張學(xué)斌，錢瑩晶，張仁民，鄧志明

(懷化學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖南懷化418008)

基于數(shù)字零中頻解調(diào)技術(shù)的便攜式寬頻掃頻儀研制*

張學(xué)斌*，錢瑩晶，張仁民，鄧志明

(懷化學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖南懷化418008)

針對(duì)目前商用掃頻儀在成本及體積等方面不能完全滿足應(yīng)用需求的現(xiàn)狀，研究了一種低成本、便攜式寬頻掃頻儀的設(shè)計(jì)方法。該方法采用數(shù)字零中頻解調(diào)技術(shù)，克服了傳統(tǒng)直接頻響測(cè)量法中存在的測(cè)量電路復(fù)雜度高、測(cè)量精度低的缺陷;在數(shù)字零中頻解調(diào)方案中采用高性能正交信號(hào)源減少了測(cè)量過(guò)程中幅度非對(duì)稱性、幅度平坦度和相位非正交性對(duì)測(cè)量精度的影響;電路上利用了正交信號(hào)源內(nèi)部的幅度調(diào)整功能，拓寬測(cè)量頻率范圍為10 Hz～110 MHz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。

掃頻儀;幅度調(diào)整;零中頻解調(diào)技術(shù);寬頻;便攜式

頻率特性測(cè)試儀簡(jiǎn)稱掃頻儀，用于測(cè)量二端口線性非時(shí)變網(wǎng)絡(luò)的頻率特性，也可以測(cè)量其中心頻率、帶寬、帶外衰減、增益等參數(shù)，是線性系統(tǒng)頻域測(cè)量的重要儀器之一［1］。目前市場(chǎng)上掃頻儀有模擬式和數(shù)字式兩種，且主要集中在射頻和高頻，中低頻的產(chǎn)品比較少［2］。傳統(tǒng)的模擬掃頻儀大多是用LC電路構(gòu)成的掃頻振蕩器，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，體積龐大，而且只能顯示幅頻特性曲線，不能得到相頻特性曲線，給使用者帶來(lái)諸多不便［3-5］。而現(xiàn)有的基于虛擬儀器的頻譜分析儀則是以計(jì)算機(jī)為核心的平臺(tái)，利用其強(qiáng)大的資源設(shè)計(jì)開發(fā)具有虛擬面板，測(cè)試任務(wù)由軟件算法實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)［6-8］，該類儀器必須依賴于計(jì)算機(jī)，體積大，不利于攜帶。

目前基于DDS芯片AD9854的頻譜分析儀其掃頻范圍一般為1 MHz～40 MHz［2-3，9-10］，頻帶范圍比較窄。傳統(tǒng)的直接測(cè)量頻率特性方法中存在測(cè)量電路復(fù)雜、測(cè)量精度低等缺陷。針對(duì)現(xiàn)有的掃頻儀存在的問(wèn)題，本文提出了一種便攜式、低成本、測(cè)量頻帶寬的掃頻儀的設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)量原理

首先，設(shè)計(jì)一個(gè)正交掃頻信號(hào)源，輸出兩路正交信號(hào)A cos(ωt)和A sin(ωt)，再將其中一路信號(hào)A cos(ωt)作為激勵(lì)信號(hào)輸入被測(cè)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，將會(huì)輸出與激勵(lì)信號(hào)頻率相同的正弦信號(hào)(幅度、相位不相同)，再將響應(yīng)信號(hào)與兩路正交信號(hào)分別混頻，然后用低通濾波器濾掉高頻成分，用ADC轉(zhuǎn)換得到I和Q信號(hào)，該兩路信號(hào)的幅值比即為該頻率的幅頻特性值，兩者的相位差即為相頻特性值，可以采用頻率逐點(diǎn)步進(jìn)或頻率連續(xù)變化的方法，完成整個(gè)頻率特性測(cè)量。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示［3］。在該零中頻解調(diào)方案中采用了高性能正交信號(hào)源減少了測(cè)量過(guò)程中幅度非對(duì)稱性、幅度平坦度和相位非正交性對(duì)測(cè)量精度的影響;針對(duì)在110 MHz電帶寬內(nèi)的信號(hào)輸出，在電路上巧妙的利用了正交信號(hào)源內(nèi)部的幅度調(diào)整功能，拓寬了測(cè)量頻率范圍。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖

本系統(tǒng)使用正交掃頻信號(hào)源輸出的I、Q兩路正交信號(hào)實(shí)現(xiàn)正交解調(diào)。設(shè)正交信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)A cos(ωt)經(jīng)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)后的輸出為B cos(ωt+φ)。

則同相分量支路:

低通濾波后(假設(shè)濾波器對(duì)幅度的影響為C):

類似的，得到正交分量支路:

低通濾波后(假設(shè)濾波器對(duì)幅度的影響為C):

由式(2)和式(4)，可得相位:

幅度:

1.2 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)由單片機(jī)模塊、正交信號(hào)源(DDS模塊)，零中頻解調(diào)網(wǎng)絡(luò)、鍵盤模塊、電源模塊、液晶顯示模塊等組成，系統(tǒng)采用RLC諧振網(wǎng)絡(luò)作為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。正交掃頻信號(hào)源以DDS集成模塊為核心，由MSP430F149單片機(jī)模塊［11］控制DDS模塊AD9854輸出2路正交掃頻信號(hào)，一路送被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出后再分別與掃頻信號(hào)混頻、低通濾波、后級(jí)放大，得到同相分量和正交分量的直流信號(hào)，送入單片機(jī)進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算得到相位和幅度，通過(guò)液晶顯示幅頻特性和相頻特性曲線。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從10 Hz～110 MHz的點(diǎn)頻輸出模式和掃頻輸出模式，掃頻模式最小步進(jìn)為100 kHz。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 正交信號(hào)源

本系統(tǒng)的兩路正交信號(hào)由DDS模塊AD9854產(chǎn)生，它采用先進(jìn)的DDS技術(shù)，在高穩(wěn)定度時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，AD9854將產(chǎn)生一高穩(wěn)定的頻率、相位、幅度可編程的正弦和余弦信號(hào)。AD9854數(shù)字調(diào)制輸出頻率可達(dá)110 MHz。AD9854正交數(shù)字信號(hào)發(fā)生器包括一個(gè)48 bit的相位累加器，可編程基準(zhǔn)時(shí)鐘乘法器，反辛格濾波器，數(shù)字乘法器，兩個(gè)12 bit/300 Hz數(shù)模轉(zhuǎn)換器，一個(gè)高速模擬比較器和內(nèi)部邏輯電路。正弦和余弦輸出分別由I和Q通道輸出［12］。它們的最大輸出值由56腳的電阻決定，最大輸出電流為20 mA。但是一般都設(shè)置為10 mA輸出，這樣可以有較好的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)比。模數(shù)輸出的最大電壓范圍是-0.5 V～+1.0 V。電壓超出這個(gè)范圍會(huì)使波形失真，甚至損壞器件。AD9854具有兩個(gè)逆sinc函數(shù)濾波器，能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行sin(x)/x校正，補(bǔ)償DAC輸出頻譜中固有的sin(x)/x滾降效應(yīng)，這種校正能夠保證寬帶信號(hào)如QPSK(四相制移相鍵控信號(hào))在從DAC輸出時(shí)，幅度不會(huì)隨著頻率變化而產(chǎn)生突變。由逆sinc函數(shù)濾波器輸出的信號(hào)將會(huì)乘上1個(gè)衰減因子，然后再送入到D/A的轉(zhuǎn)換器。通過(guò)配置I、Q支路AM調(diào)整寄存器，用戶可以設(shè)置這個(gè)衰減因子的大小，該寄存器為12 bit，衰減因子的數(shù)值范圍是0～4 095/4 096。AD9854輸出實(shí)際上是內(nèi)部DAC轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量化波形，因此需要加濾波來(lái)平滑波形，圖3為本系統(tǒng)使用的AD9854輸出濾波電路。

2.2 寬頻AGC電路

由于AD9854的輸出的正交信號(hào)的幅度小且其幅度會(huì)隨頻率的改變而發(fā)生變化，如果直接送到混頻器，非理想的幅度平坦度將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的精度，因此需要對(duì)輸出信號(hào)的幅度進(jìn)行調(diào)理。具體做法是，首先，校準(zhǔn)幅度，即采用示波器測(cè)出不同頻率下的正交掃頻信號(hào)的輸出電壓，使用單片機(jī)重新配置AD9854內(nèi)部的衰減因子，使得在10 Hz～110 MHz帶寬內(nèi)不同頻率下正交掃頻信號(hào)的幅值穩(wěn)定在200 mV。其次，通過(guò)以寬頻電流型運(yùn)放THS3201為核心的寬帶放大器將校準(zhǔn)的正交信號(hào)進(jìn)行放大，使輸出穩(wěn)定在1.9 Vpp，寬頻AGC電路如圖4所示，電路由兩級(jí)寬帶放大器級(jí)聯(lián)而成，兩級(jí)的增益為18.6 dB。

圖3 AD9854專用濾波器電路圖

圖4 寬頻AGC電路

2.3 混頻電路

混頻采用乘法器專用芯片AD835，它是一個(gè)電壓輸出四象限乘法器，其傳遞函數(shù)為W=XY+Z; -3 dB帶寬高達(dá)250 MHz［13］。若未加偏置信號(hào)(Z=0)，信號(hào)經(jīng)混頻和濾波后輸出的直流信號(hào)范圍在-1 V～+1 V，為保證送入單片機(jī)的直流信號(hào)為正，必須在進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換前加1 V以上的直流偏置，本設(shè)計(jì)選擇在乘法器模塊加125 mV的直流偏置(即Z=125 mV)，經(jīng)后級(jí)10倍的同相比例放大可保證送入單片機(jī)的直流信號(hào)為正。如圖5混頻電路所示，VCC通過(guò)電阻RES2和200Ω電位器分壓，在AD835的4腳得到125 mV的直流偏置。

圖5 混頻電路

2.4 信號(hào)調(diào)理電路

在本系統(tǒng)中，信號(hào)從乘法器輸出之后是一個(gè)帶有直流分量的混頻信號(hào)，為了使后級(jí)AD采樣時(shí)采得準(zhǔn)確的諧振信號(hào)電壓，需要對(duì)該諧振信號(hào)進(jìn)行濾波，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)沒(méi)有低頻噪聲，直流信號(hào)中混雜的交流分量也較為固定，故利用TI公司的高精度低噪聲運(yùn)放OPA227設(shè)計(jì)一階有源低通濾波器，截止頻率為1 Hz左右即可滿足要求。由截止頻率計(jì)算公式如圖6低通濾波器電路所示，取R=100 K，C=1μF，則f=1.59 Hz。實(shí)踐證明可以滿足系統(tǒng)要求。

圖6 低通濾波電路圖

2.5 其他模塊

單片機(jī)模塊采用超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集且自帶12 bit A/D轉(zhuǎn)換器的MSP430F149模塊;鍵盤模塊采用4×4薄膜矩陣鍵盤;液晶顯示模塊采用帶字庫(kù)的12 864;電源模塊采用7 805和7 905分別穩(wěn)壓得到+5 V和-5 V。被測(cè)網(wǎng)絡(luò)選用RLC諧振網(wǎng)絡(luò)，其中心頻率為20 MHz。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件系統(tǒng)介紹

該設(shè)計(jì)軟件部分采用C語(yǔ)言編寫?？偝绦蛴烧{(diào)度模塊，鍵盤服務(wù)程序，ADC模塊及菜單顯示服務(wù)子程序構(gòu)成。其中自動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)將被測(cè)網(wǎng)絡(luò)短接，經(jīng)過(guò)一次掃頻將系統(tǒng)誤差存儲(chǔ)在單片機(jī)中，然后接入被測(cè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)應(yīng)的每一個(gè)頻率點(diǎn)的誤差將被糾正得到誤差較小的值計(jì)算得到幅頻和相頻。幅頻特性曲線和相頻特性曲線采用12 864液晶顯示，為保持整個(gè)曲線的完整顯示采用了相應(yīng)的算法。

3.2 軟件流程圖介紹

程序流程圖如圖7所示，系統(tǒng)可進(jìn)行點(diǎn)頻和掃頻兩種模式，點(diǎn)頻直接通過(guò)鍵盤輸入頻率后會(huì)在液晶上顯示結(jié)果。掃頻分默認(rèn)和鍵盤輸入兩種方式，默認(rèn)的掃頻方式頻率范圍為10 Hz～110 MHz，步進(jìn)100 kHz掃頻，掃頻時(shí)間小于5 s，鍵盤輸入可靈活設(shè)定下限頻率freq-l、上限頻率freq-h和頻率步進(jìn)freq-b。

圖7 主程序流程圖

正交信號(hào)源的輸出分點(diǎn)頻和掃頻兩種模式，可以通過(guò)選擇AD9854的可編程操作模式(一共有5種模式)來(lái)進(jìn)行選擇輸出模式，可通過(guò)對(duì)并行操作地址為1FH控制寄存器中的3個(gè)相關(guān)位進(jìn)行編程設(shè)置，設(shè)置為000時(shí)(寄存器0x1F=0x00)為單信號(hào)模式，即點(diǎn)頻模式;設(shè)置為010時(shí)(寄存器0x1F= 0x04)為斜率FSK模式，即掃頻模式。點(diǎn)頻模式下，頻率控制字FTW=(點(diǎn)頻輸出頻率值×2N)/系統(tǒng)時(shí)鐘，F(xiàn)TW必須轉(zhuǎn)換為內(nèi)部的權(quán)重為1或0的48 bit串行二進(jìn)制碼;在掃頻模式下，頻率可以設(shè)定從F1到F2以某一步進(jìn)掃頻輸出，步進(jìn)值存儲(chǔ)并行寄存器10Hex～15Hex中，它是一個(gè)48 bit的雙作用的斜率步進(jìn)寄存器。本設(shè)計(jì)的掃頻范圍是10 Hz～110 MHz，步進(jìn)100 kHz。AD9854內(nèi)部幅度調(diào)整是通過(guò)兩個(gè)逆sinc函數(shù)濾波器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行sin(x)/x校正補(bǔ)償，保證幅度不會(huì)隨著頻率變化而產(chǎn)生突變。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試儀器與測(cè)試方案

測(cè)試儀器:數(shù)字萬(wàn)用表(DT-830B)、雙蹤示波器(GDS-1062A)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent Technologies E8362B)。

測(cè)試方案:(1)采用雙蹤示波器，測(cè)量正交掃頻信號(hào)源的幅度和頻率，并記錄在表1中。

(2)接入被測(cè)網(wǎng)絡(luò)，測(cè)試頻率范圍內(nèi)掃頻儀的各項(xiàng)參數(shù)，記入表2中;記錄測(cè)得的幅頻特性曲線和相頻特性曲線。

4.2 測(cè)試結(jié)果及分析

系統(tǒng)的參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示。

表1 I通道、Q通道輸出頻率、幅度及誤差測(cè)試表

從表1可得出，正交掃頻信號(hào)源的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-4，幅度平衡最大誤差為2.105 2%，低于5%，滿足系統(tǒng)要求。

表2 掃頻儀與RLC被測(cè)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

由表2可得，掃頻儀的輸入輸出阻抗均為50Ω，經(jīng)測(cè)試可以進(jìn)行點(diǎn)頻測(cè)量，被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的的中心頻率、帶寬、品質(zhì)因數(shù)、增益等均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

利用制作的掃頻儀測(cè)得待測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線如圖8和圖9所示，中心頻率為20 MHz。

圖8 幅頻特性曲線液晶顯示

圖9 相頻特性液晶顯示

5 結(jié)論

本文采用DDS芯片AD9854來(lái)產(chǎn)生高性能的正交信號(hào)源，解決了測(cè)量過(guò)程中幅度非對(duì)稱性、幅度平坦度和相位非正交性影響測(cè)量精度的問(wèn)題，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，正交信號(hào)源的頻率穩(wěn)定度均小于10-4;I路信號(hào)幅度平坦度為2.381%，Q路信號(hào)幅度平坦度為3.529%;正交信號(hào)幅度平衡誤差最大為3.529%;針對(duì)信號(hào)輸出幅度隨頻率變化而變化的問(wèn)題，結(jié)合單片機(jī)MSP430F149，利用AD9854內(nèi)部的幅度調(diào)整功能，拓寬了測(cè)頻范圍，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，掃頻頻率范圍為10 Hz～110 MHz;測(cè)試時(shí)，選擇RLC諧振網(wǎng)絡(luò)為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)，其中心頻率為20 MHz，誤差為2.50%;有載品質(zhì)因數(shù)誤差為0.700%。該掃頻儀輸入阻抗為50Ω，輸出阻抗為50Ω，低成本，便攜式，具有較好的應(yīng)用價(jià)值和工程參考價(jià)值。

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張學(xué)斌(1982-)，男，漢族，湖南溆浦人，懷化學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，實(shí)驗(yàn)師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)及應(yīng)用，zxb200210321@163.com;

錢瑩晶(1983-)，女，漢族，湖南溆浦人，懷化學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，講師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閷?shí)時(shí)信號(hào)處理、高性能電路，equ123456@ sina.com;

張仁民(1981-)，男，漢族，湖南婁底人，懷化學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，副教授，博士研究生，主要研究方向?yàn)閷?shí)時(shí)信號(hào)處理，嵌入式儀器儀表，zrm@ pku.edu.cn。

Development of Portable Broadband Spectrum Analyzer Based on Digital Zero-IF Quadrature Demodulation Technology*

ZHANG Xuebin*，QIAN Yingjing，ZHANG Renmin，DENG Zhiming

(Institute of Electrical and Information Engineering，Huaihua College，Huaihua Hu’nan 418008，China)

In view of the fact that the cost and volume of current commercial spectrum analyzer can’t fullymeet the application requirements，a development method of low cost and portable broadband spectrum analyzer is proposed.Themethod uses digital Zero-IF demodulation technology，it overcomes the defects that themeasurement circuit is complex and the measurement precision is low in the traditional direct frequency measurement method.The high performance quadrature signal source is used to reduce the influence of amplitude asymmetry，amplitude flatness and phase non orthogonality on themeasurement precision.Internal circuitbroadens themeasurement frequency range for 10 Hz～110 MHz by using the orthogonal signal amplitude adjustment function.The experimental results verify the effectiveness of the design.

spectrum analyzer;amplitude adjustment;Zero-IF demodulation technology;Broadband;portable

C:1250;7210

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.014

TN741

:A

:1005－9490(2017)01－0071－06

項(xiàng)目來(lái)源:武陵山片區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)智能控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(ZNKZ2015-2)

2016-01-29修改日期:2016-03-15