一种中频通道分时处理方法

2018-07-27赵金鹏李龙宋淼焦志超

电子制作 2018年13期

赵金鹏，李龙，宋淼，焦志超

（中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东青岛，266555）

0 引言

在模块化小型微波测试仪器中，小型化是需要重点解决的问题。某型PXI总线矢量网络分析模块采用3U标准PXI结构，占用3槽宽度，体积约为61mm×140mm×215mm（宽×高×深），而功能指标类似的传统台式矢量网络分析仪体积约为500mm×200mm×550mm，可见其体积大约只为传统台式机的1/30，小型化的压力非常之大。这就要求从设计源头入手，简化电路结构。

在传统具备反射和单向传输测试能力的台式矢量分析仪中，有三路测量通道，其中频部分如图1所示，参考通道（r路）、反射通道（A路）、接收通道（B路）分别进行信号调理与数据采集，然后进入FPGA进行处理。考虑到体积和成本，本文中的PXI矢量网络分析模块设计对电路进行了简化，只采用了一路数据采集芯片（ADC），如图2所示，参考通道（R路）、反射通道（A路）、接收通道（B路）分别进行信号调理，然后通过开关控制，由同一个ADC对三路信号轮流进行采集，进入FPGA进行数据处理。

图1 传统台式矢量分析仪测量通道中频部分原理示意图

图2 本文PXI矢量分析模块测量通道中频部分原理示意图

1 可行性分析

本文PXI矢量网络分析模块中频带宽最大30kHz，中频频率采用195kHz，现有开关的切换速度足以实现分时采样。

在进行S21测试时，设R路中频信号为：

B路中频信号为：

由此可以看出，不同时刻采样，对两路中频信号的幅度信息是没有影响的，只会对其相位信息带来影响，在tR时刻对R路中频信号进行采样，其相位为：

在tB时刻对B路中频信号进行采样时，其相位为：

所以：

假设矢量网路分析仪的射频源信号为：

本振信号为：

令：

可以看出R路射频信号角频率为：

B路射频信号角频率为：

所以：

故有：

设采样时钟周期为T采样，频率为f采样，则：

其中，n为正整数，由（4）、（5）两式可得：

分时采样对S21相位的影响表现为等式右边第一项，即：

本文采样时钟通过锁相环实现，此锁相环将R路中频信号作为参考时钟，产生的采样时钟频率为中频信号频率的36倍，这样确保了中频信号频率与采样时钟频率关系严格固定，从而使得分时采样对S21测量带来的影响得以消除。同理，用这种方法同样也可以消除S11测试中分时采样带来的影响。

2 实施方案

分时采样硬件实施方案如图3所示，通过将功率稳定的R路中频信号作为参考信号，用锁相环构造频率为中频信号频率36倍的ADC采样时钟信号，并利用FPGA对采样时钟进行分频构造4倍于中频信号频率的信号作为切换开关的控制信号，频率合成器选用的是内部集成了压控振荡器（VCO）的74HC4046，图中CLK_SAM为A/D采样时钟，Ctrl_R、Ctrl_A、Ctrl_B分别是参考（R路）、反射（A路）、接收（B路）切换开关的控制信号，FPGA_FB_4046是采样时钟信号经FPGA 36分频之后到频率合成器的反馈信号。

图4所示为分时采样的控制时序示意图，R、A、B三路控制信号低电平有效，三路控制信号按照R、A、B的顺序交替为低，控制该路上的开关导通，使该路信号进入ADC，完成数据采集。

图3 分时采样实施方案示意图

图4 分时采样控制时序示意图

采样控制过程中，充分考虑了FPGA控制的实时性和上位机软件的灵活性，设计了以FPGA为实时控制中心的的扫描控制方式。上位机根据用户参数输入及相关硬件状态信息对功率、频率进行分配，计算出每一个频率点需要设置的各控制项数据，以结构数组的形式写入FPGA中的虚拟内存。FPGA在上位机软件控制下启动扫描，按照配置的参数，逐点设置本振、信号源频率，调整通道增益，中频信号采集、滤波完成R、A、B三路信号的幅度、相位原始数据的提取，并通过中断的形式，实时的将测量数据送给上位机进行进一步的误差校正与显示处理。其控制过程如图5所示。