頻譜分析儀中YTO本振分波段掃描控制設計

秦喜朋， 韓 堯

（電子科技大學空天科學技術研究院，四川成都 611731）

0 引言

隨著越來越多的無線業務的引入和部署，可用頻譜資源越來越緊張，在更高頻率上拓展業務已成為必然的趨勢，并且現在很多實際測試都是基于現場環境因素測量的，所以頻譜分析儀調諧范圍寬、小型化，易于攜帶成為眾多廠家追求的目標，以滿足現代現場測試應用的需求。

在超寬帶頻譜分析儀當中，YTO（YIG 調諧振蕩器）以其頻率范圍寬、頻譜純度好、重量輕、可靠性好等優點廣泛應用于第一掃頻本振當中。很多廠家采用諧波混頻加預選的方法，預選器有效地防止了諧波混頻的鏡像及多重響應影響，實現了寬帶頻譜分析的特性。但是預選器與YTO聯用在寬頻帶范圍內進行統調時有較多的因素需要考慮，若采用其他若干措施保證射頻前端統調的實現，如前端進行整體恒溫、使用校準電路等，這會增加射頻前端的體積、功耗和造價等，不符合現代的測試目的。而在本文中介紹了分波段掃描法，可用來代替預選器的作用，控制實現方便，不需要考慮射頻前端的YIG統調問題，簡化了電路結構，從而實現了頻譜分析儀的寬帶特性、小型化結構并降低了成本。

1 分波段掃描原理

在射頻前端利用開關濾波器組作為信號預選，可避免由于鏡像而造成的干擾，并且在低頻段采用高中頻，在高頻段采用低中頻能有效地解決本振泄露帶來的假信號影響。而上述射頻前端的可靠性是基于分波段掃描的實現的。本文介紹的掃描本振是采用YTO+單PLL的方式， 實現逐點鎖定。在掃頻控制上，掃描數字信號在FPGA中累加步進值實現，經數模轉換電路，控制累加中斷，產生斜率可調的掃描斜坡電壓，并轉換成電流驅動YIG調諧振蕩器主線圈。分頻比跟隨主調諧預置電壓同步變化。所以，分波段掃描主要實現FPGA對掃描斜坡電壓的控制上。

1.1 主要掃描參數

掃描參數是整個掃描過程中的核心變量，所以它的確定關系著整個掃描過程的準確性、可靠性。具體控制參數要根據實際的波段劃分、掃描變化而定（見表1）。

表1 掃描控制參數解析

表1介紹了主要的分波段掃描參數控制。掃描起始頻率和步進量控制YTO主線圈的頻率預置，在FPGA中累加產生數字掃描信號。而分頻控制字和分頻比步進保證和頻率預置步進同步，實現逐點鎖定。而每點掃描時間則可以控制掃描斜坡電壓的斜率，即控制掃描速度。開關起始標志初始化掃描狀態，表示掃描開始波段。定點、掃描切換主要是控制頻譜分析儀的兩種分析模式：FFT和檢波模式。各個波段的掃描點數是為了產生掃描中斷作為分頻比步進和頻率預置步進的同步累加信號，實現逐點鎖定。

1.2 分波段掃描過程解析

分波段掃描的每一波段掃描處理實際上和傳統的單一波段掃描原理是相同的。分波段掃描是在單一波段掃描的基礎之上加入了狀態轉移控制模塊，控制在幾個波段狀態之間跳變，從而實現分波段掃描。在程序中（這里假設劃分為6個波段），波段一至波段六分配固定的狀態001～110，并固化波段二至波段六的固定起始頻點數據，這樣可以節省上層發送的控制數據量，提高掃描速度。

整體掃描如圖1所示：從上層收到開關起始標志信號，判斷掃描從第幾波段開始（這里假設上層下發送001），則掃描從第一波段開始。其他主要掃描控制數據有第一波段濾波器開關打開信號、頻率預置數、分頻比控制數，各個波段掃描點數。當第一波段需掃描開始信號和步進中斷即可控制整個同步過程。當多波段掃描時，增加了每個波結束時判斷第二波段掃描點數是否為0。若為0時，即完成一次全程掃描，否則狀態控制轉入第二波段并從相應寄存器讀出第二波段固定起始頻點數據，開始第二波段掃描。后續波段掃描同理。

圖1 分波段掃描流程圖

2 掃描關鍵技術

由于完成一次全程掃描要在不同波段之間跳變，所以有兩個重要的問題需要解決。一是波段分界點要處理好銜接問題，即狀態的可靠轉移；二是要保證本振掃描步進和中頻處理數據的同步問題，以便正確在屏幕上顯示信號。

2.1 波段分界點數據處理

分界點處狀態轉移數據處理過程如圖2所示。當波段狀態轉入一個新的狀態時，判斷該波段狀態是初始的掃描狀態，則輸出上層計算發送的起始掃描頻點數據，掃描從波段2的某一點開始。否則按照波段掃描經過波段處理輸出數據，即從相應的波段寄存器讀出固定頻點數據。在后面的每個波段分界點處處理數據按照同樣方式。

2.2 掃描與中頻處理數據同步

頻譜分析儀產生響應的原理是進入的RF信號與掃描本振信號連續混頻，當中頻濾波器出現響應時，該信號經過A/D采樣為數字信號，然后經過DDC（數字下變頻）到基帶上，最后在DSP中進行傅里葉變換得到頻譜數據送往上層顯示。所以為了保證本振掃描步進和中頻處理數據幀同步問題，產生了掃描中斷。

圖2 分界點處狀態轉移數據處理

如圖3所示為頻譜分析儀處于掃描模式的掃描中斷信號圖。該中斷信號用于同步中頻處理數據。當設置完一個新SPAN時，首先發送一屏數據開始信號，表示中頻準備全程掃描開始。然后送入一個波段掃描開始信號，表示準備一個波段掃描的開始。最后產生掃描步進信號，控制掃描本振每累加一次，中頻就處理一次數據并送入屏幕顯示。當完成一個全程掃描時發送掃描結束信號，接著準備下一屏數據的開始。掃描同步控制中斷是在掃描本振控制FPGA內完成的。

圖3 分波段掃描同步中斷

3 分波段掃描斜坡電壓測試

圖4 測試所用儀器為安捷倫示波器，測量了FPGA中累加數字掃描信號經數模轉換后的6個波段掃描斜坡電壓。控制每個點的掃描時間可以改變斜坡電壓的斜率，從而提高頻譜分析儀的掃描速度。

圖4 分波段掃描斜坡電壓

由于YTO自身的磁滯、非線性特性等因素的影響，YTO頻率的變化總是滯后于電壓的變化。所以當波段分界點掃描頻率跳變時就留出較長時間鎖定，連續時較短時間即可快速鎖定。對于不同廠家的YTO，其非線性因素不盡相同，因此停留時間要在實際測試中根據鎖定情況而定。

4 結束語

上述分波段掃描控制已成功應用到某8GHz射頻頻譜分析儀中。掃描關鍵在于方便、快捷的控制波段之間的跳變，正確產生掃描中斷以同步中頻的數據處理并打開相應波段的濾波器開關。由于YTO的特性，在頻率跳變時總是需要一定的時間在波段起始頻點上鎖定，所以導致整機的掃描速度降低。在分波段掃描中的頻率跳變是不可避免的，所以如何提高波段間的頻率跳變時間是接下來的研究重點。

[1]張志,錢時祥.掃頻接收機中數字掃描控制器設計[J].國外電子測量技術,2008,27(12):55-61.

[2]梁強,劉祖深.新型數字掃頻本振的設計[J].電子測量技術,2005(02).

[3]李慶.基于FPGA的YTO控制模塊設計[J].硅谷,2011(3).

[4]郭小文.數字掃描在頻譜分析儀中的設計與實現[J].科技信息,2008,18:387-407.

[5]劉娜,劉盛.幾種掃頻方案的比較[J].中國儀器儀表,2008,10:35-37.

[6]杜會文.寬帶頻譜分析儀同步掃描跟蹤技術[J].應用天地,2007,26(5):54-65.

[7]Agilent Inc.Swept and FFT analysis[R].Agilent Inc.,Dec.2007.

[8]Han Yao,Qin Kai-yu.A New Approach to YTO Control and Synchronization[R].Communications,Circuits and Systems(ICCCAS), 2010.