頻譜監測儀器雙通道信號采集系統設計與實現

呂天志

（中電科思儀科股份有限公司，山東青島，266555）

0 引言

與常用的頻譜分析儀不同，頻譜監測儀器是針對無線電信號搜索、檢測、頻譜監測等任務設計的具有獨特適用性的測試儀表，頻率范圍從短波到微波毫米波，并且靈敏度要求高，保證小信號的截獲。受限于A/D轉換的速度和動態范圍，頻譜監測儀器無法實現微波毫米波頻段的射頻直接采樣，通常采用超外差方式變頻到較低的中頻進行采樣。超外差變頻的一個顯著的問題是存在本振饋通現象, 嚴重影響對短波等低頻信號的測量。采用零頻抑制電路設計實現復雜，受環境、元器件狀態等影響大，很難調整到理想狀態。由于短波通信具有設備簡單、通信距離遠等先天的優勢，依然是軍用和民用通信中不可或缺的重要手段，對短波信號監測顯得格外重要。為提高頻譜監測儀器短波監測的靈敏度和動態范圍，同時保證微波毫米波寬頻段測試，本文采用短波信號直接采樣、微波信號變頻采樣的雙通道信號采集處理方式設計實現。

1 系統結構與工作原理

圖1 雙通道信號采集處理系統原理框圖

頻譜監測儀器雙通道信號采集處理系統主要由短波信號直接采集和微波信號變頻采集兩個通道構成，其中1MHz～30MHz的短波信號輸入后經信號調理后直接采集處理，30MHz～30GHz的微波信號輸入后經多級變頻到140MHz中頻信號后進行采集處理。采樣時鐘為112MHz，最大分析帶寬為20MHz。為提高信號采集的動態范圍，采用dither抖動電路減小 ADC諧波失真。雙通道信號采集處理系統如圖1所示。

2 短波信號采集電路設計

短波信號采集電路設計設計要求接收靈敏度小于-156d Bm/Hz。短波信號采集的原理框圖如圖2所示，主要包括差分變換、差分放大、濾波等部分。高速ADC有效帶寬較寬，對電路環境的抑制能力較差，為獲得最優的整體性能，驅動電路需要采用差分形式。變壓器作為無源器件，低功耗、低噪聲是其最大優點，為此選用變壓器實現差分變換。為提高系統靈敏度，采用差分放大器實現信號的放大，同時設計低通濾波器抑制放大器噪聲。

圖2 短波信號采集的原理框圖

（1）變壓器設計

ADC的噪聲系數公式為：

其中PFS(dBm)為ADC輸入滿量程功率，SNR為ADC的信噪比，B為信號帶寬；

選擇阻抗比為1:16的變壓器ADT16-6T實現單端到差分的變換，此時ADC輸入阻抗為800Ω，最大輸入電壓為2V峰峰值，因此ADC輸入滿量程功率為-2dBm。計算得到 ADC 噪聲系數 NF=-2 + 174 -75 -10＊log（56＊106）dB =19.5dB，得到靈敏度理論值為154.5dBm/Hz。阻抗比為1:16的變壓器改善了系統的噪聲系數，但不能滿足設計要求仍需要后級放大器降低噪聲系數。

（2）放大器設計

設計放大倍數為10dB的差分放大器。選擇低功耗的差分放大器ADA4932作為ADC驅動器。原理圖設計如下所示。采用放大器，會使整個采集系統的SNR（信噪比）降低6dB。為了改善SNR，需要在放大器和ADC 之間插入一個濾波器。

（3）濾波器設計

放大器和ADC之間的三階、30 MHz、低通濾波器可降低放大器的噪聲帶寬，從而使SNR 只降低3dB。最終得到短波信號采集電路靈敏度理論值為（152.5 -3+10）=-161.5dBm/Hz，滿足設計要求。運用ADS射頻電路仿真工具設計低通濾波器。低通濾波器的仿真原理如圖3所示。仿真結果如圖4所示，可以看出該濾波器可以對放大器的諧波起抑制作用。

圖3 低通濾波器仿真原理圖

圖4 低通濾波器仿真結果圖

根據上述設計流程，實現了短波信號采集電路原理圖，如圖5所示。

3 微波波段中頻采集電路設計

微波信號采集電路設計設計要求接收靈敏度小于-160d Bm/Hz（1GHz）。微波波段輸入信號最高到30GHz，射頻直接采集的方案要求A/D轉換的速率非常高，并且要有較高的A/D轉換位數，以提高動態范圍。目前通用的ADC產品不能滿足最高頻率為30GHz射頻信號直接采樣要求。并且這種高速ADC的價格和對后端處理的要求都非常高，因此我們采用超外差多級變頻的方式實現微波波段信號采集。微波信號輸入后經過兩級變頻通路輸出140MHz中頻信號，根據帶通采樣定理確定ADC的采樣速率為112MHz，最大分析帶寬40MHz?？紤]變壓器低功耗、低噪聲的有點，選擇變壓器耦合的方式驅動ADC。微波信號采集電路原理框圖如圖6所示，主要包括帶通濾波、差分變換、阻抗匹配等部分。

圖6 微波波段中頻采集電路原理框圖

（1）變壓器設計

同短波信號采集電路設計，為改善系統的噪聲系數，選擇阻抗比為1:16的變壓器TC16-1T實現單端到差分的變換，此時ADC輸入阻抗為800Ω，最大輸入功率為-2dBm。TC16-1T工作頻率范圍為20MHz-300MHz，插入損耗1dB，回波損耗-11dB，能夠滿足設計要求。

圖5 短波信號采集電路原理圖

（2）阻抗匹配設計

AD9648是一款非緩沖型或是開關電容型ADC，與緩沖ADC的阻抗在整個額定帶寬內保持恒定不同，其輸入阻抗會隨著模擬輸入信號的頻率發生變化。輸入開關閉合時為跟蹤模式，輸入開關斷開時為保持模式，在跟蹤模式下的ADC輸入阻抗與保持模式下的阻抗是不一樣的。由于ADC在跟蹤模式下采樣，因此設計阻抗應與ADC跟蹤模式輸入阻抗匹配。ADC在跟蹤模式輸入阻抗可以等效為電阻和電容并聯，如圖7所示。

圖7 ADC等效輸入阻抗

查AD9648的產品資料表可以確定140MHz中頻，20MHz帶寬范圍內的ADC阻抗。130MHz: R=3.08kΩ，C=3.45pF；140MHz: R=2.67kΩ，C=3.45pF；150MHz:R=2.33kΩ，C=3.44pF；選擇 R=2.67kΩ，C=3.45pF作為ADC輸入阻抗。

首先確定變壓器的次級端電阻。

圖8 微波波段中頻采集電路原理圖

然后確定電感值L。ADC輸入端并聯電感用于以諧振方式抵消ADC輸入阻抗中電容的影響，使ADC輸入端呈現電阻特性。根據公式可以得到L=390nH。

根據上述設計流程，實現了短波信號采集電路原理圖，如圖8所示。

4 試驗與測試

圖9 短波信號采集頻譜圖

圖10 微波信號采集頻譜圖

本文將設計的雙通道信號采集電路應用到監測接收類儀器中，完成了短波、微波信號的高靈敏度、大動態范圍接收。其中，1MHz～30MHz的短波信號采集處理后的頻譜圖如圖9所示，設置檢波模式為平均，測量時間1s，頻寬200kHz，分辨率帶寬100Hz。測試得到噪底平均值為-140.3dBm，歸一化到1Hz接收靈敏度為-140.3-10log100=-160dBm/Hz，滿足設計要求。微波波段信號經變頻接收、中頻采集電路處理后的頻譜圖如圖10所示，設置參數同上，測試得到噪底平均值為-143dBm，歸一化到1Hz接收靈敏度為-143-10log100=-163dBm/Hz，滿足設計要求。

5 結束語

本文設計了短波、微波信號雙通道采集系統，實現了信號的高靈敏度、大動態范圍測試。經驗證與測試，系統工作穩定，性能良好，為寬頻率范圍信號采集提供了一種通用的解決方案，應用前景廣闊。