頻譜監(jiān)測(cè)儀器雙通道信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

呂天志

（中電科思儀科股份有限公司，山東青島，266555）

0 引言

與常用的頻譜分析儀不同，頻譜監(jiān)測(cè)儀器是針對(duì)無線電信號(hào)搜索、檢測(cè)、頻譜監(jiān)測(cè)等任務(wù)設(shè)計(jì)的具有獨(dú)特適用性的測(cè)試儀表，頻率范圍從短波到微波毫米波，并且靈敏度要求高，保證小信號(hào)的截獲。受限于A/D轉(zhuǎn)換的速度和動(dòng)態(tài)范圍，頻譜監(jiān)測(cè)儀器無法實(shí)現(xiàn)微波毫米波頻段的射頻直接采樣，通常采用超外差方式變頻到較低的中頻進(jìn)行采樣。超外差變頻的一個(gè)顯著的問題是存在本振饋通現(xiàn)象, 嚴(yán)重影響對(duì)短波等低頻信號(hào)的測(cè)量。采用零頻抑制電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，受環(huán)境、元器件狀態(tài)等影響大，很難調(diào)整到理想狀態(tài)。由于短波通信具有設(shè)備簡(jiǎn)單、通信距離遠(yuǎn)等先天的優(yōu)勢(shì)，依然是軍用和民用通信中不可或缺的重要手段，對(duì)短波信號(hào)監(jiān)測(cè)顯得格外重要。為提高頻譜監(jiān)測(cè)儀器短波監(jiān)測(cè)的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)保證微波毫米波寬頻段測(cè)試，本文采用短波信號(hào)直接采樣、微波信號(hào)變頻采樣的雙通道信號(hào)采集處理方式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1 雙通道信號(hào)采集處理系統(tǒng)原理框圖

頻譜監(jiān)測(cè)儀器雙通道信號(hào)采集處理系統(tǒng)主要由短波信號(hào)直接采集和微波信號(hào)變頻采集兩個(gè)通道構(gòu)成，其中1MHz～30MHz的短波信號(hào)輸入后經(jīng)信號(hào)調(diào)理后直接采集處理，30MHz～30GHz的微波信號(hào)輸入后經(jīng)多級(jí)變頻到140MHz中頻信號(hào)后進(jìn)行采集處理。采樣時(shí)鐘為112MHz，最大分析帶寬為20MHz。為提高信號(hào)采集的動(dòng)態(tài)范圍，采用dither抖動(dòng)電路減小 ADC諧波失真。雙通道信號(hào)采集處理系統(tǒng)如圖1所示。

2 短波信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

短波信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求接收靈敏度小于-156d Bm/Hz。短波信號(hào)采集的原理框圖如圖2所示，主要包括差分變換、差分放大、濾波等部分。高速ADC有效帶寬較寬，對(duì)電路環(huán)境的抑制能力較差，為獲得最優(yōu)的整體性能，驅(qū)動(dòng)電路需要采用差分形式。變壓器作為無源器件，低功耗、低噪聲是其最大優(yōu)點(diǎn)，為此選用變壓器實(shí)現(xiàn)差分變換。為提高系統(tǒng)靈敏度，采用差分放大器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大，同時(shí)設(shè)計(jì)低通濾波器抑制放大器噪聲。

圖2 短波信號(hào)采集的原理框圖

（1）變壓器設(shè)計(jì)

ADC的噪聲系數(shù)公式為：

其中PFS(dBm)為ADC輸入滿量程功率，SNR為ADC的信噪比，B為信號(hào)帶寬；

選擇阻抗比為1:16的變壓器ADT16-6T實(shí)現(xiàn)單端到差分的變換，此時(shí)ADC輸入阻抗為800Ω，最大輸入電壓為2V峰峰值，因此ADC輸入滿量程功率為-2dBm。計(jì)算得到 ADC 噪聲系數(shù) NF=-2 + 174 -75 -10＊log（56＊106）dB =19.5dB，得到靈敏度理論值為154.5dBm/Hz。阻抗比為1:16的變壓器改善了系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，但不能滿足設(shè)計(jì)要求仍需要后級(jí)放大器降低噪聲系數(shù)。

（2）放大器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)放大倍數(shù)為10dB的差分放大器。選擇低功耗的差分放大器ADA4932作為ADC驅(qū)動(dòng)器。原理圖設(shè)計(jì)如下所示。采用放大器，會(huì)使整個(gè)采集系統(tǒng)的SNR（信噪比）降低6dB。為了改善SNR，需要在放大器和ADC 之間插入一個(gè)濾波器。

（3）濾波器設(shè)計(jì)

放大器和ADC之間的三階、30 MHz、低通濾波器可降低放大器的噪聲帶寬，從而使SNR 只降低3dB。最終得到短波信號(hào)采集電路靈敏度理論值為（152.5 -3+10）=-161.5dBm/Hz，滿足設(shè)計(jì)要求。運(yùn)用ADS射頻電路仿真工具設(shè)計(jì)低通濾波器。低通濾波器的仿真原理如圖3所示。仿真結(jié)果如圖4所示，可以看出該濾波器可以對(duì)放大器的諧波起抑制作用。

圖3 低通濾波器仿真原理圖

圖4 低通濾波器仿真結(jié)果圖

根據(jù)上述設(shè)計(jì)流程，實(shí)現(xiàn)了短波信號(hào)采集電路原理圖，如圖5所示。

3 微波波段中頻采集電路設(shè)計(jì)

微波信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求接收靈敏度小于-160d Bm/Hz（1GHz）。微波波段輸入信號(hào)最高到30GHz，射頻直接采集的方案要求A/D轉(zhuǎn)換的速率非常高，并且要有較高的A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)，以提高動(dòng)態(tài)范圍。目前通用的ADC產(chǎn)品不能滿足最高頻率為30GHz射頻信號(hào)直接采樣要求。并且這種高速ADC的價(jià)格和對(duì)后端處理的要求都非常高，因此我們采用超外差多級(jí)變頻的方式實(shí)現(xiàn)微波波段信號(hào)采集。微波信號(hào)輸入后經(jīng)過兩級(jí)變頻通路輸出140MHz中頻信號(hào)，根據(jù)帶通采樣定理確定ADC的采樣速率為112MHz，最大分析帶寬40MHz。考慮變壓器低功耗、低噪聲的有點(diǎn)，選擇變壓器耦合的方式驅(qū)動(dòng)ADC。微波信號(hào)采集電路原理框圖如圖6所示，主要包括帶通濾波、差分變換、阻抗匹配等部分。

圖6 微波波段中頻采集電路原理框圖

（1）變壓器設(shè)計(jì)

同短波信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)，為改善系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，選擇阻抗比為1:16的變壓器TC16-1T實(shí)現(xiàn)單端到差分的變換，此時(shí)ADC輸入阻抗為800Ω，最大輸入功率為-2dBm。TC16-1T工作頻率范圍為20MHz-300MHz，插入損耗1dB，回波損耗-11dB，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 短波信號(hào)采集電路原理圖

（2）阻抗匹配設(shè)計(jì)

AD9648是一款非緩沖型或是開關(guān)電容型ADC，與緩沖ADC的阻抗在整個(gè)額定帶寬內(nèi)保持恒定不同，其輸入阻抗會(huì)隨著模擬輸入信號(hào)的頻率發(fā)生變化。輸入開關(guān)閉合時(shí)為跟蹤模式，輸入開關(guān)斷開時(shí)為保持模式，在跟蹤模式下的ADC輸入阻抗與保持模式下的阻抗是不一樣的。由于ADC在跟蹤模式下采樣，因此設(shè)計(jì)阻抗應(yīng)與ADC跟蹤模式輸入阻抗匹配。ADC在跟蹤模式輸入阻抗可以等效為電阻和電容并聯(lián)，如圖7所示。

圖7 ADC等效輸入阻抗

查AD9648的產(chǎn)品資料表可以確定140MHz中頻，20MHz帶寬范圍內(nèi)的ADC阻抗。130MHz: R=3.08kΩ，C=3.45pF；140MHz: R=2.67kΩ，C=3.45pF；150MHz:R=2.33kΩ，C=3.44pF；選擇 R=2.67kΩ，C=3.45pF作為ADC輸入阻抗。

首先確定變壓器的次級(jí)端電阻。

圖8 微波波段中頻采集電路原理圖

然后確定電感值L。ADC輸入端并聯(lián)電感用于以諧振方式抵消ADC輸入阻抗中電容的影響，使ADC輸入端呈現(xiàn)電阻特性。根據(jù)公式可以得到L=390nH。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)流程，實(shí)現(xiàn)了短波信號(hào)采集電路原理圖，如圖8所示。

4 試驗(yàn)與測(cè)試

圖9 短波信號(hào)采集頻譜圖

圖10 微波信號(hào)采集頻譜圖

本文將設(shè)計(jì)的雙通道信號(hào)采集電路應(yīng)用到監(jiān)測(cè)接收類儀器中，完成了短波、微波信號(hào)的高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍接收。其中，1MHz～30MHz的短波信號(hào)采集處理后的頻譜圖如圖9所示，設(shè)置檢波模式為平均，測(cè)量時(shí)間1s，頻寬200kHz，分辨率帶寬100Hz。測(cè)試得到噪底平均值為-140.3dBm，歸一化到1Hz接收靈敏度為-140.3-10log100=-160dBm/Hz，滿足設(shè)計(jì)要求。微波波段信號(hào)經(jīng)變頻接收、中頻采集電路處理后的頻譜圖如圖10所示，設(shè)置參數(shù)同上，測(cè)試得到噪底平均值為-143dBm，歸一化到1Hz接收靈敏度為-143-10log100=-163dBm/Hz，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了短波、微波信號(hào)雙通道采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試。經(jīng)驗(yàn)證與測(cè)試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能良好，為寬頻率范圍信號(hào)采集提供了一種通用的解決方案，應(yīng)用前景廣闊。