测量接收机中高精度频率与电平测量方法研究

杜 垚

（中电科思仪科技股份有限公司，山东 青岛 266555）

0 引 言

测量接收机属于微波毫米波测量仪器，综合了频谱分析仪、功率计、调制度分析仪以及频率计等仪器的测量功能，具有测量参数多、测试精度和准确度高等特点[1]。测量接收机的基本原理如图1所示。

图1 测量接收机原理框图

随着信号发生器及步进衰减器等设备的频段逐步扩展、性能指标逐步提高、种类逐步增加，对频率、电平以及幅度调制（Amplitude Modulation，AM）信号、频率调制（Fequency Modulation，FM）信号以及相位调制（Phase Modulation，PM）信号等调制信号测量技术提出了更高要求[2]。本文研究的目标就是实现高精度频率测量，满足计量级仪器的测试需求，减少人工对仪器状态的设置，提高产品的智能化。

1 整机软件架构

测量接收机整机软件需要实现多种测量功能，功能内部的运算和功能之间的数据交换复杂，需要提升测量接收机内部多种参数计算环节的协调性[3]，确保整机软件运行的效率。因此，整机软件采用分层次、组件化的设计思路，整个软件分为4层，包括总线驱动层、板级功能层、分析测试层以及应用接口层。功能模块主要包括用户接口、硬件驱动控制、测量功能和自动设置工具、参数校准补偿及修正、程控功能接口以及一些辅助功能实现模块。这些模块围绕核心的各种参数分析测试模块形成一个有机的整体。

测量接收机中的测试功能包括频率计数测试、绝对功率测试、调谐电平测试、模拟解调测试以及音频测试等多种测量功能。整机软件实施这些测试功能的工作流程，根据测量功能获取前端产生的数据流，配置并执行数据处理和相关分析功能的实现。这些测量模式将设计成独立的软件模块，可根据需要选择执行所需的测试功能组件。此外，整机软件通过提供自动调谐、自动频率搜索、模拟解调自动参数设置等工具，可以快速、准确地完成对各种复杂信号进行的频率、功率、模拟调制等参数测试，增强测量接收机的可用性。硬件驱动控制协调整机硬件资源，实现对本振、检波通道、微波变频通道及中频等硬件功能电路的控制和驱动，实现宽带数字信号处理板的高速总线接口驱动。为了提高仪器的测量准确度，软件设计了全面的测量接收机通道校准和补偿算法，针对诸多的通路和测量参数进行优化，并对测量结果进行误差修正。

2 频率测量技术

频率测量功能可以精确地测量信号频率，对于衡量具有周期性射频输出的信号发生器的特性是十分重要的。

2.1 高精度信号搜索

信号搜索最直接的方法就是在全频段范围内进行一次峰值搜索，定位信号位置，但不同的频点上测量接收机的灵敏度也不同。高波段较低波段灵敏度有所下降，仪器本身的显示平均噪声电平也随之增大，甚至有可能出现高频段噪声电平比低频段信号幅度还要高的情况。如果在全频宽范围内直接进行信号搜索，很有可能会误将高频段的噪声识别为射频输入信号。

为了提高信号搜索的准确度，本文对整机的全频段进行分段搜索。如果依据整机灵敏度来进行频率分段，可以最大程度上保证信号搜索的准确度，但过多的划分频段又会增加测量时间的开销。不同的输入耦合方式会限制输入信号的频率大小。对小于10 MHz 的输入信号的测量性能是在直流耦合方式下保证的。因此，在低频段，不同的输入耦合方式下，要采取不同的分段方式。在界定分段范围时，默认同一段内灵敏度取值相同。选取每一个分段测量结果中信噪比最优者作为精确的频率调谐点，进行进一步的测量。

分段搜索可以有效地隔离高频段的本底噪声对低频段信号搜索的干扰，保证了信号搜索的准确度，同时也确定了当前输入信号所在的频率分段范围。当测量信号幅度的波动在误差范围内，下一次的测量不需要再对其他分段进行重新搜索，可以减少测量时间，提高测量效率。

2.2 截除零频影响

中频信号是由射频信号与本振信号的基波或各次谐波混频产生的。在多数情况下，本振信号频率与中频信号频率距离足够远，可以被中频滤波器滤掉，不会对测量产生影响。而当本振信号频率与中频信号频率相同或是很接近时，本振信号会通过中频滤波器在测量中出现。由于本振信号的相位噪声影响，靠近最小起始频率的现实噪声电平将会增加，引起该频率段灵敏度的降低。零频信号幅度通常比较大，处于零频附近的被测信号就有可能淹没在零频信号的响应曲线边缘处，对低频信号的测量产生严重影响。

零频抑制电路的工作原理是：产生一个与本振信号频率相同的叠加信号，调整叠加信号的幅度和相位，使得叠加信号与本振信号幅度相等、相位相反，理论上可以完全抵消泄漏信号。但是在实际测量中，不可能完全消除零频对测量的影响，当被测信号频率较低的时候，还是有可能被淹没在零频信号中。

前面章节提到，在信号搜索的过程中，采用分段搜索的频率调谐方式，低频段的信号搜索会受到零频的影响，在硬件通路无法完全抵消零频影响的情况下，可以通过软件的“硬”截断来规避零频对低频信号测量的干扰。整机中采用的中频滤波器的形状因子值接近于5，只要保证在低频段频率搜索范围的下限高于3 倍的分辨率带宽值，就可以避免零频信号对测量带来的影响。

对小于10 MHz 的输入信号，通常选择直流耦合方式测量，采用这种“硬”截断的方式结合分段搜索，即使是在交流耦合方式下，也可以准确地搜索到10 MHz 以下的输入信号。在直流耦合方式下，可以搜到100 kHz 或更低频的信号，提高整机测量动态范围。

2.3 提高扫描读数精度

受制于当前测量状态的频宽、分辨率带宽及扫描点数等参数的影响，分段信号搜索得出的测量结果只能算是一个“粗”定位，频率测量的精度、准确度还不能满足测量的需求。要提升测量结果的精确度，就需要在一定的范围内不断地提高频谱分辨率和轨迹数据的读数精度。

频谱分辨率主要决定于分辨率带宽。分辨率带宽越窄，对输入信号的频谱分辨率也就越高，测量结果精度也会越高。但非常窄的分辨率带宽会造成长的扫描时间。分辨率带宽通常自动适应于频宽，这样可避免由于过大的频宽与过小的分辨率带宽造成的长扫描时间，或过小的频宽与过大的分辨率带宽造成的低分辨率。分段搜索可以快速地完成输入信号的“粗”定位，得到信号搜索的频率读数，但尚未能达到频率读数准确度的要求，此时计数结果也是不准确的。至少要保证信号搜索的频率读数误差在当前0.5 倍分辨率带宽的范围内，得到的计数结果才是准确的。频率读数准确度与频宽、分辨率带宽及扫描点数相关，分辨率带宽与频宽通常是1 ∶106 的比率关系。通过不断缩小频宽、提高扫描点数，就可以获得更精确的信号频率读数。扫描点数多少不影响测量时间，因此本文把扫描点数提高到整机工作最大扫描点数，频宽缩放比率1 ∶200，在同等读数精度下，最大程度地提高扫描读数精度，降低频宽的缩放次数，有效地减少测量时间。

3 高精度电平测量

频谱分析仪通常用来测量一定频段内的频谱，包括信号频率和电平值。频谱分析仪的绝对电平和相对电平测试动态范围较宽，但是由于频谱仪元器件频响以及线性度原因，电平测试误差较大[4]。

提高电平测量范围和准确度的一种方法是采用功率计与频谱分析仪相结合的测量办法。通过测试值比较和传递的办法，将功率计的精确功率测量结果传递给接收机，保证接收机绝对功率测试值的准确性[5]。同时，通过范围调整和自动校准的办法，利用射频调谐模块的高线性度来保证整个功率范围的测量精度。

在测量接收机的电平测量范围内，存在着仪器内部参数必须改变的要求。这是因为，调谐电平测量要求保证信号接收处理模块大信号接收不压缩，小信号通路下能够通过提高通路增益降低通路噪声。内部参数发生切换后，尽管信号接收处理模块已经进行过状态补偿，但是仍可能存在细小的误差。这对普通频谱分析功能可忽略不计，但对于接收机的信号接收处理模块却必须进行修正。这时需要一个Range-to-Range 的校准过程，将改变增益前后的测量结果进行交叉校准。

信号接收处理模块在初始化测量时，首先通过频率计数获得精确的频率，进行信号接收通路设置，并通过调整衰减器的方式使混频器工作在线性区间，保证信号接收模块无失真。接收模块的信号获取值为SA，并以功率处理模块的测量值PM 为参考，形成校准因子CF=PM-SA，借此将功率处理模块的高精度传递到信号接收处理通路。

利用信号接收处理模块的线性度进行宽范围测量过程中，测量值会受到本底噪声的影响。任何接近接收机显示噪声电平的测量都会受到噪声的影响。接收机的噪声会加在显示的被测信号功率上，使得测量结果比真实值偏高。随着信号载噪比降低，噪声对测量值的影响逐渐变大。为了保证接收机通路相对测量值的准确性，可以通过设定接收机通路的衰减器、放大器状态，使载噪比尽可能地高。

4 实现效果及验证

本文使用R&S SMW200A（100 kHz～40 GHz） 信号发生器分别产生100 kHz、4 GHz、9 GHz、13 GHz、18 GHz、26 GHz 及40 GHz 等连续波信号，测量接收机与信号发生器通过BNC 电缆共时基，利用文中算法设计的频率测量功能测量各频点，得出的测量数据如表1 所示。

表1 各频点测量结果

由测量结果可以看出，基于本文去零频、分段搜索及提高频率读数精度算法的频率测量功能在低频段（4GHz及以下）的测量灵敏度优于-50 dBm，零频附近信号测量未受影响。在9～18GHz频段的测量灵敏度优于-40 dBm。26GHz及以上频段的灵敏度优于-30 dBm。各频段测量精度均优于0.1 Hz，实现了频率的高精度、高灵敏度测量。

5 结 语

本文设计实现的高精度频率测量功能，有效提高了测量接收机在频域上的基本测试能力。本文提出的高精度电平测量方法对大动态范围的功率电平测量提供了理论支持。