手持式頻譜分析儀下的全程鎖相掃描控制技術實現

蘇勇輝 李柏林

摘 ?要：文章簡單介紹了手持式頻譜分析儀采用的一種新的掃描控制技術，采用新的全程鎖相掃描控制技術可以較大地提高手持式頻譜分析儀的掃描速度。文章首先介紹了采用全程鎖相掃描控制技術所設計的硬件電路原理，接著介紹了軟件設計實現方案，采用全新方案的手持式頻譜分析儀大大縮短了掃描回程時間。該全程鎖相掃描控制技術已經在某量大面廣的國產頻譜儀上實際驗證，能夠較大地提高整機的掃描速度。

關鍵詞：手持式;頻譜分析儀;掃描速度;全程鎖相

中圖分類號：TM935.21 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）12-0039-03

Abstract：This paper briefly introduces a new scanning control technology used in the handheld spectrum analyzer，which can greatly improve the scanning speed of the handheld spectrum analyzer by using the new full range lock-in scanning control technology. This paper first introduces the principle of the hardware circuit designed by the whole process phase-locked scanning control technology，and then introduces the software design and implementation scheme. The handheld spectrum analyzer with new scheme greatly shortens the scanning return time. The whole process phase-locked scanning control technology has been verified in a large number of domestic spectrum analyzer，which can greatly improve the scanning speed of the whole machine.

Keywords：handheld;spectrum analyzer;scanning speed;whole phase lock

0 ?引 ?言

頻譜分析儀[1]一直是通信、雷達、導航、信號監測等領域必不可少的電子測量儀器，中電科儀器儀表有限公司是國內專業從事電子測量儀器研發和制造的公司，特別是在頻譜分析儀方向，其目前是國內最專業的頻譜分析儀研發和制造商，而筆者多年來一直專注從事手持式類頻譜分析儀的研發設計工作。根據近年的發展趨勢來看，手持式頻譜分析儀一直在朝著寬頻段、高測量速度、低噪聲指標的方向發展，掃描速度是衡量微波測量儀器的主要性能指標之一，其主要受限于前端寬帶本振的調諧速度及后端數字信號數據處理的速度;當后端中頻濾波器的帶寬較高時，第一本振的掃描速度就成為限制整機掃描速度的關鍵因素。

測試需求的多樣化發展，要求作為接收機核心的第一本振具有更寬的掃描頻段、更快的掃描速度、更低的邊帶噪聲性能指標，目前手持式頻譜分析儀類儀器普遍采用多波段掃描的方式;波段內為了保證較高的頻率準確度指標通常采用鎖相的方式，而對于頻率的回掃或者跨波段頻率點切換通常是以開環的形式。由于VCO穩定時間長，對于掃頻寬度達到數GHz的本振來說，VCO重新穩定時間需要達到數十毫秒級別;對于具有多波段的微波毫米波頻段手持式頻譜分析儀來說，完成整個頻段掃描僅穩定時間就達到了數秒以上。這種穩定時間無疑極大地降低了整機的掃描速度，影響現代手持式頻譜分析儀對于瞬變信號的快速檢測要求。

為了解決以上問題，筆者實現了一種基于全程鎖相的掃描控制技術，掃描過程中即使是頻率的回掃或者跨波段頻率點切換也采用鎖相的方式，這就避免了VCO的重新鎖相穩定時間，能夠極大地提高整機的掃描速度，滿足實際對瞬變信號的快速檢測要求。

1 ?全程鎖相掃描控制的硬件設計

現有的臺式頻譜儀產品的本振掃描通常采用數字DAC結合鎖相環控制YTO的掃描方式，受限于YTO類器件的渦流、線包電感、磁滯等特性，掃描速度和線性度較差。為了達到較高的頻率準確度指標，需要復雜的控制和線性度補償電路，因此造成生產調試效率差、溫度穩定性相對也要差一些。

目前的手持式頻譜分析儀的掃描本振通常采用多環鎖相方式[2]，由主機軟件控制高分辨率48位小數環驅動寬帶VCO實現快速掃頻，其與YTO類器件相比不存在掃描線性度的問題，因而控制相對簡單、頻率讀出準確度高。但是單個波段內信號的回程掃描和波段間頻率切換時，通常直接采用重置小數環頻率的方式控制頻率點切換。此時由于鎖相環處于開環狀態，穩定時間較長，針對不同的情況軟件設置的穩定時間均采取最大值，會造成回掃時間或波段切換時間較長，掃描速度會受到較大影響。

寬調諧頻帶的第一本振主要影響到整機的兩個關鍵指標：邊帶噪聲和掃描速度。其中邊帶噪聲指標與參考輸入信號、反饋分頻比和鑒相器的歸一化噪聲基底密切相關，尤其是反饋分頻比的影響最大，降低的數值可顯著改善邊帶噪聲指標。設計中采用高性能的取樣本振與VCO主環輸出信號進行取樣混頻，可顯著改善一本振輸出信號的邊帶噪聲指標。通常取樣本振輸出頻率范圍較窄，僅適用于整機掃寬較小、掃描速度要求不高的場合，例如掃頻寬度20 MHz或者更低的情況。

影響第一本振掃描速度的主要因素是單點掃描速度和步進頻率，單點掃描速度與小數環鑒相頻率有關，鑒相頻率越高，單點掃描速度越快。例如小數環鑒相頻率為1 MHz，則單點掃描時間為1 μs，如果將鑒相頻率提高到10 MHz，則單點掃描時間降低為0.1 μs速度提高了10倍。在綜合考慮后端數字信號處理速度的前提下，應盡可能提高小數環鑒相頻率，以提高單點掃描速度。步進頻率的大小主要取決于環路濾波器的帶寬（簡稱環路帶寬），最大步進頻率不應超過環路帶寬值。

我們采用的硬件的頻率鎖相輸出裝置是寬帶VCO，其特點是沒有磁滯特性、功耗低，非常適合應用于手持式或便攜式頻譜儀產品。硬件實現原理框圖如圖1所示，主要包括小數環、VCO主環、取樣本振環[3]和控制與數據處理顯示模塊這四個部分。其中小數環為VCO主環提供高分辨率的連續掃頻參考信號，VCO主環輸出寬頻帶微波信號至混頻器，取樣本振環則是VCO主環實現低相位噪聲輸出的關鍵，控制與數據處理模塊實現幾個鎖相環所需要的分頻鑒相時序控制、開關控制、掃描控制等功能。

2 ?全程鎖相掃描控制的軟件設計

微波毫米波頻段的手持式頻譜儀受限于混頻器帶寬、掃頻本振的跨段，并且為滿足鏡像頻率抑制的要求，通常將整機的端口輸入信號劃分為多個波段進行開關濾波，最終統一下變頻為一固定中頻進行數字信號處理。通常波段之間的本振頻率是不連續的，上個波段的終止頻率與下一波段之間的起始頻率差值可能是幾百MHz，也可能是數GHz。目前對于跨波段本振信號的處理，普遍的做法是當前波段掃頻結束之后在軟件平臺上直接設置下一個波段的起始頻率點，鎖相環以開環的方式等待VCO或YTO穩定到預期的頻點，然后開始下一個波段的掃描。為了確保下一波段開始之前振蕩器能夠穩定下來，通常在軟件上取最大穩定時間，這個時間通常要達到50 ms以上;如果整機有20個波段，僅波段之間VCO的穩定時間就要1 s（1 000 ms），這會嚴重影響到整機的掃描速度。

全程鎖相的掃描控制技術的軟件核心要求，是要避免VCO的重新鎖相穩定時間。針對這一問題我們將跨波段掃描本振頻率點的切換方式由開環方式更改為最大步進自動掃描的方式，這樣跨波段的等待時間將由50 ms可降低至最高2 ms、最低μs級別，提高了整機的掃描速度。但這就需要軟件進行完全無誤差的頻率步進計算，而基于頻率合成芯片48位小數的頻率分辨率要求，并且要適應多波段、寬帶N分頻模式、窄帶N分頻模式、低相噪[4]各種各樣的掃描控制情況，就需要實現非常精細的掃描控制銜接，這對軟件設計提出了巨大的挑戰。軟件設計主要是通過控制和數據處理模塊使整機或一本振鎖相環在不同的模式下實現不同的控制流程，從而達到最優的工作狀態。多波段掃描模式的控制流程如圖2所示。

3 ?全程鎖相掃描控制的實際效果

與現有技術相比，全程鎖相掃描控制技術所使用的方法電路控制相對簡單，無需復雜的線性補償和外部控制電路;采用單波段回程鎖相掃頻和跨波段鎖相掃頻的方式實現頻率的回掃和過渡，與開環過渡相比減小了整機中掃描的等待時間，提高了掃描速度。同時硬件上采用寬帶快速掃描、窄帶慢速掃描和低相位噪聲等多種方式，充分滿足了現有測量儀器對于邊帶噪聲和掃描速度兩者的高指標要求。本方案主要可應用于對掃描速度要求較高、對邊帶噪聲要求相對不是特別高的手持式和便攜式接收機的本振設計中。圖3為未采用全程鎖相掃描控制技術的頻譜儀的頻率掃描時序圖，從圖中可以看出波段切換時VCO的重新鎖相穩定時間比實際波段正常掃描的時間花費的還要長。

圖4為采用了全程鎖相掃描控制技術的頻譜儀的頻率掃描時序圖，從圖中可以看出波段切換時的縮減到2 ms以內，與圖3對比可以看出全程鎖相的掃描控制技術使得整機的掃描時間縮減為原來的幾分之一，極大地提高了掃描速度。

4 ?結 ?論

掃描速度一直是頻譜分析儀的關鍵指標之一，而全程鎖相的掃描控制技術能夠大大縮短手持式頻譜分析儀掃描過程中的回程時間和跨波段頻率切換時間，從而將掃描速度提升數倍，有助于提高用戶的操作效率和體驗，具有較高的應用價值。而掃描速度的提升對于儀器來說是沒有極限的，后續筆者將繼續從硬件本振切換速度、軟件代碼優化、數據傳輸速度、繪圖速度等各個方面提升掃描速度，為國產測量儀器的發展貢獻自己更多的力量。

參考文獻：

[1] 《數字通信測量儀器》編寫組.數字通信測量儀器 [M].北京：人民郵電出版社，2007.

[2] 閆亞力，杜會文，杜以濤，等.一種多環路寬帶微波頻率合成器設計 [J].國外電子測量技術，2014，33（5）：48-51.

[3] 李柏林，馬鳳原，丁鵬.一種低噪聲取樣本振鎖相環設計 [C]//中國電子學會微波分會.中國杭州：2017年全國微波毫米波會議論文集（下冊），2017：459-462.

[4] 張蘭，劉玉寶，吳國喬，等.基于HMC703的寬帶低相噪低雜散頻率合成器設計 [J].現代電子技術，2014，37（1）：93-95+100.

作者簡介：蘇勇輝（1979.06—），男，漢族，山東青島人，產品負責人，高級工程師，碩士研究生，研究方向：手持式射頻微波測量儀器;李柏林（1979.03—），男，漢族，遼寧海城人，產品負責人，高級工程師，碩士研究生，研究方向：手持式射頻微波測量儀器。