CN101419252B - 调制特征触发器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种触发脉冲发生器和触发方法，用来确定被测信号是否与调制特征匹配。该调制特征可以被提供为幅度特征、相位特征或两者。当被测信号的幅度值、相位值或两者与它们各自的调制特征相同时，误差计算值将接近零。如果这个值位于阈值内，那么生成触发信号或匹配的其它指示。

Description

调制特征触发器

技术领域

本发明的实施例涉及一种测试和测量仪器，更具体地说，基于检测标准提供触发信号。

背景技术

现在参见附图1(现有技术)，示出了一种实时频谱分析器10，具有输入处理器20，用来接收输入RF信号或其它感兴趣的信号。该输入处理器20典型地包括低通滤波器22，随后跟着混频器24，其利用本机振荡器26将已滤波的输入信号转换为中频(IF)信号。过带通滤波器28传送IF信号传递通并且然后输入到模拟数字(A/D)转换器30以为进一步的处理提供数字信号。该数字信号输入给数字IF正交处理器(digital IF quadrature processor)31以从数字信号中导出同相(I)和正交相(Q)信号。该I和Q信号输入到处理器32用于实时处理以在提供按照频率-时间显示的监视器34上显示。该I和Q信号还输入到采集存储器36和触发脉冲发生器40。当触发脉冲发生器40检测到事件时，生成触发脉冲，其导致采集存储器36保存触发事件前、后和/或触发事件过程中的数据用于随后的处理。随后的处理可以由处理器32执行，或者由附加的处理器执行(未示出)。该随后的处理可以被用于实时分析或非实时分析，例如后处理分析。该处理器32可以被实施为数字信号处理器(DSP)，ASIC，FPGA或通用处理器，例如用在通用计算机，或个人计算机中的处理器。

响应于限定触发事件的特定条件，触发脉冲发生器输出触发信号。所述的存储控制器根据触发信号来捕获I-Q数据。在一些实施例中，采集或捕获I-Q数据的行为通过保持已在存储器存储的数据而实施，这样在正常的采集过程中它不会被重写。在其它实施例中，I-Q数据可以从临时存储器传送到更永久性存储器或其它用于随后处理的存储介质。基于所希望的动作，响应于触发信号，来自触发信号前的某些过程、触发信号随后的某些过程、或其组合的I-Q数据可以被捕获或存储。在一些实施例中，对应于满足所限定触发事件的信号的I-Q数据也被捕获和存储。

术语触发通常可互换地指触发电路，触发信号，和一些实例中导致触发信号的信号事件类型。随着现代通信系统变得愈加复杂，触发器也变得越来越复杂。对识别多种信号或很少发生在信号中但可以存在很长时间的信号异常的要求日益增长。在这些系统中，尽管知道问题的存在，但是很难隔离或识别问题的来源。这尤其当问题是断续出现时尤为突出。可能不得不按小时或偶数天的顺序的长数据记录进行检测以尽可能地发现对应于事件的数据。

随着信号变得更复杂，时域上简单的电平触发器和频域上的平均频率屏蔽触发器不足以在更复杂的信号或信号异常上提供触发的能力。

发明内容

因此，提供一种测试和测量仪器，其包括调制特征(signature)触发器。该调制特征触发器提供一平均值用于输入信号和调制特征例如幅度特征或相位特征的比较。检测器将幅度值或相位值和相应的调制特征进行比较。当匹配被指示时，例如由阈值内生成的误差计算值指示，触发信号或其它指示被产生。在一些实施例中，基于触发信号，被测信号被捕获或采集。在其它实施例中，当匹配被指示时可以将一标记与所存储的信号数据相关。

附图说明

附图1(现有技术)以实时频谱分析器的形式示出测试和测量仪器。

附图2表示出采用幅度特征的调制特征触发器。

附图3A和3B表示出信号与特征的理想对比。

附图4表示出基于离散采样数据点的对比。

附图5表示出采用相位特征的调制特征触发器。

附图6表示出采用被测试信号的相位值与相位特征之间的差值的调制特征触发器。

附图7表示出如附图6所示的调制特征触发器，进一步提供幅度特征以提供加权系数。

附图8是基于幅度特征的本方法的一个实施例的流程图。

附图9是基于相位特征的本方法的一个实施例的流程图。

附图10是表示出将触发脉冲发生器用于后处理分析的框图。

具体实施方式

依据本发明的实施例，实时频谱分析器具有捕获或采集一组I和Q数据样本作为触发事件的结果的能力。在本触发系统的一个实施例中，触发事件可以基于幅度—相位数据组。用户可以在测量之前提供时域上所预期或所希望的波形并且仪器比较输入的数据样本并评估每个采样是否与给定的波形匹配。

附图2表示出基于比较幅度数据的触发脉冲发生器40。基于幅度数据的触发器非常适于在调幅信号(AM信号)内寻找特定的特征。在一个实施例中，幅度处理器52基于I信号和Q信号数据样本计算幅度以提供幅度值来与用户提供的波形比较。幅度值被提供给移位寄存器54，其移位幅度值使得其与用户提供或选择的幅度特征56进行比较。每次幅度值被移位，比较被进行以确定匹配的存在或不存在。这允许输入幅度在所希望的图形上被有效移动从而确定是否与所希望的幅度特征匹配。检测器58计算均方幅度误差的和。如果每一件事情是理想的并且输入信号完全与特征相同，那么幅度误差的结果将是零。然而，当处理实际信号时采用阈值，这样当结果充分接近零时比较器60生成触发信号。可以为仪器预定阈值，或可选地，用户可以设定阈值。如果阈值被设定过高，那么触发脉冲发生器40将因错误的肯定而被触发。如果阈值设定得过低，那么很可能遗漏所希望的信号。

当进行测量时，来自被测试信号(SUT)的幅度值不是非要处于与幅度特征相同的级别。可以相对于特征来对被测试信号进行按比例缩放，具有一些恒定的电平移动，或两者同时具备。因此，在本触发系统的实施例中，检测器58提供按比例缩放系数并按比例缩放幅度特征，这样输入信号和按比例缩放的幅度特征被匹配。在一个实施例中，估算按比例缩放系数以使得估计误差最小化(矢量e)。在另一个实施例中，估算移位级别以使得估计误差最小化。在进一步的实施例中，对按比例缩放系数和移位级别进行估算以使得估计误差最小化。在本发明的一个实施例中，采用最小平方估算器来寻找这个按比例缩放系数。例如，可以根据下面的公式来使得误差最小化：

$\left[\begin{array}{c}{y}_0\\ y_1\\ \\ \\ y_{N-1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{x}_0& 1\\ x_1& 1\\ & \\ & \\ x_{N-1}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{e}_0\\ e_1\\ \\ \\ e_{N-1}\end{array}\right]$

其中被采样信号是矢量y，特征是矢量x，按比例缩放系数是a，恒定水平移位或偏移量是b。这个误差还可以包括信号中的热噪声。在可选实施例中，输入信号被按比例缩放和/或偏移以匹配幅度特征。

附图3A和3B示出理想的对比以表示本发明实施例的基本操作。在附图3A中对应于被测试的理想信号的输入信号与可以是幅度或者是相位的调制特征进行比较。输入信号在特征上进行移动直到对应于调制特征的输入信号区域与调制特征对准为止，如附图3B所示。在这一点上，在理想的情况下，两个信号将完全匹配，生成零的误差计算值，然后其将被用来提供触发信号。在理想情况下，将采用连续时间信号和连续特征进行对比。实际上，这是不切实际的。当测量被测试信号时可能存在未知的因素例如按比例缩放和恒定水平移位，这是因为被测试信号并非由测量仪器生成，并且在某些情况下，用户不可能控制被测试信号的来源。此外，由于连续进行信号和特征的对比是不切实际的，因此对信号进行采样，生成一系列的点，然后将其与特征比较，如附图4所示。如附图3和4所示，输入的被测试信号在特征上移动直到检测到匹配为止，如果有的话。这个操作对应于附图2中对信号值进行移位的移位寄存器54。在新信号值被接收时这将允许输入信号被移位。在可选实施例中，可以提供被测试信号的一部分，并且特征可以被移位以定位匹配。

一旦发现匹配，就生成触发信号以识别或采集信号。在一些实施例中，被测试信号被作为I和Q信号写入采集存储器或其它存储器，并且触发信号使这个存储器被保存而不是重写。在进一步的实施例中，触发信号可能使采集存储器的相关部分存储到长期存储装置例如硬盘驱动器。根据设定，触发信号可能使触发引起事件之前、过程中和/或之后的信号信息被采集或保存。在本发明的实施例中，与引起触发信号的被测试信号的一部分相关的信号信息被采集。

在另一个实施例中，如附图5所示，采用相位信息作为触发的基础。这种类型的触发将有利于例如根据调频(FM)信号的特征的触发。上述幅度触发对FM信号是不够的，因为FM信号具有更恒定的幅度包络线。然而，可以采用相位信息为FM信号提供特征触发。如附图5所示，基于从被测试信号获得的I和Q输入信号而在相位处理器62中生成相位值。该相位值被提供给移位寄存器54，其对相位值进行移位，使得它们与可由用户提供或选择的相位特征66进行比较。每次移位相位值，都要进行比较以确定是否存在匹配。这使得输入的相位值被有效地在所希望的图形上移动以发现是否与相位特征存在匹配。检测器68提供对按比例缩放的相位特征的直线拟合并计算误差。如果每一件事情是理想的，那么当存在匹配时相位误差的结果将是零。然而，当处理实际信号时，采用阈值，这样当结果充分接近零时，比较器60生成触发信号。如前面与幅度特征触发相关的描述，可以为仪器预先设定阈值，或者用户可以定义阈值。

对于相位或频率调制信号，调制深度可以被按比例缩放或具有一些恒定水平移动。此外，在信号和特征之间可能存在频率偏移量。通过估算这些可能未知的参数以使得估计误差最小化，从而可与相位特征进行更好的比较。下面的关系可以被用来估算按比例缩放系数，频率偏移量，和恒定相移(或偏移量)：

$\left[\begin{array}{c}{y}_0\\ y_1\\ \\ \\ y_{N-1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{x}_0& t_0& 1\\ x_1& t_1& 1\\ & & \\ & & \\ x_{N-1}& t_{N-1}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}a\\ \mathrm{\Δf}\\ b\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{e}_0\\ e_1\\ \\ \\ e_{N-1}\end{array}\right]$

其中采样信号是矢量y，特征是矢量x，时间是矢量t，按比例缩放系数是a，频率偏移量是Δf，恒定相移(或偏移量)是b，和误差矢量是e。

如上所述，通过估算适当的比例、频率偏移量以及相移值对特征矢量x进行调整。如本领域的技术人员所理解的，替代地可以类似地估算相似值以按比例缩放信号矢量y。

如果信号的频率偏差是已知的，例如在最小移动键控(MSK)调制的情况下，那么本发明的可选实施例提供固定的按比例缩放系数a，以减少需要被估算系数的数目从而使得更加有效地获得精度。相位和频率偏移被用来从被测试信号中识别相位特征。如图6所示，从存储在移位寄存器中的相位值中减去相位特征66。检测器78执行对相位差的直线拟合并计算误差。如果相位特征和输入信号匹配，那么相位误差将接近零。当相位误差低于阈值时，比较器60将产生触发信号。

在上述与幅度特征和相位特征都相关的几个实施例中，计算直线拟合作为检测的一部分。在本发明的实施例中，利用最小二乘估算(LSE)确定直线。当作具有相同形式的实例公式：

y＝Hθ+e

通过最小二乘拟合可以估算参数矢量θ以最小化的平方误差。估算值是 $\widehat{\mathrm{\θ}}={\underset{\mathrm{\θ}}{\min }}^{e^{T}e},$ 对其求解得到公式：

$\widehat{\mathrm{\θ}}={\left(H^{T}H\right)}^{-1}{H}^{T}y$

作为结果的最小二乘误差(LSE)为 $\mathrm{LSE}=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{e_i}^2=y^T[I-H{\left(H^{T}H\right)}^{-1}{H}^T]y$

其中I是单位矩阵。最后，我们可以将LSE与给定的阈值进行比较以确定是否生成触发信号。

本发明的另一个实施例在附图7中示出。类似于上面与附图6相关的描述，相位差被用作检测器中的触发计算的基础。在本实施例中，幅度信息被用来为相位检测提供加权系数。利用幅度信息对相位检测加权是有用的，因为当幅度减小时相位信息中的噪声影响增加。一种避免不良信噪比影响的方式是对相应于更大信号幅度的值设置更大的加权，其有助于具有更好的信噪比。用来提供加权系数的幅度值由与相应的相位特征66有关的幅度特征80提供。在一个实施例中，使用加权最小二乘估算(WLSE)。更大的值与那部分具有更大幅度特征的信号相关，小幅度特征则相反，这是因为更大的信号具有更好的信噪比(SNR)。估算量

变为：

$\widehat{\mathrm{\θ}}={\underset{\mathrm{\θ}}{\min }}^{e^T\mathrm{We}}$

其中W是用于加权的非奇异对称矩阵，它通常是误差相关系数矩阵R的倒置。在这种情况下，如果我们假设所有的误差项彼此独立，那么对角项是幅度特征的平方值而其它项为零。如果幅度特征具有这样的形式：

m＝[m₀，m₁，...，m_N-1]^T，

那么矩阵W为

$W=\left[\begin{array}{cccc}{m}_0^2& 0& & 0\\ 0& m_1^2& & 0\\ & & & \\ 0& 0& & m_{N-1}^2\end{array}\right]$

估算值

为：

$\widehat{\mathrm{\θ}}={\left(H^T\mathrm{WH}\right)}^{-1}{H}^T\mathrm{Wy}$

其中y是相位差矢量。LSE可由如下获得：

附图8表示出一种采用调制特征例如幅度特征的方法来识别何时被测信号部分与特征匹配。如步骤810所示，获得被测信号的幅度值。这些值可以从输入信号获得，或者从存储介质获得。该幅度值可以直接被提供，或者通过基于其它格式例如I-Q数据值计算而获得。在步骤820中，幅度值被与幅度特征比较。在本方法的实施例中，该比较通过相对于幅度特征移动幅度值并在每次移动时进行比较以发现是否在阈值内存在匹配而实现。在一些实施例中，幅度值被移动，而在其它实施例中，幅度特征被移动。如虚线所示，步骤822和824是可选的。在步骤822中，调整缩放比例使得幅度值和幅度特征接近同一级别。这可以通过计算使得误差最小化计算值的比例值而实现。移动值可以与幅度值或幅度特征相关。类似地，在步骤824中，相对偏移量被计算。一旦已进行过比较，例如通过计算误差并将其与阈值比较，步骤830就会指示被测信号部分与幅度特征匹配。在第一实施例中，该指示通过生成触发信号而被提供。在可选实施例中，该指示通过使标记与对应于幅度特征的那部分幅度值相关而被提供。

附图9表示出一种采用调制特征例如相位特征的方法，以识别何时被测信号部分与特征匹配。如步骤910所示，被测信号的相位值被获得。这些值可以从输入信号获得，或从存储介质例如硬盘驱动器、USB驱动器、闪存等获得。可以直接提供相位值，或通过基于其它格式例如I-Q数据值计算获得。在步骤920中，相位值与相位特征比较。在一个实施例中，相位值和相位特征彼此直接进行比较，并执行误差计算。在可选实施例中，相位特征被从相位值中减去并且执行直线拟合以对彼此进行比较。在本方法的实施例中，该比较通过相对于相位特征移动相位值并在每次移动后进行比较以发现是否在阈值内存在匹配而实现。在一些实施例中，相位值被移动，而在其它实施例中，相位特征被移动。如虚线所示，步骤922，924，926和928是可选的。在步骤922中，调整调制深度的缩放比例以提供更好的对比。在第一实施例中，调整与相位特征相关的比例值。在第二实施例中，调整与相位值相关的比例值。类似地，在步骤924和926中，分别计算相对频率偏移或恒定相位偏移。此外，可以相对于相位特征或相位值进行计算。总之，在这些处理之后，相位值和相位特征之间的相对关系将最小化用来为比较提供的误差计算值。在步骤928中，基于对应于所应用的相位特征的幅度特征的加权系数通过提供降低信噪比假象的加权，被用来进一步降低误差计算值。一旦已进行了比较，例如通过计算误差并将其与阈值比较，步骤920就会指示被测信号的一部分与相位特征匹配。在第一实施例中，该指示通过生成触发信号而被提供。在可选实施例中，这个指示通过将标记与对应于相位特征的那部分相位值相关联而进行提供。

上述实施例涉及实时触发器，其由硬件实施，例如ASIC，FPGA或其它专用电路。通过以硬件实施，可以进行比较并且实时产生触发信号，这意味着可以在没有遗漏采样或降低采样速度的情况下生成触发器。在可选实施例中，这些结构和操作可以用在可编程处理器例如通用处理器，数字信号处理器或其它能运行软件的处理器上运行的软件实施。这使得为后处理分析来识别与调制特征的匹配。在进一步的实施例，其中已提供硬件实时执行这个操作，采用触发脉冲发生器电路40提供后处理分析。在这个实施例中，处理器32将来自于采集存储器36或其它存储器的数据提供给触发脉冲发生器40。如果发现了与调制特征的匹配，那么触发信号被用来提供与所存信号相关的标记。这可以如附图10所示，通过直接触发写给存储器而实施，或者通过提供通信路径(未示出)返回处理器32。

通过把相位特征与幅度特征进行结合，可以发现或者识别被测信号的特定方面。例如，可以通过将每个比较器触发信号进行“与”运算，把相位特征触发器与幅度触发器相结合，以在逻辑条件满足时提供作为结果的触发信号。可选地，触发器可以通过相位特征触发器与幅度特征触发器的“或”运算而被实施。

在进一步实施例中，可以按顺序实施上述特征触发器以得到复杂的触发器。第一触发器可以使用第一方法或第一特征，随后的触发器可以采用不同的方法或特征，以构建一触发系统，其能够发现包含更复杂的特征的被测信号的一部分。

调制特征触发器可以用于在符号序列中寻找符号图形。近期的数字调制采用相位信息来承载讯息。然而，绝对相位和绝对计时经常对接收器是未知的。为了确定绝对相位和时间，发现固定的符号图形是有用的。本发明的实施例简化了图形搜索。常规符号的符号图形搜索需要预备和比较所有可能的相位图形。特别是，如果调制类型是偏移式正交移相键控(OQPSK)，或者类似的调制类型，那么传统的特征搜索不得不考虑两种类型的解码特征序列：同步第一符号序列和正交相第一特征序列。本发明的实施例通过用半个符号准备所希望的符号特征来处理半符号移动。

Claims (16)

1.一种测试和测量仪器，包括：

信号输入，用来获得对应于被测信号的相位值；

检测器，用来将相位值与调制符号进行比较；和

比较器，用来当检测器的输出位于阈值内时生成触发信号，

其中，所述调制符号是相位符号，并且

该检测器比较被测信号的相位值和相位符号之间的差值。

2.权利要求1的测试和测量仪器，进一步包括移位寄存器，用来相对于调制符号移动被测信号。

3.权利要求1的测试和测量仪器，其中检测器基于对应于相位符号的幅度符号应用加权。

4.权利要求1的测试和测量仪器，其中信号输入从存储介质获得，并且检测器和比较器由处理器上运行的软件实施。

5.权利要求1的测试和测量仪器，其中输入信号从存储介质重新获得并采用作为触发脉冲发生器电路内硬件实施以提供后处理分析的检测器和比较器处理。

6.一种测试和测量仪器，包括：

信号输入，用来获得对应于被测信号的幅度值；

检测器，用来将幅度值与调制符号进行比较；和

比较器，用来当检测器的输出位于阈值内时生成触发信号，

其中，所述调制符号是幅度符号，并且

该检测器比较被测信号的幅度值和幅度符号之间的差值。

7.一种识别信号数据与调制触发匹配的方法，包括：

获得被测信号的相位值；

将相位值与调制符号进行比较；

指示被测信号的一部分与调制符号匹配，

所述调制符号是相位符号。

8.权利要求7的方法，其中调制符号是被调整比例的相位符号以降低与比较相位值和相位符号相关的误差值。

9.权利要求7的方法，其中调制符号是频偏的相位符号以降低与比较相位值和相位符号相关的误差值。

10.权利要求7的方法，其中调制符号是恒定相移的相位符号以降低与比较相位值和相位符号相关的误差值。

11.权利要求7的方法，其中比较相位值和调制符号的步骤进一步包括从相位值中减去相位符号以获得相位差信号。

12.权利要求11的方法，进一步包括计算相位差的直线拟合。

13.权利要求12的方法，进一步包括连同相位符号一起提供幅度符号并当计算直线拟合时基于幅度符号应用加权系数。

14.一种识别信号数据与调制触发匹配的方法，包括：

获得被测信号的幅度值；

将幅度值与调制符号进行比较；

指示被测信号的一部分与调制符号匹配，

所述调制符号是幅度符号。

15.权利要求14的方法，其中调制符号是被调整比例的幅度符号，以降低与比较幅度值和幅度符号相关的误差值。

16.权利要求14的方法，其中调制符号是幅度符号偏移以降低与比较幅度值和幅度符号相关的误差值。

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