手持式頻譜分析儀下的全程鎖相掃描控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)

蘇勇輝 李柏林

摘 ?要：文章簡(jiǎn)單介紹了手持式頻譜分析儀采用的一種新的掃描控制技術(shù)，采用新的全程鎖相掃描控制技術(shù)可以較大地提高手持式頻譜分析儀的掃描速度。文章首先介紹了采用全程鎖相掃描控制技術(shù)所設(shè)計(jì)的硬件電路原理，接著介紹了軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案，采用全新方案的手持式頻譜分析儀大大縮短了掃描回程時(shí)間。該全程鎖相掃描控制技術(shù)已經(jīng)在某量大面廣的國(guó)產(chǎn)頻譜儀上實(shí)際驗(yàn)證，能夠較大地提高整機(jī)的掃描速度。

關(guān)鍵詞：手持式;頻譜分析儀;掃描速度;全程鎖相

中圖分類(lèi)號(hào)：TM935.21 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

頻譜分析儀[1]一直是通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、信號(hào)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域必不可少的電子測(cè)量?jī)x器，中電科儀器儀表有限公司是國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)從事電子測(cè)量?jī)x器研發(fā)和制造的公司，特別是在頻譜分析儀方向，其目前是國(guó)內(nèi)最專(zhuān)業(yè)的頻譜分析儀研發(fā)和制造商，而筆者多年來(lái)一直專(zhuān)注從事手持式類(lèi)頻譜分析儀的研發(fā)設(shè)計(jì)工作。根據(jù)近年的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，手持式頻譜分析儀一直在朝著寬頻段、高測(cè)量速度、低噪聲指標(biāo)的方向發(fā)展，掃描速度是衡量微波測(cè)量?jī)x器的主要性能指標(biāo)之一，其主要受限于前端寬帶本振的調(diào)諧速度及后端數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)處理的速度;當(dāng)后端中頻濾波器的帶寬較高時(shí)，第一本振的掃描速度就成為限制整機(jī)掃描速度的關(guān)鍵因素。

測(cè)試需求的多樣化發(fā)展，要求作為接收機(jī)核心的第一本振具有更寬的掃描頻段、更快的掃描速度、更低的邊帶噪聲性能指標(biāo)，目前手持式頻譜分析儀類(lèi)儀器普遍采用多波段掃描的方式;波段內(nèi)為了保證較高的頻率準(zhǔn)確度指標(biāo)通常采用鎖相的方式，而對(duì)于頻率的回掃或者跨波段頻率點(diǎn)切換通常是以開(kāi)環(huán)的形式。由于VCO穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)于掃頻寬度達(dá)到數(shù)GHz的本振來(lái)說(shuō)，VCO重新穩(wěn)定時(shí)間需要達(dá)到數(shù)十毫秒級(jí)別;對(duì)于具有多波段的微波毫米波頻段手持式頻譜分析儀來(lái)說(shuō)，完成整個(gè)頻段掃描僅穩(wěn)定時(shí)間就達(dá)到了數(shù)秒以上。這種穩(wěn)定時(shí)間無(wú)疑極大地降低了整機(jī)的掃描速度，影響現(xiàn)代手持式頻譜分析儀對(duì)于瞬變信號(hào)的快速檢測(cè)要求。

為了解決以上問(wèn)題，筆者實(shí)現(xiàn)了一種基于全程鎖相的掃描控制技術(shù)，掃描過(guò)程中即使是頻率的回掃或者跨波段頻率點(diǎn)切換也采用鎖相的方式，這就避免了VCO的重新鎖相穩(wěn)定時(shí)間，能夠極大地提高整機(jī)的掃描速度，滿(mǎn)足實(shí)際對(duì)瞬變信號(hào)的快速檢測(cè)要求。

1 ?全程鎖相掃描控制的硬件設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的臺(tái)式頻譜儀產(chǎn)品的本振掃描通常采用數(shù)字DAC結(jié)合鎖相環(huán)控制YTO的掃描方式，受限于YTO類(lèi)器件的渦流、線(xiàn)包電感、磁滯等特性，掃描速度和線(xiàn)性度較差。為了達(dá)到較高的頻率準(zhǔn)確度指標(biāo)，需要復(fù)雜的控制和線(xiàn)性度補(bǔ)償電路，因此造成生產(chǎn)調(diào)試效率差、溫度穩(wěn)定性相對(duì)也要差一些。

目前的手持式頻譜分析儀的掃描本振通常采用多環(huán)鎖相方式[2]，由主機(jī)軟件控制高分辨率48位小數(shù)環(huán)驅(qū)動(dòng)寬帶VCO實(shí)現(xiàn)快速掃頻，其與YTO類(lèi)器件相比不存在掃描線(xiàn)性度的問(wèn)題，因而控制相對(duì)簡(jiǎn)單、頻率讀出準(zhǔn)確度高。但是單個(gè)波段內(nèi)信號(hào)的回程掃描和波段間頻率切換時(shí)，通常直接采用重置小數(shù)環(huán)頻率的方式控制頻率點(diǎn)切換。此時(shí)由于鎖相環(huán)處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，針對(duì)不同的情況軟件設(shè)置的穩(wěn)定時(shí)間均采取最大值，會(huì)造成回掃時(shí)間或波段切換時(shí)間較長(zhǎng)，掃描速度會(huì)受到較大影響。

寬調(diào)諧頻帶的第一本振主要影響到整機(jī)的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)：邊帶噪聲和掃描速度。其中邊帶噪聲指標(biāo)與參考輸入信號(hào)、反饋分頻比和鑒相器的歸一化噪聲基底密切相關(guān)，尤其是反饋分頻比的影響最大，降低的數(shù)值可顯著改善邊帶噪聲指標(biāo)。設(shè)計(jì)中采用高性能的取樣本振與VCO主環(huán)輸出信號(hào)進(jìn)行取樣混頻，可顯著改善一本振輸出信號(hào)的邊帶噪聲指標(biāo)。通常取樣本振輸出頻率范圍較窄，僅適用于整機(jī)掃寬較小、掃描速度要求不高的場(chǎng)合，例如掃頻寬度20 MHz或者更低的情況。

影響第一本振掃描速度的主要因素是單點(diǎn)掃描速度和步進(jìn)頻率，單點(diǎn)掃描速度與小數(shù)環(huán)鑒相頻率有關(guān)，鑒相頻率越高，單點(diǎn)掃描速度越快。例如小數(shù)環(huán)鑒相頻率為1 MHz，則單點(diǎn)掃描時(shí)間為1 μs，如果將鑒相頻率提高到10 MHz，則單點(diǎn)掃描時(shí)間降低為0.1 μs速度提高了10倍。在綜合考慮后端數(shù)字信號(hào)處理速度的前提下，應(yīng)盡可能提高小數(shù)環(huán)鑒相頻率，以提高單點(diǎn)掃描速度。步進(jìn)頻率的大小主要取決于環(huán)路濾波器的帶寬（簡(jiǎn)稱(chēng)環(huán)路帶寬），最大步進(jìn)頻率不應(yīng)超過(guò)環(huán)路帶寬值。

我們采用的硬件的頻率鎖相輸出裝置是寬帶VCO，其特點(diǎn)是沒(méi)有磁滯特性、功耗低，非常適合應(yīng)用于手持式或便攜式頻譜儀產(chǎn)品。硬件實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖1所示，主要包括小數(shù)環(huán)、VCO主環(huán)、取樣本振環(huán)[3]和控制與數(shù)據(jù)處理顯示模塊這四個(gè)部分。其中小數(shù)環(huán)為VCO主環(huán)提供高分辨率的連續(xù)掃頻參考信號(hào)，VCO主環(huán)輸出寬頻帶微波信號(hào)至混頻器，取樣本振環(huán)則是VCO主環(huán)實(shí)現(xiàn)低相位噪聲輸出的關(guān)鍵，控制與數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)幾個(gè)鎖相環(huán)所需要的分頻鑒相時(shí)序控制、開(kāi)關(guān)控制、掃描控制等功能。

2 ?全程鎖相掃描控制的軟件設(shè)計(jì)

微波毫米波頻段的手持式頻譜儀受限于混頻器帶寬、掃頻本振的跨段，并且為滿(mǎn)足鏡像頻率抑制的要求，通常將整機(jī)的端口輸入信號(hào)劃分為多個(gè)波段進(jìn)行開(kāi)關(guān)濾波，最終統(tǒng)一下變頻為一固定中頻進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。通常波段之間的本振頻率是不連續(xù)的，上個(gè)波段的終止頻率與下一波段之間的起始頻率差值可能是幾百M(fèi)Hz，也可能是數(shù)GHz。目前對(duì)于跨波段本振信號(hào)的處理，普遍的做法是當(dāng)前波段掃頻結(jié)束之后在軟件平臺(tái)上直接設(shè)置下一個(gè)波段的起始頻率點(diǎn)，鎖相環(huán)以開(kāi)環(huán)的方式等待VCO或YTO穩(wěn)定到預(yù)期的頻點(diǎn)，然后開(kāi)始下一個(gè)波段的掃描。為了確保下一波段開(kāi)始之前振蕩器能夠穩(wěn)定下來(lái)，通常在軟件上取最大穩(wěn)定時(shí)間，這個(gè)時(shí)間通常要達(dá)到50 ms以上;如果整機(jī)有20個(gè)波段，僅波段之間VCO的穩(wěn)定時(shí)間就要1 s（1 000 ms），這會(huì)嚴(yán)重影響到整機(jī)的掃描速度。

全程鎖相的掃描控制技術(shù)的軟件核心要求，是要避免VCO的重新鎖相穩(wěn)定時(shí)間。針對(duì)這一問(wèn)題我們將跨波段掃描本振頻率點(diǎn)的切換方式由開(kāi)環(huán)方式更改為最大步進(jìn)自動(dòng)掃描的方式，這樣跨波段的等待時(shí)間將由50 ms可降低至最高2 ms、最低μs級(jí)別，提高了整機(jī)的掃描速度。但這就需要軟件進(jìn)行完全無(wú)誤差的頻率步進(jìn)計(jì)算，而基于頻率合成芯片48位小數(shù)的頻率分辨率要求，并且要適應(yīng)多波段、寬帶N分頻模式、窄帶N分頻模式、低相噪[4]各種各樣的掃描控制情況，就需要實(shí)現(xiàn)非常精細(xì)的掃描控制銜接，這對(duì)軟件設(shè)計(jì)提出了巨大的挑戰(zhàn)。軟件設(shè)計(jì)主要是通過(guò)控制和數(shù)據(jù)處理模塊使整機(jī)或一本振鎖相環(huán)在不同的模式下實(shí)現(xiàn)不同的控制流程，從而達(dá)到最優(yōu)的工作狀態(tài)。多波段掃描模式的控制流程如圖2所示。

3 ?全程鎖相掃描控制的實(shí)際效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，全程鎖相掃描控制技術(shù)所使用的方法電路控制相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜的線(xiàn)性補(bǔ)償和外部控制電路;采用單波段回程鎖相掃頻和跨波段鎖相掃頻的方式實(shí)現(xiàn)頻率的回掃和過(guò)渡，與開(kāi)環(huán)過(guò)渡相比減小了整機(jī)中掃描的等待時(shí)間，提高了掃描速度。同時(shí)硬件上采用寬帶快速掃描、窄帶慢速掃描和低相位噪聲等多種方式，充分滿(mǎn)足了現(xiàn)有測(cè)量?jī)x器對(duì)于邊帶噪聲和掃描速度兩者的高指標(biāo)要求。本方案主要可應(yīng)用于對(duì)掃描速度要求較高、對(duì)邊帶噪聲要求相對(duì)不是特別高的手持式和便攜式接收機(jī)的本振設(shè)計(jì)中。圖3為未采用全程鎖相掃描控制技術(shù)的頻譜儀的頻率掃描時(shí)序圖，從圖中可以看出波段切換時(shí)VCO的重新鎖相穩(wěn)定時(shí)間比實(shí)際波段正常掃描的時(shí)間花費(fèi)的還要長(zhǎng)。

圖4為采用了全程鎖相掃描控制技術(shù)的頻譜儀的頻率掃描時(shí)序圖，從圖中可以看出波段切換時(shí)的縮減到2 ms以?xún)?nèi)，與圖3對(duì)比可以看出全程鎖相的掃描控制技術(shù)使得整機(jī)的掃描時(shí)間縮減為原來(lái)的幾分之一，極大地提高了掃描速度。

4 ?結(jié) ?論

掃描速度一直是頻譜分析儀的關(guān)鍵指標(biāo)之一，而全程鎖相的掃描控制技術(shù)能夠大大縮短手持式頻譜分析儀掃描過(guò)程中的回程時(shí)間和跨波段頻率切換時(shí)間，從而將掃描速度提升數(shù)倍，有助于提高用戶(hù)的操作效率和體驗(yàn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。而掃描速度的提升對(duì)于儀器來(lái)說(shuō)是沒(méi)有極限的，后續(xù)筆者將繼續(xù)從硬件本振切換速度、軟件代碼優(yōu)化、數(shù)據(jù)傳輸速度、繪圖速度等各個(gè)方面提升掃描速度，為國(guó)產(chǎn)測(cè)量?jī)x器的發(fā)展貢獻(xiàn)自己更多的力量。

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作者簡(jiǎn)介：蘇勇輝（1979.06—），男，漢族，山東青島人，產(chǎn)品負(fù)責(zé)人，高級(jí)工程師，碩士研究生，研究方向：手持式射頻微波測(cè)量?jī)x器;李柏林（1979.03—），男，漢族，遼寧海城人，產(chǎn)品負(fù)責(zé)人，高級(jí)工程師，碩士研究生，研究方向：手持式射頻微波測(cè)量?jī)x器。