手持式频谱分析仪下的全程锁相扫描控制技术实现

苏勇辉 李柏林

摘  要：文章简单介绍了手持式频谱分析仪采用的一种新的扫描控制技术，采用新的全程锁相扫描控制技术可以较大地提高手持式频谱分析仪的扫描速度。文章首先介绍了采用全程锁相扫描控制技术所设计的硬件电路原理，接着介绍了软件设计实现方案，采用全新方案的手持式频谱分析仪大大缩短了扫描回程时间。该全程锁相扫描控制技术已经在某量大面广的国产频谱仪上实际验证，能够较大地提高整机的扫描速度。

关键词：手持式;频谱分析仪;扫描速度;全程锁相

中图分类号：TM935.21      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）12-0039-03

Abstract：This paper briefly introduces a new scanning control technology used in the handheld spectrum analyzer，which can greatly improve the scanning speed of the handheld spectrum analyzer by using the new full range lock-in scanning control technology. This paper first introduces the principle of the hardware circuit designed by the whole process phase-locked scanning control technology，and then introduces the software design and implementation scheme. The handheld spectrum analyzer with new scheme greatly shortens the scanning return time. The whole process phase-locked scanning control technology has been verified in a large number of domestic spectrum analyzer，which can greatly improve the scanning speed of the whole machine.

Keywords：handheld;spectrum analyzer;scanning speed;whole phase lock

0  引  言

频谱分析仪[1]一直是通信、雷达、导航、信号监测等领域必不可少的电子测量仪器，中电科仪器仪表有限公司是国内专业从事电子测量仪器研发和制造的公司，特别是在频谱分析仪方向，其目前是国内最专业的频谱分析仪研发和制造商，而笔者多年来一直专注从事手持式类频谱分析仪的研发设计工作。根据近年的发展趋势来看，手持式频谱分析仪一直在朝着宽频段、高测量速度、低噪声指标的方向发展，扫描速度是衡量微波测量仪器的主要性能指标之一，其主要受限于前端宽带本振的调谐速度及后端数字信号数据处理的速度;当后端中频滤波器的带宽较高时，第一本振的扫描速度就成为限制整机扫描速度的关键因素。

测试需求的多样化发展，要求作为接收机核心的第一本振具有更宽的扫描频段、更快的扫描速度、更低的边带噪声性能指标，目前手持式频谱分析仪类仪器普遍采用多波段扫描的方式;波段内为了保证较高的频率准确度指标通常采用锁相的方式，而对于频率的回扫或者跨波段频率点切换通常是以开环的形式。由于VCO稳定时间长，对于扫频宽度达到数GHz的本振来说，VCO重新稳定时间需要达到数十毫秒级别;对于具有多波段的微波毫米波频段手持式频谱分析仪来说，完成整个频段扫描仅稳定时间就达到了数秒以上。这种稳定时间无疑极大地降低了整机的扫描速度，影响现代手持式频谱分析仪对于瞬变信号的快速检测要求。

为了解决以上问题，笔者实现了一种基于全程锁相的扫描控制技术，扫描过程中即使是频率的回扫或者跨波段频率点切换也采用锁相的方式，这就避免了VCO的重新锁相稳定时间，能够极大地提高整机的扫描速度，满足实际对瞬变信号的快速检测要求。

1  全程锁相扫描控制的硬件设计

现有的台式频谱仪产品的本振扫描通常采用数字DAC结合锁相环控制YTO的扫描方式，受限于YTO类器件的涡流、线包电感、磁滞等特性，扫描速度和线性度较差。为了达到较高的频率准确度指标，需要复杂的控制和线性度补偿电路，因此造成生产调试效率差、温度稳定性相对也要差一些。

目前的手持式频谱分析仪的扫描本振通常采用多环锁相方式[2]，由主机软件控制高分辨率48位小数环驱动宽带VCO实现快速扫频，其与YTO类器件相比不存在扫描线性度的问题，因而控制相对简单、频率读出准确度高。但是单个波段内信号的回程扫描和波段间频率切换时，通常直接采用重置小数环频率的方式控制频率点切换。此时由于锁相环处于开环状态，稳定时间较长，针对不同的情况软件设置的稳定时间均采取最大值，会造成回扫时间或波段切换时间较长，扫描速度会受到较大影响。

宽调谐频帶的第一本振主要影响到整机的两个关键指标：边带噪声和扫描速度。其中边带噪声指标与参考输入信号、反馈分频比和鉴相器的归一化噪声基底密切相关，尤其是反馈分频比的影响最大，降低的数值可显著改善边带噪声指标。设计中采用高性能的取样本振与VCO主环输出信号进行取样混频，可显著改善一本振输出信号的边带噪声指标。通常取样本振输出频率范围较窄，仅适用于整机扫宽较小、扫描速度要求不高的场合，例如扫频宽度20 MHz或者更低的情况。

影响第一本振扫描速度的主要因素是单点扫描速度和步进频率，单点扫描速度与小数环鉴相频率有关，鉴相频率越高，单点扫描速度越快。例如小数环鉴相频率为1 MHz，则单点扫描时间为1 μs，如果将鉴相频率提高到10 MHz，则单点扫描时间降低为0.1 μs速度提高了10倍。在综合考虑后端数字信号处理速度的前提下，应尽可能提高小数环鉴相频率，以提高单点扫描速度。步进频率的大小主要取决于环路滤波器的带宽（简称环路带宽），最大步进频率不应超过环路带宽值。

我们采用的硬件的频率锁相输出装置是宽带VCO，其特点是没有磁滞特性、功耗低，非常适合应用于手持式或便携式频谱仪产品。硬件实现原理框图如图1所示，主要包括小数环、VCO主环、取样本振环[3]和控制与数据处理显示模块这四个部分。其中小数环为VCO主环提供高分辨率的连续扫频参考信号，VCO主环输出宽频带微波信号至混频器，取样本振环则是VCO主环实现低相位噪声输出的关键，控制与数据处理模块实现几个锁相环所需要的分频鉴相时序控制、开关控制、扫描控制等功能。

2  全程锁相扫描控制的软件设计

微波毫米波频段的手持式频谱仪受限于混频器带宽、扫频本振的跨段，并且为满足镜像频率抑制的要求，通常将整机的端口输入信号划分为多个波段进行开关滤波，最终统一下变频为一固定中频进行数字信号处理。通常波段之间的本振频率是不连续的，上个波段的终止频率与下一波段之间的起始频率差值可能是几百MHz，也可能是数GHz。目前对于跨波段本振信号的处理，普遍的做法是当前波段扫频结束之后在软件平台上直接设置下一个波段的起始频率点，锁相环以开环的方式等待VCO或YTO稳定到预期的频点，然后开始下一个波段的扫描。为了确保下一波段开始之前振荡器能够稳定下来，通常在软件上取最大稳定时间，这个时间通常要达到50 ms以上;如果整机有20个波段，仅波段之间VCO的稳定时间就要1 s（1 000 ms），这会严重影响到整机的扫描速度。

全程锁相的扫描控制技术的软件核心要求，是要避免VCO的重新锁相稳定时间。针对这一问题我们将跨波段扫描本振频率点的切换方式由开环方式更改为最大步进自动扫描的方式，这样跨波段的等待时间将由50 ms可降低至最高2 ms、最低μs级别，提高了整机的扫描速度。但这就需要软件进行完全无误差的频率步进计算，而基于频率合成芯片48位小数的频率分辨率要求，并且要适应多波段、宽带N分频模式、窄带N分频模式、低相噪[4]各种各样的扫描控制情况，就需要实现非常精细的扫描控制衔接，这对软件设计提出了巨大的挑战。软件设计主要是通过控制和数据处理模块使整机或一本振锁相环在不同的模式下实现不同的控制流程，从而达到最优的工作状态。多波段扫描模式的控制流程如图2所示。

3  全程锁相扫描控制的实际效果

与现有技术相比，全程锁相扫描控制技术所使用的方法电路控制相对简单，无需复杂的线性补偿和外部控制电路;采用单波段回程锁相扫频和跨波段锁相扫频的方式实现频率的回扫和过渡，与开环过渡相比减小了整机中扫描的等待时间，提高了扫描速度。同时硬件上采用宽带快速扫描、窄带慢速扫描和低相位噪声等多种方式，充分满足了现有测量仪器对于边带噪声和扫描速度两者的高指标要求。本方案主要可应用于对扫描速度要求较高、对边带噪声要求相对不是特别高的手持式和便携式接收机的本振设计中。图3为未采用全程锁相扫描控制技术的频谱仪的频率扫描时序图，从图中可以看出波段切换时VCO的重新锁相稳定时间比实际波段正常扫描的时间花费的还要长。

图4为采用了全程锁相扫描控制技术的频谱仪的频率扫描时序图，从图中可以看出波段切换时的缩减到2 ms以内，与图3对比可以看出全程锁相的扫描控制技术使得整机的扫描时间缩减为原来的几分之一，极大地提高了扫描速度。

4  结  论

扫描速度一直是频谱分析仪的关键指标之一，而全程锁相的扫描控制技术能够大大缩短手持式频谱分析仪扫描过程中的回程时间和跨波段频率切换时间，从而将扫描速度提升数倍，有助于提高用户的操作效率和体验，具有较高的应用价值。而扫描速度的提升对于仪器来说是没有极限的，后续笔者将继续从硬件本振切换速度、软件代码优化、数据传输速度、绘图速度等各个方面提升扫描速度，为国产测量仪器的发展贡献自己更多的力量。

参考文献：

[1] 《数字通信测量仪器》编写组.数字通信测量仪器 [M].北京：人民邮电出版社，2007.

[2] 闫亚力，杜会文，杜以涛，等.一种多环路宽带微波频率合成器设计 [J].国外電子测量技术，2014，33（5）：48-51.

[3] 李柏林，马凤原，丁鹏.一种低噪声取样本振锁相环设计 [C]//中国电子学会微波分会.中国杭州：2017年全国微波毫米波会议论文集（下册），2017：459-462.

[4] 张兰，刘玉宝，吴国乔，等.基于HMC703的宽带低相噪低杂散频率合成器设计 [J].现代电子技术，2014，37（1）：93-95+100.

作者简介：苏勇辉（1979.06—），男，汉族，山东青岛人，产品负责人，高级工程师，硕士研究生，研究方向：手持式射频微波测量仪器;李柏林（1979.03—），男，汉族，辽宁海城人，产品负责人，高级工程师，硕士研究生，研究方向：手持式射频微波测量仪器。