CN102325058A - 一种变频系统群时延测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种变频系统群时延测试方法,由信号源生成载波为变频系统工作频带中心频率的FM载波调制信号,然后将该信号功分成两路,一路信号通过衰减器输入变频系统,经变频系统输出后通过衰减器作为第一A/D转换器的输入,另一路信号作为第二A/D转换器的输入,两个A/D转换器使用同一个参考时钟同步采样数据。随后对两路A/D采样后的数据分别进行希尔伯特变换、数字下变频、非相干解调,解调后得到的两路基带信号进行数字比相得到变频系统的群时延值。在变频系统工作带宽内改变FM载波调制信号的载波频率,重复以上处理,即可得到该频带内变频系统各频点的群时延测试结果,测量精度取决于系统热噪声、测试电缆的校准精度和A/D采样分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及一种变频系统群时延测试方法,用于变频系统群时延精密测量。
背景技术
群时延是描述变频系统相位频率特性的一个重要参量,是衡量连续信号通过变频系统相位线性度的重要指标。群时延不仅决定了系统或网络产生的信号传输时延的大小,而且与信号传输失真密切相关,对信号传输质量有很大影响。
目前关于变频系统群时延的测试方法主要是:
(1)基于矢量网络分析仪的方法。通常采用的方案是矢量混频器校准技术,采用校准混频器对基于矢量网络分析仪的测试系统进行校准,测量或校准过程中需要一个幅度和相位互易的校准混频器,变频系统输入/输出频率发生变化时,需要更换适合新频率变换关系的精密时延测试变频器,因此该方法对测试设备的要求较高,精密时延测试变频器的接入也会引入测量误差,而且本方法需要从变频系统提供一个本振信号,许多变频系统不能满足这个条件。
(2)基于载波调制的方法。该方法适应于变频系统无法为测试和时延标定系统提供本振信号的情况。当调制信号频率远小于载波频率,即满足窄带假设时,包络时延就可以近似表示群时延。调制法是通过由一个较低频率正弦波基带信号对射频载波调幅(AM)、调频(FM)或调相(PM)实现的。变频系统输入射频在一段频率上进行扫频,变频系统输出信号被解调,将解调信号的相位和原来的基带信号的相位比较。通常采用模拟的调制解调方式,测量误差大,测量精度大约在10ns~20ns左右,不能满足ns级精密测量的要求。文献“卫星群时延特性测量新方案的设计和实现”(刘彬、刘枫、刘崇华《航天器工程》2010年1月第19卷第1期)提出了一种用于卫星转发器群时延测量的方法,该方法中用低频信号对转发器输入微波信号进行FM调制,对低频信号和转发器输出下变频后的中频FM调制信号进行A/D采样,在数字域内完成FM解调和比相。该方法没有考虑FM调制器、转发器输出后的下变频器和数字滤波器的群时延特性,只能得到转发器的相对群时延,不能反映变频系统的实际群时延特性,而且测量结果中无法剔除FM调制器、下变频器群时延特性所带来的误差影响。另外该方法采用了相干解调技术,FM解调过程中的频率估计误差严重影响了时延测量精度。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供了一种占用硬件资源少、测量精度高、实现简便、通用性强的变频系统群时延测试方法,解决了变频系统精密测量群时延的问题。
本发明的技术解决方案是:一种变频系统群时延测试方法,步骤如下:
(1)利用扫频信号源产生一个频率为变频系统输入频带中心频率的单载波,同时利用低频信号源产生周期低频信号作为基带信号,通过FM调制器对单载波进行FM窄带调制,形成FM载波调制信号;
(2)将所述FM载波调制信号功分成两路,一路作为第一模数转换器的输入,另外一路经衰减后送至变频系统的输入端,经变频系统输出后的信号再次经衰减后作为第二模数转换器的输入;第一模数转换器和第二模数转换器采用同一个参考时钟控制,同步采样数据;
(3)分别对两个模数转换器的采样数据进行希尔伯特变换、数字下变频、数字域微分处理、包络检波以及初始相位校正,得到两路低频基带数字信号;
(4)对两路低频基带数字信号进行比相和2π模糊度消除,得到用采样点序号差值表示的两路低频基带数字信号之间的绝对时延,用采样点序号的差值乘以采样周期,再扣除衰减器和连接电缆的时延校准值,即可得到与所述变频系统输入频带中心频率对应的用时间表示的变频系统群时延;
(5)在变频系统工作频率带宽内改变FM载波调制信号的载波频率,重复步骤(1)~(4),得到变频系统工作频率带宽内各频率点的群时延测试结果。
所述步骤(2)中第一模数转换器和第二模数转换器单次数据处理所需要的连续采样时间长度大于一个调制的基带信号重复周期。
所述步骤(3)中进行初始相位校正时,如果采样频率为fs的模数变换器对中心频率为fc的FM信号使用欠采样,采样后的FM中心频率fFM满足:
fFM=n·fs-fc,0<fFM<fs/2,n为正整数
那么对在包络检波后输出的信号额外增加一个π弧度的初始相位进行修正,其它情况下初始相位修正量为0。
所述步骤(4)中2π模糊度的消除方法为:对于某个确定的中心频率,需要分别进行不同低频调制信号频率情况下的变频系统群时延测试,选择的基带信号频率成2分频关系,依次从高频基带到低频基带进行变频系统群时延测试,如果连续的两次测试结果变化小于2ns,则认为2π模糊度已经消除。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)本发明方法不需要引入对应频率变换关系的测试变频器,测试灵活、方便,而且不会引入测试变频器校准误差所带来的测量误差;
(2)本发明方法不需要从变频系统本体引出参考信号,因此可以满足各种变频系统测试需要;
(3)本发明方法采用数字域进行信号处理,每个采样点的序号是可以明确的,这样信号的处理过程中不存在信号处理时延所引入的测量误差;
(4)本发明中对采样数据进行希尔伯特变换,从而在复数的数字域进行变频处理,不使用滤波器,从而消除了滤波器带来的群时延影响。
(5)本发明方法中对数字FM信号采用微分处理和包络检波的非相干解调技术,从而消除了载波频率估计误差带来的时延测量误差。
(6)本发明方法是对变频系统输入输出的微波调制信号进行直接采样,理论的测量精度取决于采样频率,如果采样频率不低于10GHz,不考虑电缆和衰减器校正时延精度,采用本方法的测量精度可达0.1ns,因此本发明方法的测量精度高,能够满足变频系统群时延高精度测试要求。
附图说明
图1为本发明方法的原理图;
图2为本发明实施例1中变频系统输入信号频谱;
图3为本发明实施例1中变频系统输出信号频谱;
图4为本发明实施例1中调制信号为200kHz时的变频系统输入和输出解调后信号波形;
图5为本发明实施例1中调制信号为100kHz时的变频系统输入和输出解调后信号波形;
图6为本发明实施例1中调制信号为50kHz时的变频系统输入和输出解调后信号波形
图7为本发明实施例2中变频系统输入信号频谱;
图8为图7的局部放大图;
图9为本发明实施例2中调制信号为200kHz时的变频系统输入和输出解调后信号波形;
图10为本发明实施例2中调制信号为100kHz时的变频系统输入和输出解调后信号波形;
图11为本发明实施例2中调制信号为50kHz时的变频系统输入和输出解调后信号波形。
具体实施方式
如图1所示,为本发明方法的原理图。本发明方法的步骤如下:
(1)用扫频信号源产生一个单载波,单载波频率为变频系统输入频带中心频率,用低频信号源产生周期低频信号作为基带信号,通过FM调制器,对扫频信号源产生的单载波进行FM窄带调制,形成FM载波窄带调频调制信号;
(2)将FM载波窄带调制信号功分成两路,一路作为第一A/D转换器的输入;另外一路经衰减后送至变频系统的输入端,变频系统的输出信号经衰减后作为第二A/D转换器的输入,两个A/D转换器采用同一个参考时钟控制,进行同步采样数据。
根据变频系统输入/输出的工作频带选择A/D转换器的合适采样时钟频率,如果采样时钟电路和A/D转换器的工作频率能高于变频系统输入/输出的工作频带中最高频率的两倍以上,则采样频率选择为高于变频系统输入/输出的工作频带中最高频率的两倍以上,即采用过采样技术。如果要求采样时钟电路和A/D转换器的工作频率高于变频系统输入/输出的工作频带的两倍以上,对采样时钟电路和A/D转换器是不可以实现,或者实现代价太大,那么在这种情况下,采样频率可以低于变频系统输入/输出的工作频带,即采用欠采样技术,但是欠采样技术的应用必须保证采样的信号频谱不能混叠。例如要求群时延时延精密测量的精度目标为ns量级,则要求采样频率不低于10Gsa/s。另外,A/D转换器的单次处理需要的连续采样时间长度大于一个调制的基带信号重复周期,以便能否完整的恢复出一个周期的原始信号。
(3)分别对两个A/D转换器采样数据进行希尔伯特变换、数字下变频、数字域微分处理、包络检波以及初始相位校正。希尔伯特变换、数字下变频、数字域微分处理、包络检波均采用数字信号领域常用的处理方法。在进行初始相位校正时,如果采样频率为fs的A/D变换器对中心频率为fc的FM信号使用的欠抽样技术,即A/D采样后的FM中心频率fFM满足:fFM=n·fs-fc,0<fFM<fs/2,n为正整数,那么包络检波后输出的信号需要进行额外增加一个π弧度的初始相位进行修正,其他情况下,初始相位修正量为0。经过对包络检波后的信号进行初始相位校准得到两路低频基带数字信号。
(4)对两路低频基带信号进行比相和2π模糊度消除。为了消除比相过程中可能出现的2π模糊现象,对于某个确定的中心频率,需要分别进行不同低频调制信号频率情况下的变频系统群时延,选择的基带信号频率成2分频关系,依次从高频基带到低频基带进行变频系统群时延测试,如果连续的两次测试结果变化小于2ns,模糊度已经消除,此时的比相数值为最终比相结果,即采用采样点序号差值表示的两路低频基带数字信号之间的绝对时延,用采样点序号的差值乘以采样周期,再扣除衰减器和连接电缆的时延校准值,即可得到该中心频率情况下用时间表示的变频系统群时延;
(5)在变频系统工作频率带宽内改变FM载波调制信号的载波频率,重复步骤(1)~步骤(4),即可得到工作频率带宽内变频系统各频率点的群时延测试结果。
实施例1
模拟的变频系统的输入中心频率为1627.33MHz,对应的输出中心频率为3987.43MHz,设定的变频系统工作在中心频率时的群时延为700ns。
1、用扫频信号源产生一个单载波,单载波频率为1627.33MHz,用低频信号源产生周期低频信号作为基带信号,通过FM调制器,对扫频信号源产生的单载波进行FM窄带调制,形成FM载波调制信号,第一次采用的低频信号频率为200kHz,频偏常数为10000;
2、将FM窄带调制信号功分成两路,一路作为第一A/D转换器的输入;另外一路经衰减后送至变频系统的输入端,变频系统的输出信号经衰减后作为第二A/D转换器的输入,两个A/D转换器采用同一个参考时钟控制,进行同步采样数据,采用频率为20GHz,单次连续采样的时间为0.1ms,变频系统的中心频率1627.33MHz、带宽为5MHz的输入信号数字域频谱如图2所示,变频系统的中心频率3987.43MHz的输出信号数字域频谱如图3所示;
3、对两路数字域信号分别进行希尔伯特变换生成复数表示的信号,对两路复数表示信号进行微分、包络检波,从而得到两个低频信号;
4、由于采样频率为20GHz,对变频系统的输入和输出FM信号而言,为过采样,因此初始相位的修正量为0;
5、以变频系统输入的FM解调信号上升过零点开始取一个周期观察,则变频系统的输入解调信号和输出解调信号如图4所示,输出解调信号相对输入解调信号延时14000个样本点;
6、改变低频调制信号的频率为100kHz,重复2~5的步骤,变频系统的输入解调信号和输出解调信号如图5所示,得到输出解调信号相对输入解调信号延时也是14000个样本点。
7、改变低频调制信号的频率为50kHz,重复2~5的步骤,变频系统的输入解调信号和输出解调信号如图6所示,得到输出解调信号相对输入解调信号延时也是14000个样本点。
8、不同调制信号频率情况下得到的延时一致,说明不存在整周的模糊,这时工作在中心频率情况下变频系统包括功分器、电缆的群时延为14000×(1/20)=700ns,与设置相同。
9、整个变频系统输入工作频带内,步进改变扫频信号源输出的中心频率,重复以上过程,得到工作频带内所有频点的时延,从而得到变频系统在该工作频带内的群时延。
实施例2
模拟的变频系统的输入中心频率为1627.33MHz,对应的输出中心频率为16.5GHz,设定的变频系统工作在中心频率时的群时延为700ns。
1、用扫频信号源产生一个单载波,单载波频率为1627.33MHz,用低频信号源产生周期低频信号作为基带信号,通过FM调制器,对扫频信号源产生的单载波进行FM窄带调制,形成FM载波调制信号,第一次采用的低频信号频率为200kHz,频偏常数为10000;
2、将FM窄带调制信号功分成两路,一路作为第一A/D转换器的输入;另外一路经衰减后送至变频系统的输入端,变频系统的输出信号经衰减后作为第二A/D转换器的输入,两个A/D转换器采用同一个参考时钟控制,进行同步采样数据,采用频率为20GHz,单次连续采样的时间为0.1ms,变频系统的中心频率1627.33MHz、带宽为5MHz的输入信号数字域频谱如图2所示,中心频率为16.5GHz的变频系统输出信号数字域频谱如图7所示,图8为图7的局部放大图;
3、对两路数字域信号分别进行希尔伯特变换生成复数表示的信号,对两路复数表示信号进行微分、包络检波,从而得到两个低频信号;
4、采样频率为20GHz,对变频系统的输入FM信号而言,为过采样,因此,初始相位的修正量为0;对中心频率为16.5GHz的变频系统输出,数字域所采用的信号中心频率为20GHz-16.5GHz=3.5GHz,调制信号引起中心频率为16.5GHz的原始FM信号发生瞬时频率增加时,数字域中心频率为3.5GHz的FM信号则发生瞬时频率递减,因此变频系统输出FM信号解调后的信号必须反相处理;
5、以变频系统输入的FM解调信号上升过零点开始取一个周期观察,则变频系统的输入解调信号和输出解调信号如图9所示,输出解调信号相对输入解调信号延时14000个样本点;
6、改变低频调制信号的频率为100kHz,重复2~5的步骤,变频系统的输入解调信号和输出解调信号如图10所示,得到输出解调信号相对输入解调信号延时也是14000个样本点;
7、改变低频调制信号的频率为50kHz,重复2~5的步骤,变频系统的输入解调信号和输出解调信号如图11所示,得到输出解调信号相对输入解调信号延时也是14000个样本点;
8、不同调制信号频率情况下得到的延时一致,说明不存在整周的模糊,这时工作在中心频率情况下变频系统包括功分器、电缆的群时延为14000×(1/20)=700ns,与设置相同;
9、整个变频系统输入工作频带内,步进改变扫频信号源输出的中心频率,重复以上过程,得到工作频带内所有频点的时延,从而得到变频系统在该工作频带内的群时延。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (4)
1.一种变频系统群时延测试方法,其特征在于步骤如下:
(1)利用扫频信号源产生一个频率为变频系统输入频带中心频率的单载波,同时利用低频信号源产生周期低频信号作为基带信号,通过FM调制器对单载波进行FM窄带调制,形成FM载波调制信号;
(2)将所述FM载波调制信号功分成两路,一路作为第一模数转换器的输入,另外一路经衰减后送至变频系统的输入端,经变频系统输出后的信号再次经衰减后作为第二模数转换器的输入;第一模数转换器和第二模数转换器采用同一个参考时钟控制,同步采样数据;
(3)分别对两个模数转换器的采样数据进行希尔伯特变换、数字下变频、数字域微分处理、包络检波以及初始相位校正,得到两路低频基带数字信号;
(4)对两路低频基带数字信号进行比相和2π模糊度消除,得到用采样点序号差值表示的两路低频基带数字信号之间的绝对时延,用采样点序号的差值乘以采样周期,再扣除衰减器和连接电缆的时延校准值,即可得到与所述变频系统输入频带中心频率对应的用时间表示的变频系统群时延;
(5)在变频系统工作频率带宽内改变FM载波调制信号的载波频率,重复步骤(1)~(4),得到变频系统工作频率带宽内各频率点的群时延测试结果。
2.根据权利要求1所述的一种变频系统群时延测试方法,其特征在于:所述步骤(2)中第一模数转换器和第二模数转换器单次数据处理所需要的连续采样时间长度大于一个调制的基带信号重复周期。
3.根据权利要求1所述的一种变频系统群时延测试方法,其特征在于:所述步骤(3)中进行初始相位校正时,如果采样频率为fs的模数变换器对中心频率为fc的FM信号使用欠采样,采样后的FM中心频率fFM满足:
fFM=n·fs-fc,0<fFM<fs/2,n为正整数
那么对在包络检波后输出的信号额外增加一个π弧度的初始相位进行修正,其它情况下初始相位修正量为0。
4.根据权利要求1所述的一种变频系统群时延测试方法,其特征在于:所述步骤(4)中2π模糊度的消除方法为:对于某个确定的中心频率,需要分别进行不同低频调制信号频率情况下的变频系统群时延测试,选择的基带信号频率成2分频关系,依次从高频基带到低频基带进行变频系统群时延测试,如果连续的两次测试结果变化小于2ns,则认为2π模糊度已经消除。
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