的比较多的方法，为了检测前馈功放消除非线性失真的程度和效果，同时对前馈环路进行控制，普遍采用了增加导频的方法，见图1。

但对于通讯***来说，增加的导频信号对通讯信号是一种干扰信号，因此必须在发射机的输出端将其减小到通讯协议规定的电平以下，在GSM***中，协议对这种杂散干扰的要求是小于-36dBm，随之而来的问题是：由于发射机的有用信号最大输出功率一般都在36dBm以上，就要求导频检测***有能力在高于被检测信号70dB以上的强“干扰”，(指载波，对导频检测而言是干扰，下同)环境中检测出导频信号的幅度大小，而且通常被检测的导频信号是被噪声淹没的，“干扰”信号的频率、数量也不确定，这样就给导频信号的检测带来了困难。

为了解决这个问题，根据资料显示，目前采用的有下面几种方法：

1)导频扩频法  采用伪随机序列码对导频进行扩频，使之铺满整个工作频段，在接收端再用该伪随机序列码对导频进行解扩。由于导频扩频后能量分布在整个频带，因此对该频段内的任意一个载波的干扰较小，解扩后导频的能量也易于检测。见图2。

2)带外法  将导频放在工作频段之外，因此幅度可以较大，易于检测。通过在功放后加滤波器将导频滤掉，见图3。

3)超外差法  类似于传统的超外差接收机，采用混频器将导频变换到中频，经过滤波、中放将导频信号选频放大，最后用检波器检测出导频的幅度，超外差法的灵敏度可以做得比较高，因此用这种方法可以将导频放在工作频带内，导频的抵消程度较好地反映了整个工作频带内载波(第一环路LOOP1)或交调(第二环路LOOP2)的抵消程度。见图4。

虽然以上技术有各自的优点，但它们也有各自比较致命的缺点，使前馈线性功放的技术指标受到各种限制而不能完全满足我们的要求。

导频扩频法的好处是能反映整个工作频带内载波(第一环路LOOP1)或交调(第二环路LOOP2)的抵消程度，但它同时也在整个工作频带内加上了干扰信号，对每个载波信号都会有干扰，有可能会在通讯中造成高的误码率。而且导频***构成较复杂，成本高。

带外法的优点是易于检测，但要求外加高性能的滤波器，增加了成本，同时对载波也有损耗，带外法的另一个缺点是因导频处于工作频带外，就要求整个环路的带宽要增加，这对于主功放、误差功放等部件来说非常困难，如果环路的带宽不能做宽或在宽带情况下平坦度稍差，导频就不能正确反映环路的抵消状况，最终会造成前馈功放的交调指标不能满足要求。见图5，此图曲线显示了环路的对消状况，在导频点处对消程度最大，偏离导频越远对消越差，因此把导频放在带外不能在整个工作频带内取得最佳的对消效果。

超外差法虽然有灵敏度高等优点，但其致命的弱点是抗干扰能力差，这是因为中频滤波器不可能做到很窄，矩形系数也有一定的限制，因此当载波靠近导频时就会对导频检测电路产生严重的干扰，以至于使电路无法正常工作。除非多载波发射机的载波是固定的且有足够的频率间隔，否则不能采用这种方法。这在目前广泛采用的跳频发射***中基本上是不实用的。

本发明的目的就是为了解决以上问题，提供一种检测已知频率的微弱信号的方法及装置，以便能在载波的强干扰下检测微弱的导频信号，抗干扰能力强，灵敏度高。

本发明实现上述目的的方案包括一种检测已知频率的微弱信号的方法和一种检测已知频率的微弱信号的装置。

所述检测已知频率的微弱信号的方法包括如下步骤：

产生一个本振信号；将待测的已知频率的微弱信号与本振信号下变频后得到第一中频信号IF；

将一个与待测信号同频的幅度已知的信号与本振信号下变频后得到第二中频信号LO；

将上述第一中频信号IF、第二中频信号LO进行相位比较，得到两个包含有被测信号幅度A的信号Asinθ、Acosθ，其中θ为相位差；

将两个信号Asinθ、Acosθ分两路，每路依次进行前级缓冲放大、低通滤波、末级缓冲放大后，进行平方和运算；

将运算后的信号开平方。

所述检测已知频率的微弱信号的装置包括本振信号产生装置、下变频装置，下变频装置用于将待测的已知频率的微弱信号与本振信号产生装置所产生的本振信号下变频后得到第一中频信号IF，将一个与待测信号同频的幅度已知的信号与本振信号下变频后得到第二中频信号LO；其特征是：还包括相位比较器、前级缓冲放大器、低通滤波器、末级缓冲放大器、平方和电路和开平方电路；所述相位比较器的一个输入端接上述第一中频信号IF，另一个输入端接上述第二中频信号LO，其输出端为两个包含有被测信号幅度A的信号Asinθ、Acosθ，其中θ为相位差；两个信号Asinθ、Acosθ分两路，每路经前级缓冲放大器、低通滤波器、末级缓冲放大器后，接至平方和电路的输入端，平方和电路的输出信号即为被测信号的幅度的平方A2，该输出信号接开平方电路的输出端。

上述方案的优点：由于采用了相干检波、低通滤波、平方和、开平方等技术，因此具有抗干扰能力强，灵敏度高等优点。不仅适于在有强载波干扰下检测微弱载波，也可以用于在其他强干扰场合下检测微弱信号。

图1是本发明的一个典型应用场合——引入导频的前馈线性功放***示意图。

图2是导频扩频法示意图。

图3是带外法示意图。

图4是超外差法示意图。

图5是前馈功放***中环路对导频的对消效果示意图。

图6是本发明原理框图。

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

本发明可用于多种需要在强干扰环境中对已知的微弱信号检测其幅度大小的场所，如通讯、雷达、探测器等。但本文前面对背景技术的描述中主要是以无线通信***中双环前馈功放***为例进行的。为便于描述，下文仍以此为例，但其实用的场合显然不是局限于此。

图1是一个典型的双环前馈线性功放，除导频检测部分外，其他部分是现有技术，本发明就是对导频检测部分所做出的改进。由于放大器的非线性，多载波信号经过放大器后，会产生有害的交调分量IMD(Intermodulation Distortion)。在上图中主功放(MPA)4是待改善线性的放大器，为了改善它的线性需要增加一个功率比较小的误差功放(EPA)13和主要由延迟器6、8、矢量衰减器3、12构成的环路。之所以称为矢量衰减器是因为这种衰减器既可以改变信号的幅度，又可以改变信号的相位。从上图可以看到，我们把前馈***分为三个部分，环路1(LOOP1)、环路2(LOOP2)以及导频检测、控制部分(从耦合器10、11出来到自动控制部分)。环路1实现的功能主要是提取信号通过主功放MPA产生的交调分量IMD，环路2实现的功能是放大提取的交调分量IMD以抵消载波中的交调分量IMD，使输出的信号较为纯净，从而改善放大器的线性度。

多载波信号17为待放大的信号。通过耦合器16把第一导频polit1(反映环路1的载波抵消情况)耦合进来与多载波信号17进行混合，并且通过耦合器1分为两路送入环路1。其中一路通过耦合器2把第二导频polit2(反映环路2的交调分量IMD抵消情况)耦合进来，一起送入主功放(MPA)4。由于主功放(MPA)4的非线性，输出信号18便有了杂散交调分量IMD。经过耦合器5取出一部分信号与从延迟器6送来的没有杂散的载波在耦合器7会合。调节控制信号D1、D2矢量衰减器3的幅度和相位，使到达耦合器7的两路载波信号幅度相等相位相反，这样环路1就提供给我们信号19，理论上它只是含有交调分量IMD。实际过程中，信号19的精度主要取决于矢量衰减器的控制信号D1、D2的精细调节，而控制信号D1、D2的值是由自动控制装置根据导频检测接收机收到的第一导频polit1的信息进行计算、处理得到的，该信息包含了载波对消的程度。所提取的交调分量IMD信号通过误差放大器(EPA)13进行放大后通过耦合器9和被放大过的带有交调分量IMD的载波进行抵消，得到消除交调分量IMD的、被放大的载波信号21，其抵消精度通过导频检测接收机接收第二导频polit2，送入自动控制装置处理来调节矢量衰减器12的控制信号D3、D4，使到达耦合器9的交调分量IMD信号和载波信号中含有的交调分量IMD信号幅度相等相位相反。最后达到改善主功放输出的交调的目的。

其中，导频polit由一个独立的锁相环产生，通过单刀双掷开关K2轮流加到环路1和环路2，成为图中的第一导频polit1和第二导频polit2，而窄带导频接收机(即图中的“polit检测”通过单刀双掷开关K1轮流检测环路1和环路2对消后的第一导频polit1和第二导频polit2，K1和K2由自动控制单元同步控制，在环路1和环路2之间轮流转换。

上述方法需要在环路中增加导频。如上所述，对于通讯***来说，增加的导频信号对通讯信号是一种干扰信号，因此必须在发射机的输出端将其减小到通讯协议规定的电平以下，在GSM***中，协议对这种杂散干扰的要求是小于-36dBm，随之而来的问题是：由于发射机的有用信号最大输出功率一般都在36dBm以上，就要求导频检测***有能力在高于被检测信号70dB以上的强“干扰”(指载波，对导频检测而言是干扰，下同)环境中检测出导频信号的幅度大小，而且通常被检测的导频信号是被噪声淹没的，“干扰”信号的频率、数量也不确定，这样就给导频信号的检测带来了困难。本发明就可以解决这一问题。

图6是本发明的示意图。该图既说明了本发明所述的装置，也说明了本发明所述的方法。

把其中每一个方框理解为一个处理步骤，则该图说明了一种检测已知频率的微弱信号的方法，包括如下步骤：产生一个本振信号；将待测的已知频率的微弱信号与本振信号下变频后得到第一中频信号IF；将一个与待测信号同频的幅度已知的信号与本振信号下变频后得到第二中频信号LO；将上述第一中频信号IF、第二中频信号LO进行相位比较，得到两个包含有被测信号幅度A的信号Asinθ、Acosθ，其中θ为相位差；将两个信号Asinθ、Acosθ分两路，每路依次进行前级缓冲放大、低通滤波、末级缓冲放大后，进行平方和运算；将运算后的信号开平方。最后进行对数检波，得到信号A/D。

把其中每一个方框理解为一个处理装置，则该图说明了一种检测已知频率的微弱信号的装置，该装置包括本振信号产生装置(图中未显示，体现在信号LO和IF中，见图1)、下变频装置，下变频装置用于将待测的已知频率的微弱信号与本振信号产生装置所产生的本振信号下变频后得到第一中频信号IF，将一个与待测信号同频的幅度已知的信号与本振信号下变频后得到第二中频信号LO；其特征是：还包括相位比较器、前级缓冲放大器、低通滤波器、末级缓冲放大器、平方和电路和开平方电路；所述相位比较器的一个输入端接上述第一中频信号IF，另一个输入端接上述第二中频信号LO，其输出端为两个包含有被测信号幅度A的信号Asinθ、Acosθ，其中θ为相位差；两个信号Asinθ、Acosθ分两路，每路经前级缓冲放大器、低通滤波器、末级缓冲放大器后，接至平方和电路的输入端，平方和电路的输出信号即为被测信号的幅度的平方A²，该输出信号接开平方电路的输出端。

图6中，IF为经过环路的导频(经过环路1的第一导频polit1或经过环路2的第二导频polit2，与开关K1、K2的状态有关)与本振下变频后得到的中频信号，它包含了代表对消程度的幅度信息A，相位随环路对矢量衰减器的控制不同而不同。LO是导频直接与本振信号下变频后得到的信号，它与中频信号同频，相位相对固定，与IF相比相位有差别。A/D是相干检测的最终输出，送给自动控制电路作为控制矢量衰减器的依据。其中本振信号是由一个独立的本振信号产生装置所产生，其频率与导频信号相差IF。

根据功能可将相干检测电路划分为如下几个功能模块：

相位比较器、缓冲放大、低通滤波器、平方和、开平方和直流对数检波，下面分别说明各模块的功能。

相位比较器  如图6所示，本振和经过中放的中频信号进入相位比较器，由于两个信号同频，只有相位不同，因此该相位比较器的输出为分别代表ASinθ和ACosθ的两个直流信号，其中包含了导频信号的幅度信息A和本振、中频的相位差信息θ。

缓冲放大级  在低通滤波器前后都加了缓冲放大电路，其目的是起到隔离和满足增益的要求。

低通滤波器  因干扰信号与的本振信号完全不相干，因此干扰信号进入到相位比较器后与本振比相产生的输出为一交流信号，干扰信号与导频信号靠得越近，产生的交流信号频率越低，该干扰信号叠加在导频信号比相后产生的直流信号上，为了去除这些干扰信号，需要一个截止频率很低的低通滤波器，以便把干扰信号产生的交流分量滤掉。该电路抗干扰能力的关键就在于这个低通滤波器，采用专用的开关电容低通滤波器芯片可以很容易地做到截止频率很低的低通滤波器。通过该滤波器可以将大部分干扰信号滤掉，保证相干检测的准确度。

平方和电路与开平方电路  将经过低通滤波的ASinθ和ACosθ信号平方后求和，按照下式：

(ASinθ)²＋(ACosθ)²＝A²

去掉了其中的相位分量，再开平方即可得到幅度分量A，这就是本发明检测方法和装置进行检测的分量。该幅度分量A代表了环路对消后剩余的导频分量的大小。也就代表了对消程度。剩余的导频分量越小，对消越好。

经过平方和电路得到的信号虽然也可表示剩余导频信号的幅度，但由于A的变化范围大于35dB，平方后动态范围会更大，会给后面的检测带来麻烦，因此需对其开平方，这就是开平方电路的功能。

直流对数检测  开平方之后得到的幅度信息A是一个线性变化的分量，当A的值很小时，其每1dB的变化量只有几毫伏，这样对于A/D采样的要求就很高。为降低A/D采样的难度，对A取对数后得到以分贝数变化的变量，这样A在整个动态范围内的变化量就是均匀的了，通过直流对数检测保证了相干检测的动态范围。

根据以上各功能模块的描述，可以看出该发明的特点是采用了相干检波、低通滤波、平方和、开平方及直流对数检测等技术，因此具有抗干扰能力强，灵敏度高，动态范围大等优点。在实际使用中，为进一步增强抗干扰能力，还可以对导频、本振分别或同时加频率调制、相位调制等。因被检测的中频导频信号和作参考的中频本振信号都是由相同的频率源得来的，因此频率源的频率漂移对检测不构成影响，降低了频率源的要求。

本发明与现有技术相比最大的好处是不会对载波产生任何干扰，而且实现起来电路简单，成本低。

Claims (6)

1、一种检测已知频率的微弱信号的方法，包括如下步骤：

产生一个本振信号；

将待测的已知频率的微弱信号与本振信号下变频后得到第一中频信号IF；

将一个与待测信号同频的幅度已知的信号与本振信号下变频后得到第二中频信号LO；

将上述第一中频信号IF、第二中频信号LO进行相位比较，得到两个包含有被测信号幅度A的信号Asinθ、Acosθ，其中θ为相位差；

将两个信号Asinθ、Acosθ分两路，每路依次进行前级缓冲放大、低通滤波、末级缓冲放大后，进行平方和运算；

将运算后的信号开平方。

2、如权利要求1所述的检测已知频率的微弱信号的方法，其特征是在开平方后，还将信号进行对数检波。

3、如权利要求1所述的检测已知频率的微弱信号的方法及装置，其特征是：在检测前先对信号进行频率调制或相位调制。

4、一种检测已知频率的微弱信号的装置，包括本振信号产生装置、下变频装置，下变频装置用于将待测的已知频率的微弱信号与本振信号产生装置所产生的本振信号下变频后得到第一中频信号IF，将一个与待测信号同频的幅度已知的信号与本振信号下变频后得到第二中频信号LO；其特征是：还包括相位比较器、前级缓冲放大器、低通滤波器、末级缓冲放大器、平方和电路和开平方电路；所述相位比较器的一个输入端接上述第一中频信号IF，另一个输入端接上述第二中频信号LO，其输出端为两个包含有被测信号幅度A的信号Asinθ、Acosθ，其中θ为相位差；两个信号Asinθ、Acosθ分两路，每路经前级缓冲放大器、低通滤波器、末级缓冲放大器后，接至平方和电路的输入端，平方和电路的输出信号即为被测信号的幅度的平方A²，该输出信号接开平方电路的输出端。

5、如权利要求4所述的检测已知频率的微弱信号的装置，其特征是：还包括对数检波电路，其输入端接开平方电路的输出端。

6、如权利要求4或5所述的检测已知频率的微弱信号的装置，其特征是：还包括频率调制电路或相位调制电路，位于相位比较器之前。

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