频谱监测仪器双通道信号采集系统设计与实现

2021-06-17吕天志

电子制作 2021年8期

吕天志

（中电科思仪科股份有限公司，山东青岛，266555）

0 引言

与常用的频谱分析仪不同，频谱监测仪器是针对无线电信号搜索、检测、频谱监测等任务设计的具有独特适用性的测试仪表，频率范围从短波到微波毫米波，并且灵敏度要求高，保证小信号的截获。受限于A/D转换的速度和动态范围，频谱监测仪器无法实现微波毫米波频段的射频直接采样，通常采用超外差方式变频到较低的中频进行采样。超外差变频的一个显著的问题是存在本振馈通现象, 严重影响对短波等低频信号的测量。采用零频抑制电路设计实现复杂，受环境、元器件状态等影响大，很难调整到理想状态。由于短波通信具有设备简单、通信距离远等先天的优势，依然是军用和民用通信中不可或缺的重要手段，对短波信号监测显得格外重要。为提高频谱监测仪器短波监测的灵敏度和动态范围，同时保证微波毫米波宽频段测试，本文采用短波信号直接采样、微波信号变频采样的双通道信号采集处理方式设计实现。

1 系统结构与工作原理

图1 双通道信号采集处理系统原理框图

频谱监测仪器双通道信号采集处理系统主要由短波信号直接采集和微波信号变频采集两个通道构成，其中1MHz～30MHz的短波信号输入后经信号调理后直接采集处理，30MHz～30GHz的微波信号输入后经多级变频到140MHz中频信号后进行采集处理。采样时钟为112MHz，最大分析带宽为20MHz。为提高信号采集的动态范围，采用dither抖动电路减小 ADC谐波失真。双通道信号采集处理系统如图1所示。

2 短波信号采集电路设计

短波信号采集电路设计设计要求接收灵敏度小于-156d Bm/Hz。短波信号采集的原理框图如图2所示，主要包括差分变换、差分放大、滤波等部分。高速ADC有效带宽较宽，对电路环境的抑制能力较差，为获得最优的整体性能，驱动电路需要采用差分形式。变压器作为无源器件，低功耗、低噪声是其最大优点，为此选用变压器实现差分变换。为提高系统灵敏度，采用差分放大器实现信号的放大，同时设计低通滤波器抑制放大器噪声。

图2 短波信号采集的原理框图

（1）变压器设计

ADC的噪声系数公式为：

其中PFS(dBm)为ADC输入满量程功率，SNR为ADC的信噪比，B为信号带宽；

选择阻抗比为1:16的变压器ADT16-6T实现单端到差分的变换，此时ADC输入阻抗为800Ω，最大输入电压为2V峰峰值，因此ADC输入满量程功率为-2dBm。计算得到 ADC 噪声系数 NF=-2 + 174 -75 -10＊log（56＊106）dB =19.5dB，得到灵敏度理论值为154.5dBm/Hz。阻抗比为1:16的变压器改善了系统的噪声系数，但不能满足设计要求仍需要后级放大器降低噪声系数。

（2）放大器设计

设计放大倍数为10dB的差分放大器。选择低功耗的差分放大器ADA4932作为ADC驱动器。原理图设计如下所示。采用放大器，会使整个采集系统的SNR（信噪比）降低6dB。为了改善SNR，需要在放大器和ADC 之间插入一个滤波器。

（3）滤波器设计

放大器和ADC之间的三阶、30 MHz、低通滤波器可降低放大器的噪声带宽，从而使SNR 只降低3dB。最终得到短波信号采集电路灵敏度理论值为（152.5 -3+10）=-161.5dBm/Hz，满足设计要求。运用ADS射频电路仿真工具设计低通滤波器。低通滤波器的仿真原理如图3所示。仿真结果如图4所示，可以看出该滤波器可以对放大器的谐波起抑制作用。

图3 低通滤波器仿真原理图

图4 低通滤波器仿真结果图

根据上述设计流程，实现了短波信号采集电路原理图，如图5所示。

3 微波波段中频采集电路设计

微波信号采集电路设计设计要求接收灵敏度小于-160d Bm/Hz（1GHz）。微波波段输入信号最高到30GHz，射频直接采集的方案要求A/D转换的速率非常高，并且要有较高的A/D转换位数，以提高动态范围。目前通用的ADC产品不能满足最高频率为30GHz射频信号直接采样要求。并且这种高速ADC的价格和对后端处理的要求都非常高，因此我们采用超外差多级变频的方式实现微波波段信号采集。微波信号输入后经过两级变频通路输出140MHz中频信号，根据带通采样定理确定ADC的采样速率为112MHz，最大分析带宽40MHz。考虑变压器低功耗、低噪声的有点，选择变压器耦合的方式驱动ADC。微波信号采集电路原理框图如图6所示，主要包括带通滤波、差分变换、阻抗匹配等部分。

图6 微波波段中频采集电路原理框图

（1）变压器设计

同短波信号采集电路设计，为改善系统的噪声系数，选择阻抗比为1:16的变压器TC16-1T实现单端到差分的变换，此时ADC输入阻抗为800Ω，最大输入功率为-2dBm。TC16-1T工作频率范围为20MHz-300MHz，插入损耗1dB，回波损耗-11dB，能够满足设计要求。

图5 短波信号采集电路原理图

（2）阻抗匹配设计

AD9648是一款非缓冲型或是开关电容型ADC，与缓冲ADC的阻抗在整个额定带宽内保持恒定不同，其输入阻抗会随着模拟输入信号的频率发生变化。输入开关闭合时为跟踪模式，输入开关断开时为保持模式，在跟踪模式下的ADC输入阻抗与保持模式下的阻抗是不一样的。由于ADC在跟踪模式下采样，因此设计阻抗应与ADC跟踪模式输入阻抗匹配。ADC在跟踪模式输入阻抗可以等效为电阻和电容并联，如图7所示。

图7 ADC等效输入阻抗

查AD9648的产品资料表可以确定140MHz中频，20MHz带宽范围内的ADC阻抗。130MHz: R=3.08kΩ，C=3.45pF；140MHz: R=2.67kΩ，C=3.45pF；150MHz:R=2.33kΩ，C=3.44pF；选择 R=2.67kΩ，C=3.45pF作为ADC输入阻抗。

首先确定变压器的次级端电阻。

图8 微波波段中频采集电路原理图

然后确定电感值L。ADC输入端并联电感用于以谐振方式抵消ADC输入阻抗中电容的影响，使ADC输入端呈现电阻特性。根据公式可以得到L=390nH。

根据上述设计流程，实现了短波信号采集电路原理图，如图8所示。

4 试验与测试

图9 短波信号采集频谱图

图10 微波信号采集频谱图

本文将设计的双通道信号采集电路应用到监测接收类仪器中，完成了短波、微波信号的高灵敏度、大动态范围接收。其中，1MHz～30MHz的短波信号采集处理后的频谱图如图9所示，设置检波模式为平均，测量时间1s，频宽200kHz，分辨率带宽100Hz。测试得到噪底平均值为-140.3dBm，归一化到1Hz接收灵敏度为-140.3-10log100=-160dBm/Hz，满足设计要求。微波波段信号经变频接收、中频采集电路处理后的频谱图如图10所示，设置参数同上，测试得到噪底平均值为-143dBm，归一化到1Hz接收灵敏度为-143-10log100=-163dBm/Hz，满足设计要求。