[发明专利]宽频带信号分析的带通采样结构

说明书

本发明涉及电子测试及测量领域，尤其涉及分析宽带电信号频谱的带通采样技术。

现有的信号处理及分析系统例如频谱分析仪通常采用多个频率转换级，将有益的信号频带在被模数转换器(“ADC”)数字化以进一步处理和显示之前转换为低通滤波的基带信号。该结构方案将正在测量的信号频率放在模数转换器的第一奈奎斯特频带内以防止频带外的信号混杂到频率分析带中。

例如，名称为“电信号的频谱分析设备”的US专利No.4,257,104描述了一种全特征的谱分析仪系统，该系统在模数转换器之前采用多个降频转换器、中频(“IF”)放大器、检测器和视频处理器。更简单的结构方案在以下专利中有所描述：US专利No.4,607,215“谱分析仪”，4,890,099“具有局部滚动功能的显示屏的信号分析仪”，4,839,582“具有自动频率测量功能的信号分析设备”，以及5,038,096“脉冲输入信号的谱分析电路”。但是，所有这些结构方案都描述了在数字化之前的信号降频转换、中频放大、滤波以及频率的基带检测，用于随后的信号处理和分析。

在另一个例子中，转让给受让人的US专利No.5,629,703“在模数转换器系统中减小谐波失真的方法”描述了一种谱分析结构，该结构采用了降频转换到频率的基带中以及低通滤波，但在数字化之前没有采用检测。低通滤波将信号分析带宽限制到相对严密的9MHz。

上述信号测量系统不仅复杂、成本高，而且需要宽的本机振荡(“LO”)调谐或摆动范围以实现有效宽的信号分析带宽。这种信号测量系统还需要模数转换器具有相对较高的采样频率以实现在第一奈奎斯特带内没有混杂信号的信号的数字化。

所以，需要一种电信号分析结构，该结构复杂性和成本降低，同时获得具有相对窄的LO调谐范围和相对低模数转换器采样频率的宽信号分析带宽。

所以，本发明的目的是提供一种分析电信号的设备和方法。

本发明的另一个目的是提供一种比现有结构更简单、成本更低廉的谱分析仪结构。

本发明的再一个目的是提供一种具有宽信号分析带宽同时需要相对窄的本机振荡调谐范围和相对低的模数转换器采样速率的谱分析仪。

本发明的带通采样信号处理和分析结构采用由频率可调的LO驱动的常规混频器将信号频带升频转换到信号频带以上的中频频带。中频频带通过中频带通滤波器，为随后的数字化级提供中频带通范围的信号频率成分。在该结构中，中频带通滤波器充当数字化级的抗混杂滤波器。选择LO频率将升频转换的信号频率带放在中频带通滤波器的通带内。以与中频带宽相称但通常远低于中频带通中心频率的速率采样和数字化所得的中频带通信号。通过采样保持和跟踪保持电路执行信号采样，电路的输出加到时钟频率与采样电路采样速率相同的模数转换器上。

本发明的带通采样结构的优点在于，它与现有的降频转换和基带采样结构相比更简单，成本更低廉。

本发明的带通采样结构的优点还在于，信号频率带的升频转换提供了宽信号分析带宽而仅需要相对窄(从百分比上看)的LO调谐范围(通常小于一个倍频程)。

本发明的带通采样结构的优点还在于，在数字化之前对中频带通信号的采样允许使用采样速率远低于在第一奈奎斯特带内没有混杂地采样所需的采样速率的模数转换速器。

本发明的这些和其他的目的、优点及特征将通过结合附图对本发明的最佳实施例的描述而得到进一步说明。在这些附图中：

图1是本发明用于实现带通采样信号处理和分析系统的部件连接结构的电框图。

图2是在图1系统中使用的最佳信号采样电路的简化示意电路图。

图1示出了本发明的带通采样系统10，在该系统中，3.5GHz低通滤波器12接收范围具有从约0Hz到约3GHz的频率成分的输入信号并将滤波后的信号传递到混频器14。LO16向混频器14提供可调的或可在约3.5GHz到约6.5GHz范围摆动的LO信号，以将输入信号频率成分升频转换到以约3.525GHz为中心的中频频带。具有约50MHz带宽的3.525GHz中频带通滤波器18为快速采样电路20提供50MHz中频带通范围的输入信号频率成分。以约100MHz振荡的时钟22为快速采样电路20提供采样脉冲，快速采样电路20以每秒100兆次采样(“Msps”)的速率对50MHz中频带通范围的输入信号频率成分实现跟踪保持采样。模数转换器24也从时钟22接收100MHz的采样脉冲，以将快速采样电路20提供的每个信号采样数字化。根据需要，对模数转换器24输出的数字进行常规处理、分析和显示，以适应不同的应用。