專利名稱：寬頻帶信號分析的帶通采樣結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電子測試及測量領域，尤其涉及分析寬帶電信號頻譜的帶通采樣技術。
現(xiàn)有的信號處理及分析系統(tǒng)例如頻譜分析儀通常采用多個頻率轉換級，將有益的信號頻帶在被模數(shù)轉換器(“ADC”)數(shù)字化以進一步處理和顯示之前轉換為低通濾波的基帶信號。該結構方案將正在測量的信號頻率放在模數(shù)轉換器的第一奈奎斯特頻帶內(nèi)以防止頻帶外的信號混雜到頻率分析帶中。
例如，名稱為“電信號的頻譜分析設備”的US專利No.4,257,104描述了一種全特征的譜分析儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)在模數(shù)轉換器之前采用多個降頻轉換器、中頻(“IF”)放大器、檢測器和視頻處理器。更簡單的結構方案在以下專利中有所描述US專利No.4,607,215“譜分析儀”，4,890,099“具有局部滾動功能的顯示屏的信號分析儀”，4,839,582“具有自動頻率測量功能的信號分析設備”，以及5,038,096“脈沖輸入信號的譜分析電路”。但是，所有這些結構方案都描述了在數(shù)字化之前的信號降頻轉換、中頻放大、濾波以及頻率的基帶檢測，用于隨后的信號處理和分析。
在另一個例子中，轉讓給受讓人的US專利No.5,629,703“在模數(shù)轉換器系統(tǒng)中減小諧波失真的方法”描述了一種譜分析結構，該結構采用了降頻轉換到頻率的基帶中以及低通濾波，但在數(shù)字化之前沒有采用檢測。低通濾波將信號分析帶寬限制到相對嚴密的9MHz。
上述信號測量系統(tǒng)不僅復雜、成本高，而且需要寬的本機振蕩(“LO”)調(diào)諧或擺動范圍以實現(xiàn)有效寬的信號分析帶寬。這種信號測量系統(tǒng)還需要模數(shù)轉換器具有相對較高的采樣頻率以實現(xiàn)在第一奈奎斯特帶內(nèi)沒有混雜信號的信號的數(shù)字化。
所以，需要一種電信號分析結構，該結構復雜性和成本降低，同時獲得具有相對窄的LO調(diào)諧范圍和相對低模數(shù)轉換器采樣頻率的寬信號分析帶寬。
所以，本發(fā)明的目的是提供一種分析電信號的設備和方法。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種比現(xiàn)有結構更簡單、成本更低廉的譜分析儀結構。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種具有寬信號分析帶寬同時需要相對窄的本機振蕩調(diào)諧范圍和相對低的模數(shù)轉換器采樣速率的譜分析儀。
本發(fā)明的帶通采樣信號處理和分析結構采用由頻率可調(diào)的LO驅動的常規(guī)混頻器將信號頻帶升頻轉換到信號頻帶以上的中頻頻帶。中頻頻帶通過中頻帶通濾波器，為隨后的數(shù)字化級提供中頻帶通范圍的信號頻率成分。在該結構中，中頻帶通濾波器充當數(shù)字化級的抗混雜濾波器。選擇LO頻率將升頻轉換的信號頻率帶放在中頻帶通濾波器的通帶內(nèi)。以與中頻帶寬相稱但通常遠低于中頻帶通中心頻率的速率采樣和數(shù)字化所得的中頻帶通信號。通過采樣保持和跟蹤保持電路執(zhí)行信號采樣，電路的輸出加到時鐘頻率與采樣電路采樣速率相同的模數(shù)轉換器上。
本發(fā)明的帶通采樣結構的優(yōu)點在于，它與現(xiàn)有的降頻轉換和基帶采樣結構相比更簡單，成本更低廉。
本發(fā)明的帶通采樣結構的優(yōu)點還在于，信號頻率帶的升頻轉換提供了寬信號分析帶寬而僅需要相對窄(從百分比上看)的LO調(diào)諧范圍(通常小于一個倍頻程)。
本發(fā)明的帶通采樣結構的優(yōu)點還在于，在數(shù)字化之前對中頻帶通信號的采樣允許使用采樣速率遠低于在第一奈奎斯特帶內(nèi)沒有混雜地采樣所需的采樣速率的模數(shù)轉換速器。
本發(fā)明的這些和其他的目的、優(yōu)點及特征將通過結合附圖對本發(fā)明的最佳實施例的描述而得到進一步說明。在這些附圖中

圖1是本發(fā)明用于實現(xiàn)帶通采樣信號處理和分析系統(tǒng)的部件連接結構的電框圖。
圖2是在圖1系統(tǒng)中使用的最佳信號采樣電路的簡化示意電路圖。
圖1示出了本發(fā)明的帶通采樣系統(tǒng)10，在該系統(tǒng)中，3.5GHz低通濾波器12接收范圍具有從約0Hz到約3GHz的頻率成分的輸入信號并將濾波后的信號傳遞到混頻器14。LO16向混頻器14提供可調(diào)的或可在約3.5GHz到約6.5GHz范圍擺動的LO信號，以將輸入信號頻率成分升頻轉換到以約3.525GHz為中心的中頻頻帶。具有約50MHz帶寬的3.525GHz中頻帶通濾波器18為快速采樣電路20提供50MHz中頻帶通范圍的輸入信號頻率成分。以約100MHz振蕩的時鐘22為快速采樣電路20提供采樣脈沖，快速采樣電路20以每秒100兆次采樣(“Msps”)的速率對50MHz中頻帶通范圍的輸入信號頻率成分實現(xiàn)跟蹤保持采樣。模數(shù)轉換器24也從時鐘22接收100MHz的采樣脈沖，以將快速采樣電路20提供的每個信號采樣數(shù)字化。根據(jù)需要，對模數(shù)轉換器24輸出的數(shù)字進行常規(guī)處理、分析和顯示，以適應不同的應用。
除非中頻帶通濾波器18的中心頻率選擇得當，否則，如果采樣頻率的任何諧波落在中頻帶通濾波器18的通帶之內(nèi)，就可能出現(xiàn)輸入信號頻率成分的負、正頻率成分重疊混雜。例如，如果通帶以3.50GHz為中心，這種情況就可能出現(xiàn)。一個解決方案是使中頻通帶的中心偏移四分之一采樣頻率，對于上述最佳實施例來說是在3.525GHz。另一種解決方案是在混頻器14上或在中頻帶通濾波器18之后提供正交信道。
在帶通采樣系統(tǒng)10中，50MHz帶寬的中頻帶通濾波器18充當100Msps快速采樣電路20和模數(shù)轉換器24的抗混雜濾波器。對中頻帶通范圍的輸入信號頻率成分進行采樣和數(shù)字化的速率至少兩倍于50MHz中頻帶寬，但遠低于3.525GHz中頻帶通中心頻率。這種方案將有益信號放在模數(shù)轉換器24的第一奈奎斯特頻帶內(nèi)，防止頻帶外信號混雜到分析頻帶中。
帶通采樣系統(tǒng)10的正常運行取決于快速采樣電路20，其具有相應窄的樣本采集時間和適當寬的帶寬的跟蹤保持或采樣保持電路。合適的采樣電路可以基于轉讓給本申請受讓人的US專利No.5,225,776“探測和采樣電信號的方法和設備”中所描述的電路。當然，根據(jù)具體應用，其他很多采樣電路的實施例也是合適的。
圖2示出了快速采樣電路20的最佳跟蹤保持實施例，其中，射極跟隨器緩沖晶體管30接收50歐姆終端32兩端的50MHz中頻帶寬范圍的輸入信號頻率成分。緩沖后的中頻帶通信號出現(xiàn)在緩沖晶體管30的發(fā)射極，被電流源34下拉并通過二極管接法的晶體管36耦合，二極管接法的晶體管36接收與電壓源VCC相連接的電阻器38所產(chǎn)生的偏置電流。電阻器38和晶體管36的基極和集電極形成的節(jié)點與晶體管40的發(fā)射極相連接，其集電極連接偏置電壓例如VCC，其基極與采樣電路20的采樣信號輸出相耦合。在跟蹤模式下，晶體管40被晶體管38和二極管接法的晶體管36的接點上形成的電壓截止。緩沖后的中頻帶通信號通過二極管接法的晶體管36耦合到射極跟隨器晶體管42的基極。最后得到的中頻帶通信號通過電阻器44耦合并存儲在電容器46上。電阻器44和電容器46形成低通濾波器，減小了快速采樣電路20的噪聲帶寬，改善了其線性度。
為了從跟蹤模式切換到保持模式，快速采樣電路20采用差動晶體管對48和50，它們的發(fā)射極電連接在一起，連接到電流源52。晶體管48的集電極與由晶體管36、40、電阻器38和射極跟隨器42所形成的接點電連接。
在跟蹤模式下，加到晶體管50基極上的V_跟蹤信號的電勢比加到晶體管48基極上的V_保持信號的電勢高，晶體管50導通，晶體管48截止，從而使電流從地流過晶體管42和50，流入電流源52。中頻帶通信號通過射極跟隨器緩沖晶體管30、二極管接法的晶體管36、射極跟隨器晶體管42、電阻器44，被跟蹤并存儲在電容器46上。包括射極跟隨器晶體管54、56和差動接法晶體管58、60的非反相緩沖放大器接收保持在電容器46上的采樣信號電壓，在晶體管56的發(fā)射極產(chǎn)生其緩沖形式。晶體管54、45、58和60通過相關聯(lián)的電流源62、64和66被偏置。
晶體管56和40的基極電壓電勢與保持在電容器46上的采樣信號電壓電勢相同。所以，建立在晶體管40發(fā)射極的箝位電壓跟蹤輸入信號電壓。這對改善采樣電路20的增益從屬(gain-dependent)線性度和動態(tài)范圍是重要的。
在保持模式下，加到晶體管50基極上的V_跟蹤信號電勢低于加到晶體管48基極上的V_保持信號電勢，晶體管48導通，晶體管50截止，從而使電流停止流過晶體管42、50，射極跟隨器晶體管42截止。因為晶體管48導通，電流從VCC經(jīng)晶體管40和48流入電流源52。如上所述，晶體管40的發(fā)射極被箝位在0.7V，低于存儲在電容器46上的電壓，從而使二極管接法晶體管36和射極跟隨器晶體管42反向偏置。在保持模式期間存儲在電容器46上的瞬時中頻帶通信號電壓是可在晶體管56的發(fā)射極獲得的，通過模數(shù)轉換器24被數(shù)字化。
快速采樣電路20最好利用高頻模擬集成電路制造工藝來完成，例如Vermont的IBM、Essex Junction公司在商業(yè)上利用的硅/鍺工藝。
本發(fā)明的帶通采樣結構是有利的，因為與現(xiàn)有的降頻變換到基帶采樣結構相比，它本身不復雜且成本低；信號頻帶的升頻變換提供了一種寬信號分析帶寬而僅需要通常少于一個倍頻程的相對窄的(從百分比上看)低調(diào)諧范圍；以及在數(shù)字化之前采樣中頻帶通信號允許使用采樣速率遠低于通常在第一奈奎斯特頻帶內(nèi)無混雜采樣所需采樣速率的模數(shù)轉換器。
本發(fā)明尤其適用于通信信號頻率在約1MHz到約2500MHz范圍的信號處理、分析和顯示。
技術人員認識到，本發(fā)明的各部分可以采用不同于上述最佳實施例的方式來實現(xiàn)。例如，各種頻率、帶寬和采樣頻率可以不同于以上描述，為了適應特殊應用，可以將各種放大器、濾波器、LO和混頻器加到到系統(tǒng)10中去。同樣，降頻轉換到頻率的非基帶范圍也認為是本發(fā)明范圍內(nèi)的。
雖然本發(fā)明的優(yōu)選實施例已經(jīng)進行了表示和說明，但是，應當知道，本領域的技術人員可以在不背離本發(fā)明的精神的條件下進行變化和變型。因此，本發(fā)明也適用于除頻譜分析儀中所發(fā)現(xiàn)的應用以外的信號處理和分析應用。本發(fā)明的范圍由權利要求書限定。
權利要求
1.一種使電輸入信號譜數(shù)字化的方法，包括接收具有基頻范圍的頻率成分的輸入信號；將基頻范圍的頻率成分轉換為中頻范圍的頻率成分；對中頻范圍的頻率成分進行帶通濾波以產(chǎn)生帶通范圍的頻率成分；以及采樣和數(shù)字化帶通范圍的頻率成分。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，轉換步驟包括提供具有在頻率的混頻范圍內(nèi)頻率可調(diào)的本機振蕩信號，并將輸入信號與本機振蕩信號混頻。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中，頻率的混頻范圍跨度小于一個倍頻程。
4.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中，頻率的混頻范圍跨度從約3.5GHz到約6.5GHz。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，轉換步驟為升頻轉換步驟。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，頻率成分的基頻范圍跨度從約0GHz到約3.5GHz，中頻范圍的頻率成分的頻率都高于3.5GHz。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，頻率成分的帶通范圍在使帶通范圍的頻率成分數(shù)字化的模數(shù)轉換器的第一奈奎斯特頻帶內(nèi)。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，還包括在轉換步驟之前對輸入信號低通濾波。
9.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，采樣和數(shù)字化中至少有一項是以比中頻范圍頻率成分的帶寬的約兩倍還大的頻率執(zhí)行的。
10.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，采樣和數(shù)字化中至少有一項是以每秒約100兆次操作的速率執(zhí)行的。
11.一種使電輸入信號頻譜數(shù)字化的設備，包括混頻器，接收具有基頻范圍的頻率成分的輸入信號，并將基頻范圍的頻率成分轉換為中頻范圍的頻率成分；帶通濾波器，對中頻范圍的頻率成分進行濾波以產(chǎn)生帶通范圍的頻率成分；采樣電路，對帶通范圍的頻率成分執(zhí)行采樣保持或跟蹤保持操作；以及模數(shù)轉換器，使帶通范圍的頻率成分數(shù)字化。
12.根據(jù)權利要求11所述的設備，還包括產(chǎn)生具有在頻率的混頻范圍內(nèi)可調(diào)頻率的本機振蕩信號的本機振蕩器，輸入信號和本機振蕩信號通過混頻器混合在一起。
13.根據(jù)權利要求12所述的設備，其中，頻率的混頻范圍變化小于約一個倍頻程。
14.根據(jù)權利要求12所述的設備，其中，頻率的混頻范圍跨度從約3.5GHz到約6.5GHz。
15.根據(jù)權利要求11所述的設備，其中，中頻范圍的頻率成分的頻率高于基頻范圍的頻率成分。
16.根據(jù)權利要求11所述的設備，頻率成分的基頻范圍跨度從約0GHz到約3.5GHz，中頻范圍的頻率成分在頻率上都高于約3.5GHz。
17.根據(jù)權利要求11所述的設備，其中，頻率成分的帶通范圍在使帶通范圍的頻率成分數(shù)字化的模數(shù)轉換器的第一奈奎斯特頻帶內(nèi)。
18.根據(jù)權利要求11所述的設備，還包括將輸入信號頻率成分的范圍限制到小于頻率成分中頻范圍的低通濾波器。
19.根據(jù)權利要求11所述的設備，其中，采樣和數(shù)字化中至少有一項是以比頻率成分中頻范圍帶寬約兩倍的頻率大的速率執(zhí)行的。
20.根據(jù)權利要求11所述的設備，其中，采樣和數(shù)字化中至少有一項是以每秒約100兆次操作的速率執(zhí)行的。
全文摘要
本發(fā)明的帶通采樣系統(tǒng)采用由頻率可調(diào)LO驅動的常規(guī)混頻器將信號頻帶升頻轉換到中頻頻帶。中頻頻帶通過中頻帶通濾波器,提供到隨后的數(shù)字化級。在該結構中,中頻帶通濾波器充當數(shù)字化級的抗混雜濾波器。選擇LO頻率將升頻轉換的信號頻率帶放在中頻帶通濾波器的通帶內(nèi)。以與中頻帶寬相稱但通常低于中頻帶通中心頻率的速率采樣和數(shù)字化所得的中頻帶通信號。電路的輸出加到時鐘頻率與采樣電路的采樣速率相同的模數(shù)轉換器上。
文檔編號G01R23/16GK1271101SQ0010686
公開日2000年10月25日 申請日期2000年4月20日 優(yōu)先權日1999年4月21日
發(fā)明者S·P·亞基姆, M·K·拉維爾, S·H·佩珀 申請人:特克特朗尼克公司