本發明涉及無線電測量儀器。更具體地，涉及一種信號源綜合參數現場測量裝置。

背景技術：

信號源是應用最廣泛的無線電儀器，大量使用在無線電通信科研測試領域和部隊的現役裝備(雷達、導彈、飛機及導航衛星等)、試驗場、靶場等諸多場合。它的性能指標對各應用系統都有重要的影響。但是，在通常情況下試驗場和靶場等現場的測試環境條件均比較惡劣，且經常在室外進行，溫濕度環境和電源的電壓波動很大，零地電壓有時可達到將近20VPP，這些因素很容易在測試時造成所用的儀器不可逆的嚴重的損壞，或者對測量數據產生很大的影響，導致測量結果的不準確和不可靠。目前國際上商品化的信號源綜合參數測量裝置主要有德國R&S公司生產的FSMR測量接收機和美國Agilent公司生產的N5530S測量接收機。它們的工作原理均是在頻譜分析儀的基礎上通過軟件來實現的，但對試驗條件、環境條件均有較高要求，無法滿足試驗場、靶場等現場測試任務。

因此，需要提供一種信號源綜合參數現場測量裝置。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種信號源綜合參數現場測量裝置，解決在惡劣的環境下解決對信號源的現場測量，得到信號源輸出的待測信號的頻率、衰減、調制度、頻譜純度等各項技術指標。本發明需要達到的技術指標為：

(1)頻率測量范圍：10MHz～40GHz；

頻率測量分辨力：1Hz；

允許誤差極限：5×10-8；

(2)衰減測量范圍：

(10～2000)MHz：(0～120)dB，允許誤差極限：±0.02dB/10dB；

(2～26.5)GHz：(0～100)dB，允許誤差極限：±0.02dB/10dB；

(26.5～40)GHz：(0～80)dB，允許誤差極限：±0.05dB/10dB；

(3)調制度測量：

調制頻率：20Hz～200kHz；

調幅度測量范圍：0％～99％，允許誤差極限：±1％；

調頻頻偏測量范圍：0Hz～1MHz，允許誤差極限：±1％；

調相相偏測量范圍：0～400rad，允許誤差極限：±3％；

(4)頻譜純度(諧波、雜波)范圍：(-20～-80)dBc

允許誤差極限：±1.0dB。

為達到上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種信號源綜合參數現場測量裝置，包括：射頻前端模塊、頻率測量模塊、衰減測量模塊、調制度測量模塊、頻譜純度測量模塊和顯示控制模塊；

射頻前端模塊的輸入端作為信號源綜合參數現場測量裝置的待測信號輸入端，射頻前端模塊的輸出端分別連接頻率測量模塊、衰減測量模塊、調制度測量模塊和頻譜純度測量模塊的輸入端，頻率測量模塊、衰減測量模塊、調制度測量模塊和頻譜純度測量模塊的輸出端均連接顯示控制模塊的輸入端。

優選地，所述射頻前端模塊進一步包括：YIG濾波器、第一SPDT射頻同軸開關、第一SP3T射頻同軸開關、第二SP3T射頻同軸開關、8GHz～40GHz微波放大器、第一微波衰減器、第三SP3T射頻同軸開關、8GHz～40GHz混頻器、第二SPDT射頻同軸開關、10MHz～8GHz微波放大器、第二微波衰減器、第四SP3T射頻同軸開關、10MHz～8GHz混頻器、本振信號源和第三SPDT射頻同軸開關；

YIG濾波器，輸入端作為射頻前端模塊的待測信號輸入端，輸出端連接第一SPDT射頻同軸開關的輸入端；

第一SPDT射頻同軸開關的第一輸出端連接第一SP3T射頻同軸開關的輸入端、第二輸出端連接第二SP3T射頻同軸開關的輸入端；

第一SP3T射頻同軸開關的第一輸出端連接8GHz～40GHz微波放大器的輸入端、第二輸出端連接第一微波衰減器的輸入端、第三輸出端連接第三SP3T射頻同軸開關的第三輸入端；

8GHz～40GHz微波放大器的輸出端連接第三SP3T射頻同軸開關的第一輸入端，第一微波衰減器的輸出端連接第三SP3T射頻同軸開關的第二輸入端；

第三SP3T射頻同軸開關的輸出端連接8GHz～40GHz混頻器的輸入端；

第二SP3T射頻同軸開關104的第一輸出端連接10MHz～8GHz微波放大器的輸入端、第二輸出端連接第二微波衰減器的輸入端、第三輸出端連接第四SP3T射頻同軸開關的第三輸入端；

10MHz～8GHz微波放大器的輸出端連接第四SP3T射頻同軸開關的第一輸入端，第二微波衰減器的輸出端連接第四SP3T射頻同軸開關的第二輸入端；

第四SP3T射頻同軸開關的輸出端連接10MHz～8GHz混頻器的輸入端；

本振信號源的輸出端連接第三SPDT射頻同軸開關的輸入端；

第三SPDT射頻同軸開關的第一輸出端連接8GHz～40GHz混頻器的本振端、第二輸出端連接10MHz～8GHz混頻器的本振端；

8GHz～40GHz混頻器的輸出端連接第二SPDT射頻同軸開關的第一輸入端，10MHz～8GHz混頻器的輸出端連接第二SPDT射頻同軸開關的第二輸入端；

第二SPDT射頻同軸開關的輸出端作為射頻前端模塊的中頻信號輸出端。

優選地，所述衰減測量模塊包括依次連接的低噪聲預放、帶通濾波器、程控步進標準衰減器和鎖相放大器，低噪聲預放的輸入端作為衰減測量模塊的輸入端，鎖相放大器的輸出端作為衰減測量模塊的輸出端。

優選地，所述調制度測量模塊進一步包括：AD數據采集器、AM解調器、FM解調器、選擇開關、FIR低通濾波器和DSP數據處理器；

AD數據采集器，輸入端作為調制度測量模塊的輸入端、輸出端分別連接AM解調器和FM解調器的輸入端；

AM解調器的輸出端連接選擇開關的第一輸入端，FM解調器的輸出端連接選擇開關的第二輸入端；

選擇開關的輸出端連接FIR低通濾波器的輸入端，FIR低通濾波器的輸出端連接DSP數據處理器的輸入端；

DSP數據處理器的控制端連接選擇開關的控制端，DSP數據處理器的輸出端作為調制度測量模塊的輸出端。

本發明的有益效果如下：

本發明所述技術方案結構緊湊可靠、體積小、測量參數齊全、指標達到國外同類產品水平，實現國產化目標，能滿足現場測量要求，保證了高技術武器裝備的戰斗力，確保研制產品質量和方便日常維護，保證了信號源可在使用前或維護期內對其關鍵指標、關鍵參數進行測量和校準。在衰減測量中由于采用了鎖相放大器的相關檢測方法，在測量大衰減量時把輸入的微弱信號放大到足以滿足相關檢波器工作的電平，利用鎖相放大器相關檢測方法抑制和濾除輸入信號的干擾和噪聲，使得測量信噪比很差的信號時，仍能夠從噪聲中提取出有用信號并進行有效測量，使得平衡電平的測量穩定性得到很大程度的提高，進而使衰減的測量準確度、穩定性和重復性有了很大的提升。

附圖說明

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細的說明。

圖1示出信號源綜合參數現場測量裝置的示意圖。

圖2示出射頻前端模塊的示意圖。

圖3示出衰減測量模塊的示意圖。

圖4示出頻率測量模塊進行頻率計算的示意圖。

圖5示出調制度測量模塊的示意圖。

具體實施方式

為了更清楚地說明本發明，下面結合優選實施例和附圖對本發明做進一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標記進行表示。本領域技術人員應當理解，下面所具體描述的內容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本發明的保護范圍。

如圖1所示，本發明公開的信號源綜合參數現場測量裝置包括射頻前端模塊100和中頻測量接收機，其中，中頻測量接收機包括頻率測量模塊200、衰減測量模塊300、調制度測量模塊400、頻譜純度測量模塊500和顯示控制模塊600。射頻前端模塊100的主要功能是無畸變地將待測信號變換到中頻，輸出頻率穩定的中頻信號。中頻測量接收機的功能為通過各測量模塊和顯示控制模塊600的配合，構成一臺完整的信號源綜合參數測量接收機系統。

本發明公開的信號源綜合參數現場測量裝置中，射頻前端模塊100的輸入端作為信號源綜合參數現場測量裝置的待測信號輸入端，射頻前端模塊100的輸出端分別連接頻率測量模塊200、衰減測量模塊300、調制度測量模塊400和頻譜純度測量模塊500的輸入端，頻率測量模塊200、衰減測量模塊300、調制度測量模塊400和頻譜純度測量模塊500的輸出端均連接顯示控制模塊600的輸入端。

本方案中，射頻前端模塊100通過對待測信號(通常為高頻寬帶微波信號)進行頻譜搬移，使待測信號變為容易處理的中頻信號，進行頻譜搬移的方法是通過混頻器和本振信號對被測射頻信號進行下變頻。由于混頻器為非線性器件，所以要考慮非線性的影響，輸入混頻器的信號不能太大，以免產生非線性壓縮造成測量誤差，而當待測信號太小時，由于混頻器噪底的限制可能使被測信號淹沒在噪聲之中無法測量。因此在射頻前端模塊100中對待測信號進行處理時要綜合考慮這兩方面的因素。當待測信號功率電平太強時，射頻前端模塊100中在混頻器前端加入微波衰減器來降低輸入信號的電平，減小混頻器非線性壓縮；當待測信號功率電平很弱時，射頻前端模塊100中在混頻器前端加入微波寬帶放大器提高輸入信號的功率電平，降低噪聲影響提高信噪比，使混頻器始終工作在良好的狀態下，在不引起信號的非線性失真的同時又提高了信噪比，并有效地提高了測量的動態范圍。

如圖2所示，為實現上述功能，射頻前端模塊100進一步包括：

YIG濾波器101、第一SPDT射頻同軸開關102、第一SP3T射頻同軸開關103、第二SP3T射頻同軸開關104、8GHz～40GHz微波放大器105、第一微波衰減器106、第三SP3T射頻同軸開關107、8GHz～40GHz混頻器108、第二SPDT射頻同軸開關109、10MHz～8GHz微波放大器110、第二微波衰減器111、第四SP3T射頻同軸開關112、10MHz～8GHz混頻器113、本振信號源114和第三SPDT射頻同軸開關115；

YIG濾波器101，輸入端作為射頻前端模塊100的待測信號輸入端，輸出端連接第一SPDT射頻同軸開關102的輸入端；

第一SPDT射頻同軸開關102的第一輸出端連接第一SP3T射頻同軸開關103的輸入端、第二輸出端連接第二SP3T射頻同軸開關104的輸入端；

第一SP3T射頻同軸開關103的第一輸出端連接8GHz～40GHz微波放大器105的輸入端、第二輸出端連接第一微波衰減器106的輸入端、第三輸出端連接第三SP3T射頻同軸開關107的第三輸入端；

8GHz～40GHz微波放大器105的輸出端連接第三SP3T射頻同軸開關107的第一輸入端，第一微波衰減器106的輸出端連接第三SP3T射頻同軸開關107的第二輸入端；

第三SP3T射頻同軸開關107的輸出端連接8GHz～40GHz混頻器108的輸入端；

第二SP3T射頻同軸開關104的第一輸出端連接10MHz～8GHz微波放大器110的輸入端、第二輸出端連接第二微波衰減器111的輸入端、第三輸出端連接第四SP3T射頻同軸開關112的第三輸入端；

10MHz～8GHz微波放大器110的輸出端連接第四SP3T射頻同軸開關112的第一輸入端，第二微波衰減器111的輸出端連接第四SP3T射頻同軸開關112的第二輸入端；

第四SP3T射頻同軸開關112的輸出端連接10MHz～8GHz混頻器113的輸入端；

本振信號源114的輸出端連接第三SPDT射頻同軸開關115的輸入端；

第三SPDT射頻同軸開關115的第一輸出端連接8GHz～40GHz混頻器108的本振端、第二輸出端連接10MHz～8GHz混頻器113的本振端；

8GHz～40GHz混頻器108的輸出端連接第二SPDT射頻同軸開關109的第一輸入端，10MHz～8GHz混頻器113的輸出端連接第二SPDT射頻同軸開關109的第二輸入端；

第二SPDT射頻同軸開關109的輸出端作為射頻前端模塊100的中頻信號輸出端。

中頻測量接收機一般均采用中頻替代法測量，并且均在較低的固定中頻上進行替代。為了保證很高的測量準確度，要求接收機有良好的線性、優良的穩定性和精細的中頻增益控制。線性主要取決于測量接收機部分的檢波器工作電平，故要恰當的選擇中頻電路增益以的調整射頻和中頻增益，使其落在檢波器的最佳線性區域內。測量接收機部分采用通帶很窄的中頻放大器，可以提高電平測量下限的測量范圍，采用窄帶濾波電路，保證中頻頻率在中頻帶寬的最佳位置，帶寬越窄小信號測量的穩定度就越高，可測的電平也會越小，接收機的靈敏度就越高。

本方案中，衰減測量模塊300采用串聯低中頻替代法，其特點是衰減測量的準確度高且動態范圍較大，工作原理為首先在零衰減時進行校準，再接入被測衰減器，通過改變程控步進標準衰減器的衰減量替代被測衰減器的衰減量達到再次平衡。為了進一步提高系統性能，本方案中采用射頻串聯和低中頻串聯替代相結合的方法對系統進行改進，引入鎖相放大器相關檢測的方法，使用鎖相放大器作為中頻接收和指示裝置。鎖相放大器是根據參考信號與測試信號相關而與噪聲不相關的原理，采用相關檢測技術，最大限度的壓縮帶寬、抑制噪聲，使得系統的測量穩定度和動態范圍都有大幅提高。采用鎖相放大器進行單通道串聯低中頻替代法原理框圖如圖3所示。在衰減測量系統中，采用射頻源、本振源和函數發生器共時基，其參考信號由函數發生器產生，測試系統結構簡單，且由于不存在測試通道和參考通道的串擾問題，測量準確度更高。

如圖3所示，衰減測量模塊300包括依次連接的低噪聲預放301、帶通濾波器302、程控步進標準衰減器303和鎖相放大器304，低噪聲預放301的輸入端作為衰減測量模塊300的輸入端，鎖相放大器304的輸出端作為衰減測量模塊300的輸出端。采用串聯低中頻替代法的技術原理，通過頻率變換方式將射頻及微波信號線性地變換為中頻信號，利用高準確度標準衰減器的改變量替代被檢的射頻及微波衰減器的衰減量從而達到準確有效地測量衰減量的目的，它具有很高的靈敏度，和超過100dB的動態范圍。為了保證很高的測量準確度，要求接收機有良好的線性、優良的穩定性和精細的中頻增益控制。線性主要取決于工作電平，故要恰當的選擇射頻前端電路增益和中頻電路增益的各種組合調節射頻和中頻增益，使其落在混頻器和檢波器的最佳線性區域內。

衰減測量的過程是首先對中頻信號進行低噪聲預放，經程控步進標準衰減器303進行替代補償后由鎖相放大器304進行中頻放大濾波和相關檢波處理并送至顯示控制模塊600進行最終顯示。具體過程為首先要進行校準，即中頻信號的衰減量為零時對系統進行校準，得到一平衡電平，然后改變中頻信號的衰減量，并同時改變系統中程控標準步進衰減器303的衰減量，使系統達到二次平衡，此時的程控標準步進衰減器303的改變量即為中頻信號的衰減量。而被測量的誤差則取決于鎖相放大器304的靈敏度和準確度。

在測量不同的衰減量時，由于采用的為中頻替代法，因此系統的總衰減量是固定不變的，合理分配每部分的增益，使得系統對信號進行放大時不產生非線性失真和壓縮，在信號很小時又能滿足信噪比，在此原則下各部分電路分配的技術指標如下：

低噪聲預放301：

中心頻率：50kHz；放大增益：20dB；輸出阻抗：

程控步進標準衰減器303：

中心頻率：50kHz；衰減范圍：0～110dB，0.1dB步進；輸入輸出阻抗：

鎖相放大器304：

中心頻率：50kHz；放大增益：90dB；帶寬：500Hz；輸入阻抗：

在電路的設計過程中，還要有效保證鎖相放大器304對溫度漂移、電源頻率干擾的抑制能力。

本方案中，頻率測量模塊200對于小于150MHz信號采用直接測量的方法，對于大于150MHz射頻信號采用將混頻器后的中頻信號經過比較器對信號進行整形去噪后，利用FPGA構成頻率計進行測頻，最后根據相關的本振頻率得到被測的射頻頻率。在信號調理過程中，由于諧波較基波至少要弱20dB，在測量過程中為了消除混頻后寄生頻率的影響，電路采用在比較電平的基礎上再加一小的直流偏置(約50mV)，使得比較電平偏離被測信號的幅度中心點，對小的諧波信號干擾不產生響應，從而使得整形過程中消除了諧波的干擾，從而提高測量的準確度。

在信號處理時采用對本振信號源進行掃描控制的方法使混頻后的中頻頻率落在頻率的可測范圍內，然后通過改變本振的一個小的變化量在進行測頻，根據所測頻率的變化量和本振的量可以得到實際被測量的準確值，計算示意圖如圖4所示。當本振信號頻率fL大于被測信號fx時，通過改變本振信號頻率一個變換量”f，則所測到的中頻信號的頻率fI同方向變化，得出被測信號頻率為fL-fI；當本振信號fL小于被測信號fx時，通過改變本振信號頻率一個變換量”f，則所測到的中頻信號的頻率fI反方向變化，得出被測信號頻率為fL+fI。

本方案中，調制度測量模塊400具有調幅、調頻和調相測量能力，能夠解調調頻/調幅/調相信號。調制度測量模塊400對中頻信號進行高速數據采集并進行軟件解調。通過微處理器對對采集后的信號進行軟件解調、濾波、數據處理分析后得到相關調制度測量結果。具體的，對中頻信號進行高速數據采集，對調幅信號數字化后的調幅波經過絕對值計算，再經過低通濾波，得到調制信號；而調頻波所攜帶的信息包含在瞬時頻率的變化之中，其中的過零信息就包含著調制信息，對調頻信號解調采用的是過零信息計數法實現解調，計數法是利用調頻波通過零點的惟一性，準確性，寬范圍，高效率的解調調頻波，獲得原調制信號的方法。過零點的惟一性是指調頻波的過零點和調制信號的瞬時幅度一一對應。首先對調頻波進行A/D變換形成數據流，在對數據流每過零一次，計數器就加1。對脈沖的計數后進行低通濾波，就可得到調制信號。

如圖5所示，為實現上述功能，調制度測量模塊400進一步包括：

AD數據采集器401、AM解調器202、FM解調器403、選擇開關404、FIR低通濾波器405和DSP數據處理器406；

AD數據采集器401，輸入端作為調制度測量模塊400的輸入端、輸出端分別連接AM解調器402和FM解調器403的輸入端；

AM解調器402的輸出端連接選擇開關404的第一輸入端，FM解調器403的輸出端連接選擇開關404的第二輸入端；

選擇開關404的輸出端連接FIR低通濾波器405的輸入端，FIR低通濾波器405的輸出端連接DSP數據處理器406的輸入端；

DSP數據處理器406的控制端連接選擇開關404的控制端，DSP數據處理器406的輸出端作為調制度測量模塊400的輸出端。

本方案中，頻譜純度測量模塊500具有測量信號源輸出二次諧、三次諧和分諧波的功能。頻譜純度測量模塊500的工作過程為在衰減測量的基礎上，在測諧波時在混頻器的前端加一YIG帶通濾波器濾除基波以消除基波對中頻信號的非線性影響，測得的相對于基波的衰減量，此方法測得的頻譜純度精度相比直接測量要高許多。頻譜純度的測量方法是首先在基波頻率上進行校準，然后依此為參考，改變YIG帶通濾波器的中心頻率到分諧波、諧波的頻率點在進行測量得到相對于基波的衰減量，再通過對YIG帶通濾波器、混頻器的頻響引入的誤差分量進行修正，得到最終測量結果。

如上所述，本發明公開的信號源綜合參數現場測量裝置，具有如下優點：

(1)可以在惡劣的電磁和溫度環境下，可以對信號源的現場校準，其結構緊湊可靠、體積小、測量參數齊全，用于檢定和校準信號源的頻率、衰減、調制度、頻譜純度等各項技術指標。

(2)在衰減測量方面引入了鎖相放大器對微弱信號進行校準和檢定，使得測量準確度和動態范圍都有大幅提高，從而解決了在測量大衰減量過程中各類噪聲的干擾問題。

(3)在頻率測量方面對于大于150MHz射頻信號采用將混頻器后的中頻信號經過比較器對信號進行整形去噪后，在信號調理過程中，由于諧波較基波至少要弱20dB，在測量過程中為了消除混頻后寄生頻率的影響，電路采用在比較電平的基礎上再加一小的直流偏置(約50mV)，使得比較電平偏離被測信號的幅度中心點，對小的諧波信號干擾不產生響應，從而使得整形過程中消除了諧波的干擾，從而提高測量的準確度。在測量結果處理時采用對本振信號源進行掃描控制的方法使混頻后的中頻頻率落在頻率的可測范圍內，然后通過改變本振的一個小的變化量在進行測頻，根據所測頻率的變化量和本振的量可以得到最終實際被測量的準確值。

(4)在頻譜純度測量方面采用得是通過改變YIG帶通濾波器中心頻率對待測頻率點直接測量相對于基波的衰減量，通過誤差修正得到最終測量結果。

(5)在調制度測量方面采用的數字解調方法代替傳統的模擬電路進行，使得測量準確度均有所提高。

顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明的實施方式的限定，對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本發明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍之列。