專利名稱：單邊帶基帶轉換器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及射電望遠鏡全息測量系統(tǒng)，更具體地涉及一種用于該全息測量系統(tǒng)的單邊帶基帶轉換器。
背景技術：
目前，現(xiàn)有的射電望遠鏡全息測量系統(tǒng)，例如佘山25米射電望遠鏡全息測量系統(tǒng)，主要采用鑫諾1號12. 26GHz信標作為信號源，用到的設備有測試天線(25m)，參考天線(1.8米)，兩部衛(wèi)星接收機，兩通道相關機。該全息測量系統(tǒng)的各個部分在測量過程中的連接見圖1。測試天線和參考天線所組成的雙通道接收系統(tǒng)，兩個接收通道完全一樣(除了天線不一樣)，天線接收Ku波段(12. 2GHz 12. 75GHz)微波信號，輸入到中心筒，中心筒主要由LNB(L0W Noise Block，低噪聲放大器模塊)組成，實現(xiàn)對Ku波段信號65dB的放大，此外還對信號進了濾波和混頻處理，混頻后的輸出的中頻信號頻率范圍為900MHz 1450MHz，混頻使用的本振信號是由IOMHz作為參考的鎖相本振源(PLO)提供的，頻率為 11. 3GHz。中心筒安裝于天線上，最后輸出的中頻信號(900MHz 1450MHz)通過遠距離傳輸，送到位于機房的基帶轉換器?；鶐мD換器主要實現(xiàn)二次變頻、增益調整和濾波，二次變頻是通過綜合器(或叫合成器)提供不同的本振信號與900MHz 1450MHz進行混頻，就可以把其中任意的20MHz頻帶搬移到DC(即直流0頻) 20MHz。增益調整通過程控可變衰減器來實現(xiàn)。濾波器實現(xiàn)輸入基帶的范圍為DC 20MHz。最后基帶輸出的信號同時輸給相關機，相關機實現(xiàn)信號的數(shù)字化和互相關、自相關處理，解算出兩個通道信號的幅度和相位差。由圖1可以看出參考天線和主天線(測試天線)的接收信號經過兩次混頻后得到 0-20MHZ的中頻信號，并且同時進入了相關機，在該相關機中實時處理數(shù)據，最終以一秒間隔扇出數(shù)據。相關機主要實現(xiàn)如圖2所示的功能兩個通道的中頻信號分別經過40MHz抽樣量化，然后進行4096個點的離散快速傅立葉變換(DFFT)，再交叉相乘，得到自相關和互相關的實部和虛部(Re，Im)，由此獲得0 20MHz全部的基帶信號的幅度和相位Amp = VRe2+ Im2 ；Phase = arctan(—)；
Re由于從相關機實時處理輸出的數(shù)據量很大(包括測試天線的自相關相位和幅度， 參考天線的自相關相位和幅度，測試天線和參考天線的互相關相位和幅度)。整個相關機的設計是在一塊帶有FPGA的PCI卡上實現(xiàn)，這里不再展開，詳細的設計可以參考文獻(王錦清等.微波全息測量中相關機的實現(xiàn)[C]，天文研究與技術，2010年第7卷第一期)。在測量過程中，主天線圍繞信號源的方向以不同的角度對信號源進行網格式掃描，如圖3所示NxN點的網格(掃描網格的多少與測量精度有關系)，而參考天線始終對著信號源。隨著掃描角度的變化，測試天線與固定的參考天線就會產生相位差，收集在各個位置點上的相位和幅度信息(也就是獲得了天線的遠場“全息圖”)，然后就可以通過公式推出主天線的表面形變。當然在實際的全息測量系統(tǒng)中在數(shù)據處理上要做大量的工作，可以概括為以下流程，如圖4所示。相關后數(shù)據信息來自硬件相關機輸出的互相關相位、幅度，以及兩天線的自相關幅度信息。主天線指向數(shù)據，指主天線在圍繞衛(wèi)星做掃描時實時記錄的時間、方位和俯仰信息，以及狀態(tài)信息。通過以上兩個數(shù)據，就可以把網格掃描狀態(tài)時的互相關相位信息準確提取出來(這個信息就是主天線的遠場信息)，這個時候也就可以給出數(shù)據質量評估的記錄數(shù)據，在網格數(shù)據校準好以后，根據天線遠場與口徑場的數(shù)學關系，就可以通過二維逆傅里葉變換把天線的口徑場信息從遠場信息求解出來，這樣就知道了口徑面的形變情況 (在成圖過程中就是面形梯度搜索、面形重構)。最后是統(tǒng)計信息和繪圖輸出。相關后數(shù)據信息由相關機送出，包含了雙通道帶內信號的幅度、相位、時間等信息，而主天線指向數(shù)據包含了天線的位置、時間、狀態(tài)等信息，這兩個文件通過時間信息可以聯(lián)系起來。在該全息測量系統(tǒng)中，基帶轉換器需要實現(xiàn)500MHz 4000MHz到基帶的單邊帶搬移功能，基帶的起始頻率為DC?；鶐У膸?、鏡像抑制是最重要的指標?；祛l通過接入本振和射頻信號可以實現(xiàn)頻譜的搬移，把本振頻率左右的信號搬移到基帶去，位于本振上面信號叫做上邊帶信號，位于本振下面的叫做下邊帶信號。但是直接的混頻會把本振的上下邊帶同時挪下來變成基帶信號，而無法分辨是上邊帶還是下邊帶。通過特殊的處理可以實現(xiàn)上下邊帶的分離后從兩個端口分別輸出基帶的上下邊帶信號，但是，由于器件等因素，兩個邊帶的信號總是發(fā)生隔離不徹底的現(xiàn)象，換句話說就是上邊帶的信號漏到了下邊帶端口，變成了下邊帶的鏡像信號；而下邊帶信號漏到了上邊帶端口變成了上邊帶的鏡像信號，這個漏過去的信號越小越好，這就用鏡像抑制能力來定量考核?，F(xiàn)有基帶轉換器采用正交解調器和模擬移相電橋來實現(xiàn)，通常情況下，用這種方式設計出來的基帶轉換器很難兼顧基帶的低頻段(因為低頻寬帶電橋很難設計)、寬帶特性(一般低頻電橋很難做到20KHz 20MHz帶寬)、很好的鏡像抑制特性，以及低廉的價格。單邊帶基帶轉換器的常規(guī)設計如圖5所示。圖5中主要有正交解調器和中頻電橋組成，整個過程就是為了實現(xiàn)單邊帶的混頻，LO是本振信號，RF是射頻信號，通過有關的數(shù)學分析可以知道，最后輸出的G和H端分別輸出Lo的上下邊帶信號，而且沒有鏡像頻率成分。電橋主要實現(xiàn)信號的90度移相和功率合成，比如E點和F電的信號通過中頻電橋后會在G點合成，合成過程中E的信號沒有相移，而F點信號相移了 90度；同樣H點也有合成后的信號，但是H點輸出的信號是E點移相90度，而F點沒有移相。前后省略了可調衰減器和放大器，因為這是采用商用元件實現(xiàn)的。G點和H點出來就是上、下單邊帶信號。但是通常G點和H點的起始頻率很難達到DC，一般都是幾十MHz。所有設計的難點就在中頻電橋上，目前商用中頻電橋尚沒有可以達到50KHz起始頻率，同時帶寬達到20MHz的。而中頻電橋的性能在很大程度上決定了最后基帶的鏡像抑制性能。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題在于提供一種能改善鏡像抑制性能的單邊帶基帶轉換器。一種單邊帶基帶轉換器，包括正交解調器，包括射頻信號輸入端和本振信號輸入端，以及兩個輸出端；中頻電橋，包括兩個輸入端和兩個輸出端，所述兩個輸入端與所述正交解調器的兩個輸出端分別相連；所述單邊帶基帶轉換器進行單邊帶混頻以使所述中頻電橋的兩個輸出端分別輸出所述本振信號的上、下邊帶信號。所述中頻電橋包括移相部分和信號合成部分，所述移相部分用于使來自所述中頻電橋的兩個輸入端的信號進行90度移相，所述信號合成部分用于使所述移相部分輸出的信號進行合成。所述移相部分包括分別與所述中頻電橋的兩個輸入端相連且由全通濾波器級聯(lián)構成的兩路移相電路。所述信號合成部分包括與所述兩路移相電路的輸出端相連的由運算放大器構成的加法器。所述信號合成部分還包括與所述兩路移相電路的輸出端相連的由運算放大器構成的減法器。本實用新型的單邊帶基帶轉換器與現(xiàn)有基帶轉換器相比在商用器件的基礎上做了改進設計，可以實現(xiàn)十分接近DC(0頻)的單邊帶信號(一般的商用單邊帶基帶起始頻率都從幾十MHz起始)，實現(xiàn)相對十分寬的基帶帶寬(20MHz)，擴大了基帶的可用范圍。減輕了后面數(shù)字化地成本和設計難度(因為IOOMHz采樣以內的數(shù)字系統(tǒng)很廉價)。

圖1示出了現(xiàn)有全息測量系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖；圖2示出了該全息測量系統(tǒng)中的相關機的原理圖；圖3示出了該全息測量系統(tǒng)中主天線的NxN點的網格式掃描圖；圖4示出了該全息測量系統(tǒng)中的數(shù)據處理流程圖；圖5示出了該全息測量系統(tǒng)中的基帶轉換器的示意圖；圖6示出了本實用新型單邊帶基帶轉換器中的單級全通濾波器的簡易模型圖；圖7示出了圖6所示模型中f改變時的單點頻相位移動示意圖；圖8示出了運放加法運算示意圖；圖9示出了本實用新型的單邊帶基帶轉換器中的中頻電橋的90度移相電路；圖10示出了圖9所示90度移相電路的仿真；圖11示出了本實用新型的單邊帶基帶轉換器中的中頻電橋的信號合成電路。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型進行詳細描述。本申請的單邊帶基帶轉換器的主要功能是實現(xiàn)500MHz 4000MHz到基帶的單邊帶搬移功能，基帶的起始頻率為DC。本實用新型的單邊帶基帶轉換器與現(xiàn)有基帶轉換器的不同之處不僅在于中頻電橋的設計，還采用了商用的IQ解調作為基帶轉換器的一部分，比現(xiàn)有的基帶轉換性能更優(yōu)。[0035]本實用新型的單邊帶基帶轉換器中，中頻電橋采用寬帶運放組成的多級(10級) 全通濾波器來完成，合成則采用運放的加法和減法功能實現(xiàn)。中頻電橋的功能與圖5中標有箭頭的射頻電橋(位于正交解調器內部)一樣，主要實現(xiàn)90度移相和加法的功能，比如G點的信號是E的信號與F點信號移相90度后相加結果；H點的信號是F點信號與E點信號移相90度后相加結果。單級全通濾波器可以實現(xiàn)單點頻移相的功能，包括90度移相，但不能實現(xiàn)中頻電橋所要求的寬帶(0 20MHz)移相。單級全通濾波器的簡易模型如圖6所示。當Rl = RF時；可以得到輸出電壓和輸入電壓之比Au為 y 1- jmRCAu = ~l + j(aRC，因此Au的模為1，也就是沒有增益特性；而相位為於=180°- 2arctg(J-)
JO其中/。=，因此，當f = fQ時，可以實現(xiàn)90度的相位移動，其中fQ是RC的諧
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振頻率，f是進入系統(tǒng)的可用信號頻率。而改變f就可以實現(xiàn)如圖7所示的單點頻相位移動?；谝陨蠁渭壧匦裕捎趂Q的確定是由RC決定的，因此，改變RC就可以實現(xiàn)不同 f0上的90度移相，如果把多級級聯(lián)起來就可以實現(xiàn)寬帶的移相。圖9示出了本實用新型的單邊帶基帶轉換器中的中頻電橋的90度移相電路。其中輸入E和F為輸入端口(分別對應圖5中頻電橋的E和F)，M和N為輸出端口(其是信號合成部分的輸入，見下文)，圖中寫出了各級RC產生的&。圖10是對圖9的移相電路的仿真，橫坐標是頻率，縱坐標是M和N的信號差，可以看到，在整個20MHz帶寬內都具有90度的移相功能(在高頻段和低頻段效果略差)，這是實現(xiàn)良好的鏡像抑制的關鍵指標。中頻電橋除了移相，還要實現(xiàn)兩路信號的合成，也就是兩路信號的功率合成，而信號合成采用運放加法運算，如圖8所示。本實用新型的中頻電橋的信號合成電路具體見圖 11所示，M和N是輸入端口(也就是前面移相電路的輸出口)，G和H是輸出端口(也就是圖5中的中頻電橋輸出口 )，分別輸出上邊帶和下邊帶信號。圖中G的輸出是通過把運算放大器搭成加法器來實現(xiàn)的，而H的輸出是通過把運算放大器搭成減法器來實現(xiàn)的。另外通過改變R38和R42還可以分別控制G和H輸出的增益。下面是采用本實用新型基帶轉換器最后測量得到的一組鏡像抑制性能表格
權利要求1.一種單邊帶基帶轉換器，其特征在于，包括正交解調器，包括射頻信號輸入端和本振信號輸入端，以及兩個輸出端；中頻電橋，包括兩個輸入端和兩個輸出端，所述兩個輸入端與所述正交解調器的兩個輸出端分別相連。
2.如權利要求1所述的單邊帶基帶轉換器，其特征在于，所述中頻電橋包括移相部分和信號合成部分，所述移相部分用于使來自所述中頻電橋的兩個輸入端的信號進行90度移相，所述信號合成部分用于使所述移相部分輸出的信號進行合成。
3.如權利要求2所述的單邊帶基帶轉換器，其特征在于，所述移相部分包括分別與所述中頻電橋的兩個輸入端相連且由全通濾波器級聯(lián)構成的兩路移相電路。
4.如權利要求3所述的單邊帶基帶轉換器，其特征在于，所述信號合成部分包括與所述兩路移相電路的輸出端相連的由運算放大器構成的加法器。
5.如權利要求4所述的單邊帶基帶轉換器，其特征在于，所述信號合成部分還包括與所述兩路移相電路的輸出端相連的由運算放大器構成的減法器。
專利摘要本實用新型提供了一種單邊帶基帶轉換器，包括正交解調器，包括射頻信號輸入端和本振信號輸入端，以及兩個輸出端；中頻電橋，包括兩個輸入端和兩個輸出端，所述兩個輸入端與所述正交解調器的兩個輸出端分別相連；所述單邊帶基帶轉換器進行單邊帶混頻以使所述中頻電橋的兩個輸出端分別輸出所述本振信號的上、下邊帶信號。與現(xiàn)有基帶轉換器相比在商用器件的基礎上做了改進設計，可以實現(xiàn)十分接近DC(0頻)的單邊帶信號(一般的商用單邊帶基帶起始頻率都從幾十MHz起始)，實現(xiàn)相對十分寬的基帶帶寬(20MHz)，擴大了基帶的可用范圍。減輕了后面數(shù)字化地成本和設計難度。
文檔編號H03D7/18GK202210799SQ20112016035
公開日2012年5月2日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權日2011年5月18日
發(fā)明者梁世光, 江永琛, 洪曉瑜, 王錦清, 范慶元, 虞林峰, 韋文仁 申請人:中國科學院上海天文臺