CN101701988A - 一体化便携式多通道相位相干信号分析仪 - Google Patents

Abstract

一体化便携式多通道相位相干信号分析仪，包括以下部件：时钟发生模块为射频信号源模块和本振信号源模块提供参考时基信号；射频信号源模块产生射频激励信号给相干信号产生模块；相干信号产生模块通过输出接口输出4路相干的射频激励信号；本振信号源模块产生相干的本振信号给相干接收机模块；相干接收机模块从输入接口获取4路被测信号，并处理后转发给主控计算机；主控计算机调用频率跟踪算法模块和误差校准及修正算法模块完成对被测信号的最终处理。本发明所述的分析仪体积小、成本低、测试过程简单，具有矢量误差校准和修正功能，保证了多通道相位和幅度差测量的准确度，降低了测试成本，缩小了测试时间，提高了测试灵活度及测试精度。

Description

一体化便携式多通道相位相干信号分析仪

技术领域

本发明涉及相位相干信号分析测量技术，具体的说是一体化便携式多通道相位相干信号分析仪。

背景技术

空间功率合成是基于多路相干电磁辐射信号在空间实现相干叠加，用多路小功率辐射信号合成大功率辐射信号的一种方法，该技术很好的解决了要求辐射功率无限大和器件输出功率有限之间的矛盾，功率合成技术一经提出，便广泛应用于各种大功率发射源和高灵敏度接收机的设计方案中，取得了很好效果。理论上来讲，对N路相干辐射信号在空间某点合成后功率主要取决于每路信号到达该点的幅度和相位，即对N路信号在该点进行矢量和。为了在空间某点取得良好的合成效果，N路辐射信号到该点的相位必须同相，在空间不同位置测量多路信号的幅度和相位一致性，多年来一直是工程技术人员不断探索和研究的主要课题。

图1是空间功率合成的原理框图，包括4个发射通道，每个通道包括依次连接的信号源、隔离器、移相器、衰减器、功率放大器和辐射天线，天线辐射出的四路信号完全相干，通过调整每个信号源的输出相位，可改变空间合成功率分布，为了获得最佳合成功率效果，需要在四个辐射天线的同一位置处对四路辐射信号的幅度和相位一致性进行精确测量，以获得四路功率信号的幅度一致性和相位一致性。目前，在多通道相位相干信号分析方面，主要分析方法有高性能示波器法、矢量信号分析仪法和矢量网络分析仪法三种。

高性能示波器法是对被测多路信号同时进行高速A/D转换，在时域同步显示被测信号间的相位关系。由于是采用宽带接收技术，导致测量精度较差，很容易受到抖动的影响。

矢量信号分析仪法的原理是对多路被测信号进行下变频，得到中频信号，然后对该中频信号A/D采样，得到数字中频信号，最后对数字中频信号进行I/Q解调，计算出每一路被测信号的相位和幅度信息，从而得到多路被测信号相位和幅度的相对关系。比高性能示波器法测量精度略高，但由于其内部结构复杂，尤其是下变频模块和共时钟A/D模块较贵，成本很高，并且不具有误差修正和校准功能，也无法满足对多个被测网络进行相位和幅度一致性的分析，因此不适合作为专用的多通道相位相干信号分析设备。

矢量网络分析仪法中被测信号的接收和分析部分的基本原理和矢量信号分析仪法相同，除此之外，矢量网络分析仪法还可以完成被测网络之间相位和幅度一致性的测量分析，即自身可输出2路相位相干的信号作为激励，通过比较多个被测网络对激励的不同响应，得出多个被测网络之间对相位和幅度改变的相对关系。是这三种测量方法中测量精度最高的，但对多通道信号的相位关系测量中仍缺少专用的误差修正和校准功能；若要实现对被测网络相位和幅度一致性的分析，需要用到额外的一台射频信号源，或者利用矢量网络分析仪自身的2路相干信号输出作为激励信号，而这两种配置模式增加了测试仪器的体积、测试复杂度和测试成本。而且本方法没有频率跟踪技术，对频率已知信号可以测量，但无法实现对未知信号频率的跟踪测试。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种一体化便携式多通道相位相干信号分析仪，体积小、成本低、测试过程简单，具有矢量误差校准和修正功能，保证了多通道相位和幅度差测量的准确度，降低了测试成本，缩小了测试时间，提高了测试灵活度及测试精度。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一体化便携式多通道相位相干信号分析仪，其特征在于包括以下部件：

时钟发生模块，分别连接至射频信号源模块和本振信号源模块，提供参考时基信号；

射频信号源模块，基于参考时基信号产生射频激励信号，输出至相干信号产生模块；

相干信号产生模块，将输入的1路射频激励信号处理为4路相干的射频激励信号，然后由分析仪的输出接口输出；

本振信号源模块，基于时基参考信号产生相干的本振信号，输出至相干接收机模块；

相干接收机模块，从分析仪的输入接口获取4路被测信号，并将处理好的被测信号通过系统总线发送给主控计算机；

主控计算机，作为分析仪的核心控制，通过系统总线连接除相干信号产生模块之外的其余各个模块，主控计算机模块通过系统总线调用频率跟踪算法模块和误差校准及修正算法模块完成对被测信号的最终处理。

本发明所述的一体化便携式多通道相位相干信号分析仪，体积小、成本低、测试过程简单，具有矢量误差校准和修正功能，保证了多通道相位和幅度差测量的准确度，降低了测试成本，缩小了测试时间，提高了测试灵活度及测试精度。

附图说明

本发明有如下附图：

图1空间功率合成的原理框图

图2本发明的基本组成方案框图

图3矢量误差校准模型1

图4矢量误差校准模型2

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

图2为本发明的基本组成方案框图，本发明采用一体化便携式机箱结构，内部电路采用模块化设计，包括以下部件：

时钟发生模块，分别连接至射频信号源模块和本振信号源模块，提供参考时基信号；时钟发生模块由振荡器和锁相电路构成，为射频信号源模块和本振信号源模块产生参考时基信号；

射频信号源模块，基于参考时基信号产生射频激励信号，输出至相干信号产生模块；射频信号源模块的内部集成振荡器、倍频器、放大器和衰减器电路，通过系统总线与主控计算机连接，在主控计算机的控制下，基于参考时基信号，产生1MHz至20GHz频率的连续波射频激励信号，输出至相干信号产生模块；

相干信号产生模块，将输入的1路射频激励信号处理为4路相干的射频激励信号，然后由分析仪的输出接口输出；

本振信号源模块，基于时基参考信号产生相干的本振信号，输出至相干接收机模块；本振信号源模块与射频信号源模块在功能和构成上相同，基于时基参考信号产生射频本振信号，输出至相干接收机模块；

相干接收机模块，从分析仪的输入接口获取4路被测信号，并将处理好的被测信号通过系统总线发送给主控计算机；相干接收机模块的内部为四个完全相同的接收机模块，由功分、衰减、放大和混频电路构成，完成对射频本振信号的一分四，对分析仪输入信号的降频及数字化处理，在主控计算机的控制下，通过系统总线将处理好的数字信号发送给主控计算机；

主控计算机，作为分析仪的核心控制，通过系统总线连接除相干信号产生模块之外的其余各个模块，主控计算机模块通过系统总线调用频率跟踪算法模块和误差校准及修正算法模块完成对被测信号的最终处理。主控计算机在硬件上包括中央处理器、内存、硬盘、显示和外部输入输出接口电路，软件上主要包括对除相干信号产生模块之外的其余各个模块的控制程序和频率跟踪算法以及误差校准及修正算法。主控计算机根据用户的操作结合上述所有模块和软件程序，完成分析仪对相干信号的分析功能。本发明具有测量功能的双重性，可以测量多路信号的相位和幅度一致性，也可以测量多个被测网络相位和幅度响应的一致性。分析仪的内部具有多个相干接收机通道，同时完成对多路相干宽带射频信号的矢量分析和计算。可以输出多路相位相干信号，作为多路网络的激励信号。具有频率跟踪锁定功能，即在外部被测信号准确频率未知的情况下，完成对信号相位和幅度一致性的分析。具有专有的多通道矢量误差修正及校准算法，以保证幅度及相位测量的准确度。

本发明的基本原理是：在信号测量模式下，基于误差校准和修正算法，利用4通道的相干接收机模块实现对4路被测信号相位和幅度差的测量，并在特殊测试条件下，使用频率跟踪算法获取被测信号的准确频率；在网络测量模式下，由仪器内部的射频信号源模块和相干信号产生模块配合产生3路(共4路相干信号，其中1路相干信号在网络测量模式下用作仪器内部参考信号，直接送入4通道的相干接收机模块)相干的射频信号，同时对3个被测网络施加激励，通过测量这3个被测网络的响应信号，得出这3个被测网络之间在相位和幅度上对激励信号响应的不一致性。所有测量过程及算法均由主控计算机通过系统总线控制实现。

时钟发生模块作为相干多通道信号发生和测试的频率和时间基准，实现仪器内部射频信号和本振信号的同步，并可通过提供或接收外部时钟信号，将该仪器与被测信号同步，以上功能提高了测试信号频率的准确度，保证测试精度，并可以根据不同要求与其他仪器灵活的构成不同的测试方案。

本振信号源可锁定在内部时基或外部时基上，和4个接收机构成相干的接收通道，实现对相干被测信号的下变频，该仪器工作在信号测量模式下时，本振信号源通过时钟发生模块锁定在被测信号提供的时基上，当被测信号不提供时基时，利用仪器的频率跟踪功能，使本振信号源锁定在正确的频率上；当工作在网络测量模式下时，本振信号源通过时钟发生模块锁定在内部时基上。

射频信号源锁定在内部时钟发生产生的时基上，通过相干信号产生模块输出4路相位相干的射频信号，在主控计算机控制下产生以点频、频率步进或频率列表形式输出的激励信号，以满足不同的测试要求。

主控计算机实现人机交互，完成各种信息状态的显示，各种数据运算和处理，提供操作向导，通过系统接口把计算机标准总线转换成本地总线，实现对时钟发生、射频信号源、本振信号源、接收机通道及其与测试装置的控制。

除去随机噪声误差外，在多通道混频接收机的测试数据中，最明显的误差是由各个通道在各个频率点的幅度响应和相位响应的不相同所引起的，为保证测到的数据能真实反映被测网络的各个通道之间或多个被测信号之间的相位和幅度的真实特性，就必须对该仪器的信号发生部分和多个接收机通道进行校准，并对其系统误差进行矢量误差修正。

由于仪器有两种工作模式，针对不同的工作模式使用不同的校准方法，在网络测量模式下，通过测试并比较测试激励信号与参考信号间的关系可得到测试通道与参考通道间的幅相特性，这种工作模式拟选用归一化校准方法，校准简单易行。在通道测试模式下，用一个信号源和一个一分三功分器进行两次连接两次测量就可完成对三个接收机通道的校准，误差校准模型如图3所示。

为简化过程，不考虑幅度，设功分器三路相移分别为，

仪器接收机通道A、B、C的相移分别为

当第一次连接(如图3)时，在任意时刻点上，A、B、C三通道的测量相位值为：

如图4进行第二次连接，在任意时刻点上，C、A、B三通道相位的测量值为：

通过求解上述6个方程，可以得到功分器3路之间的相差和接收机3个通道之间的相差，即误差修正参数，利用该数据进行系统校准即可保证测试的准确度。分析仪内部的误差校准和修正技术基于上述模型，通过软件编程，在测试中通过主控计算机调用，自动完成误差校准和修正功能。

频率跟踪功能由主控计算机通过系统总线调用频率跟踪算法实现，该算法先设置分析仪的接收机工作在线性频率扫描模式下，搜索到被测信号，获得被测信号的大致频率，再设置分析仪工作在点频的扫描模式下，通过分析仪输出信号与被测信号相位的比值测量，计算出这两个信号之间的频率差Δf＝Δphase/360*Δtime。由此分析仪来完成对未知信号频率的获取。

本发明所述分析仪的优点是采用一体化便携式结构设计，利用4个相干接收机通道，在误差校准和修正技术的基础上完成对4路相干信号相位和幅度差的测量。在信号测量模式下，该仪器具有频率跟踪功能，可以在一定条件下跟踪并锁定被测信号的频率，即在外部被测信号不提供时基的条件下完成相干信号分析，以满足特殊的测试需求。在网络测试模式下，该仪器自身可输出3路相位相干的射频信号作为激励，同时测量3个被测网络在相位和幅度上响应的不一致性。

综上所述，本发明具有信号测量和网络测量模式，优异的测量精度，灵活的使用方法，一体化的结构设计，携带方便以及成本低的优点。该仪器可以同时测量4路相干信号的相位和幅度一致性(工作在信号测量模式)；也可以同时对3个被测网络施加相干的激励信号，测量被测网络之间相位和幅度响应的一致性测量(工作在网络测量模式)。目前尚无专用的多通道相位相干信号分析测量设备。

本发明解决了目前利用多台仪器、设备组成多通道相位相干测试系统带来的体积庞大、成本昂贵、测试过程复杂等问题。同时该仪器具有的矢量误差校准和修正功能，保证了多通道相位和幅度差测量的准确度。本发明主要用于对电子设备的性能测试与维修保障测试，对多路功率合成效果进行测试与评估，可以降低测试成本，缩小测试时间，提高测试灵活度及测试精度。

Claims (1)

1.一体化便携式多通道相位相干信号分析仪，其特征在于包括以下部件：

时钟发生模块，分别连接至射频信号源模块和本振信号源模块，提供参考时基信号；

射频信号源模块，基于参考时基信号产生射频激励信号，输出至相干信号产生模块；

相干信号产生模块，将输入的1路射频激励信号处理为4路相干的射频激励信号，然后由分析仪的输出接口输出；

本振信号源模块，基于时基参考信号产生相干的本振信号，输出至相干接收机模块；

相干接收机模块，从分析仪的输入接口获取4路被测信号，并将处理好的被测信号通过系统总线发送给主控计算机；

主控计算机，为分析仪的核心控制，通过系统总线连接除相干信号产生模块之外的其余各个模块，主控计算机模块通过系统总线调用频率跟踪算法模块和误差校准及修正算法模块完成对被测信号的最终处理。

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