CN104734788A - 一种用于多通道幅相测试系统的频偏校正装置及校正方法 - Google Patents

一种用于多通道幅相测试系统的频偏校正装置及校正方法 Download PDF

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王帅
杜昌澔
涂水平
罗婧
戴计博
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赵文静
杨骁�
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Abstract

本发明涉及一种用于多通道幅相测试系统的频偏校正装置及校正方法，属于微波信号测量领域。本发明方法首先对接收的扩频多波束信号进行模数转换得到数字信号后进行下变频以及匹配滤波处理，然后进行频偏一次估计得到频偏粗校准值fr1，用fr1对本振频率fr进行补偿后再对接收的扩频多波束信号进行模数转换后得到的数字信号依次经下变频、匹配滤波、码捕获和相关峰解算后进行频偏二次估计得到频偏细校准值fr2，用fr2对经过粗校准的本振频率fr+fr1继续补偿，此后系统即可以校准后的频率fr+fr1+fr2对接收信号进行后续处理。对比传统技术，本发明通过粗校准和细校准两次频偏估计进行频偏校正，同时满足校准频偏范围大和精度高的双重要求。

Description

一种用于多通道幅相测试系统的频偏校正装置及校正方法
技术领域
本发明涉及一种频偏校正装置及校正方法，特别涉及一种用于多通道幅相测试系统的频偏校正装置及校正方法，属于微波信号测量领域。
背景技术
直接序列扩频(DSSS)具有抗多径衰落、抗干扰能力强，发射功率低，截获率低，保密性好等特点。随着IEEE802.15.4标准的制定，直接序列扩频成为无线传感器网络底层通信模式之一，其广泛的应用于军事，工农业控制，环境检测等诸多领域中。
多通道幅相测试系统基于DSSS，应用于数字波束成形的天线阵列的幅相一致性测试，多通道幅相测试系统具有测试精度要求高、码元速率低的特点，所以多通道幅相测试系统对于频偏特别敏感。系统码元速率为4.8828Hz，当系统无频偏时，测试精度能达到幅度小于0.1dB，相位小于1°；当频偏大于0.1Hz时，幅度测试精度大于0.1dB，相位测试精度大于1°，导致系统测试精度不达标；当频偏大于3Hz时，会导致系统无法捕获相关峰，从而无法正常测试。所以微小的频偏对于多通道幅相测试系统的影响是致命的，而实际系统需要校准的频偏范围大，并且校准精度要求达到0.001Hz，而现有的频偏校准技术不能兼顾校准大频偏的同时校准精度均达到0.001Hz。
发明内容
本发明的目的是为解决现有频偏校准技术无法同时满足校准范围大和精度高的问题，提出了一种用于多通道幅相测试系统的高精度频偏校正装置及校正方法，通过校正被测件与本振的频偏来提高多通道幅相测试系统的测试精度。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种用于多通道幅相测试系统的频偏校正装置，包括模数转换模块、下变频模块、匹配滤波模块、码捕获模块、相关峰解算模块、频偏一次估计模块、频偏二次估计模块和频偏补偿选择模块；模数转换模块连接下变频模块，下变频模块连接匹配滤波模块，匹配滤波模块分别连接码捕获模块和频偏一次估计模块，频偏一次估计模块接频偏补偿选择模块，码捕获模块连接相关峰解算模块，相关峰解算模块连接频偏二次估计模块，频偏二次估计模块连接频偏补偿选择模块，频偏补偿选择模块连接下变频模块。
所述模数转换模块用于将输入的模拟信号转换为数字信号；
所述下变频模块用于使用预设频率对输入信号进行混频和高频信号滤除处理得到I路和Q路两路信号；
所述匹配滤波模块用于对输入信号进行匹配滤波；
所述码捕获模块用于对输入信号进行相关运算和相关峰检测，得到相关峰信号；
所述相关峰解算模块用于对输入的I、Q两路的相关峰进行解算得到码元中的相位信息；
所述频偏一次估计模块用于将输入的I、Q两路信号合为一路信号，并对该信号做傅立叶变换后进行频偏粗校准，得到频偏粗校准值；
所述频偏二次估计模块用于根据输入信号相邻码元的相位信息进行频偏细校准，得到频偏细校准值；
所述频偏补偿选择模块用于选择输入的频偏粗校准值和频偏细校准值两个频率中的一个对所述下变频模块当前频率进行补偿。
一种用于多通道幅相测试系统的频偏校正方法，其步骤如下：
步骤一、系统接收扩频多波束信号；
步骤二、将接收的扩频多波束模拟信号经过模数转换得到数字信号，并对该信号通过以下过程进行频偏粗校准：
首先将所述数字信号按照预设频率fr进行下变频得到I路和Q路两路信号，然后将I路和Q路两路信号分别进行匹配滤波处理后进行频偏一次估计得到频偏粗校准值fr1，最后使用fr1对预设频率fr进行补偿；
作为优选，所述频偏一次估计过程如下：首先将I、Q两路信号按照公式(I+jQ)2进行运算，然后将运算得到的信号进行傅立叶变换得到信号的频谱，频谱中幅度最大的位置对应的频率即为频偏粗校准值fr1，其中j表示虚数单位；
所述使用fr1对预设频率fr进行补偿，具体如下：
fr＝fr+fr1；
步骤三、系统按照经过步骤二粗校准后的频率对接收的扩频多波束信号经过模数转换后的数字信号通过以下过程进行频偏细校准：首先对所述数字信号按照校准后的频率依次进行如步骤二所述下变频和匹配滤波，然后对信号进行码捕获，得到相关峰信号，接下来对I、Q两路信号的相关峰按照公式进行解算得到相位信息最后根据相位信息进行频偏二次估计得到频偏细校准值fr2，并使用fr2对当前频率再次进行补偿；其中n表示第n个码元，n为大于等于1的整数，表示第n个码元中的相位信息。
作为优选，所述频偏二次估计过程如下：首先计算邻近码元的相位差然后再根据相位差以及邻近码元的时间间隔τ按照如下公式进行计算得到频偏细校准值fr2：
所述邻近码元为间隔k个码元的两个码元，其中k为大于等于0的整数。
经过上述步骤即完成了被测件与本振的频偏的校正，此后在进行下变频时即可以经过两次校正后的频率fr+fr1+fr2对信号进行处理。
有益效果
对比现有技术，本发明通过采用两级校准的方法，使用粗校准和细校准两次频偏估计来实现系统的频偏校正，粗校准能估算的频偏范围大，细校准估算的频偏精度高，所以首先通过粗校准将大范围频偏校准到1Hz以下，然后通过解算驻留期间频偏引入的相位差进行频偏细校准从而将频偏校准精度降低到0.001Hz。
附图说明
图1是本发明实施例一种用于多通道幅相测试系统的频偏校正装置结构示意图。
图2是本发明实施例一种用于多通道幅相测试系统的频偏校正方法流程示意图。
图3是本发明实施例中频偏一次估计流程示意图。
图4是本发明实施例中频偏二次估计流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1
作为本发明目的的一种实现方式，如图1所示是一种用于多通道幅相测试系统的频偏校正装置结构示意图，由图中可以看出，该校正装置包括模数转换模块、下变频模块、匹配滤波模块、码捕获模块、相关峰解算模块、频偏一次估计模块、频偏二次估计模块和频偏补偿选择模块；其中模数转换模块连接下变频模块，下变频模块连接匹配滤波模块，匹配滤波模块分别连接码捕获模块和频偏一次估计模块，频偏一次估计模块接频偏补偿选择模块，码捕获模块连接相关峰解算模块，相关峰解算模块连接频偏二次估计模块，频偏二次估计模块连接频偏补偿选择模块，频偏补偿选择模块连接下变频模块。
所述模数转换模块用于将输入的模拟信号转换为数字信号；
所述下变频模块用于使用预设频率对输入信号进行混频和高频信号滤除处理得到I路和Q路两路信号；
所述匹配滤波模块用于对输入信号进行匹配滤波，匹配滤波模块可使用方波成形滤波器、根升余弦滤波器等，本装置采用根升余弦滤波器；
所述码捕获模块用于对输入信号进行相关运算和相关峰检测，得到相关峰信号；
所述相关峰解算模块用于对输入的I、Q两路信号的相关峰进行解算得到码元中的相位信息；
所述频偏一次估计模块用于对输入信号做傅立叶变换进行频偏粗校准；
所述频偏二次估计模块用于根据输入信号相邻码元的相位信息进行频偏细校准；
所述频偏补偿选择模块用于选择输入的两个信号中的一个对所述下变频模块当前频率进行补偿。
实施例2
作为本发明目的的另一种实现方式，如图2所示是一种用于多通道幅相测试系统的高精度频偏校正方法流程示意图，由图2可见，多通道幅相测试系统接收端接收的扩频多波束模拟信号首先需要经过模数转换得到数字信号，然后对该信号首先按照预设频率fr进行下变频，其中下变频包括混频、低通滤波器两个部分，经过混频得到I、Q两路信号，在I、Q两路信号中会存在高频信号和基带信号；低通滤波器将高频信号滤除，保留基带信号；接下来对经过下变频处理后的I路和Q路两路信号进行匹配滤波，匹配滤波器可使用方波滤波器、根升余弦滤波器等，本实施例中采用根升余弦滤波器进行匹配滤波；接下来对滤波后I路和Q路两路信号进行频偏一次估计得到频偏粗校值fr1，并选择fr1对fr进行补偿。将粗校准的值fr1补偿给fr后，使用该频率对输入的扩频多波束信号经过模数转换后的数字信号进行下变频、匹配滤波、码捕获和相关峰解算。所述码捕获可使用滑动相关法、数字匹配滤波器、FFT等进行相关运算，本实施例采用数字匹配滤波器，首先用接收的扩频多波束信号对应的PN码对信号进行数字匹配滤波进行相关运算，接下来对数字匹配滤波后的信号进行相关峰检测。所述相关峰解算是对I、Q两路信号的相关峰按照公式进行解算得到相位信息接下来，根据进行频偏二次估计得到频偏细校值fr2，并选择fr2对当前频率继续进行补偿，从而完成被测件与本振的频偏的校正。此后系统即可以频率fr+fr1+fr2对接收信号进行下变频等后续处理。
如图3所示是频偏一次估计流程示意图，由图3可见，输入到频偏一次估计模块的I、Q两路信号按照(I+jQ)2进行运算，将运算得到的信号进行傅立叶变换FFT得到信号的频谱，频谱中幅度最大的位置对应的频率即为频偏粗校准值fr1，其中j表示虚数单位。
如图4所示是频偏二次估计流程示意图，由图4可见，通过解算输入的相位信号可以得到频偏细校值fr2，首先计算邻近两个码元的相位差而根据码元速率可以得到邻近码元的时间间隔τ，频偏细校值根据公式 进行解算即可得到。
实施例3
以被测件与本振存在100Hz频偏为例，对本发明的具体实施过程进行说明。其中被测信号的频率为2GHz+100Hz，本振频率ωr为2GHz，被测扩频信号的码元速率为4.8828Hz，在扩频系统中，100Hz频偏对于4.8828Hz的码元速率已经属于大频偏。
步骤一、多通道幅相测试系统接收端接收扩频多波束信号，其中扩频多波束信号中的各个波束可以同频，也可以非同频，本实例中选择各个波束同频；
步骤二、步骤一中接收的扩频多波束信号经过模数转换模块的转换得到数字信号，接收端进行频偏粗校准的时候，模数转换模块的输出信号接入下变频模块，下变频模块采用预设频率2GHz进行下变频后输出I路和Q路两路信号接入匹配滤波模块，匹配滤波模块输出I路和Q路两路信号接入频偏一次估计模块，本实例中接入频偏一次估计模块的I、Q两路信号的速率取1250bps；
步骤三、频偏一次估计模块将I、Q两路信号按照(I+jQ)2进行运算，将运算得到的信号输入到固定点数的FFT模块进行傅立叶变换处理，本实例中FFT的点数取32768，FFT模块输出频偏粗校准值fr1＝99.98Hz，频偏补偿选择模块选择频偏粗校准值fr1补偿给下变频模块，本实施例采用直接相加的方式进行补偿；
步骤四、多通道幅相测试系统接收端将粗校准的值补偿给下变频模块后，以fr+fr1作为下变频模块的本振频率再次接收；
步骤五、模数转换模块输出的信号依次经过下变频模块、匹配滤波模块、码捕获模块、相关峰解算模块，相关峰解算模块输出的相位信号接入频偏二次估计模块；
步骤六、步骤五中接入到频偏二次估计模块的相位信号为在每个码元得到的相位值由于频偏二次估计需要使用相邻码元的相位差以及时间间隔进行计算，此处的相邻码元可以取间隔0或多个码元的2个码元，本实施例取间隔1个码元的相邻码元相位进行解算，所以时间间隔τ为0.4096s，由于频偏fr2的存在，相邻码元存在相位差所以根据码元间隔τ和相位差可以解算出频偏细校值频率补偿选择模块选择频偏细校值fr2再次补偿给下变频模块，即完成了被测件与本振的频偏的校正，频偏校正值为fr1+fr2＝99.9997Hz，误差为0.0003Hz。
实验结果
本实验中码元速率为4.8828Hz，扩频比为2048，扩频码为m序列，载波频率为2G。模数转换模块的采样速率为1.2GHz。匹配滤波模块采用根升余弦滤波器，滤波器系数α＝1。输入到频偏一次估计模块的数据速率取10kbps，FFT点数取262144个点。频偏细校准取间隔2个码元的相位进行解算，即τ取0.4096s。
表1为频偏为-2000Hz至+2000Hz情况下系统的频偏估计结果。
表1 频偏测试结果
通过表1可以看出频偏估计误差均小于0.001Hz，所以本方法能校准相对于4.8828Hz码元速率400倍的大频偏，且校准精度达到0.001Hz。相对于常规的扩频系统中的校频有比较大的优势。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于多通道幅相测试系统的频偏校正装置，其特征在于，包括模数转换模块、下变频模块、匹配滤波模块、码捕获模块、相关峰解算模块、频偏一次估计模块、频偏二次估计模块和频偏补偿选择模块；模数转换模块连接下变频模块，下变频模块连接匹配滤波模块，匹配滤波模块分别连接码捕获模块和频偏一次估计模块，频偏一次估计模块接频偏补偿选择模块，码捕获模块连接相关峰解算模块，相关峰解算模块连接频偏二次估计模块，频偏二次估计模块连接频偏补偿选择模块，频偏补偿选择模块连接下变频模块；
所述模数转换模块用于将输入的模拟信号转换为数字信号；
所述下变频模块用于使用预设频率对输入信号进行混频和高频信号滤除处理得到I路和Q路两路信号；
所述匹配滤波模块用于对输入信号进行匹配滤波；
所述码捕获模块用于对输入信号进行相关运算和相关峰检测，得到相关峰信号；
所述相关峰解算模块用于对输入的I、Q两路的相关峰进行解算得到码元中的相位信息；
所述频偏一次估计模块用于对输入信号进行运算并且对运算后的信号做傅立叶变换进行频偏粗校准，得到频偏粗校准值；
所述频偏二次估计模块用于根据输入信号相邻码元的相位信息进行频偏细校准，得到频偏细校准值；
所述频偏补偿选择模块用于选择输入的频偏粗校准值和频偏细校准值两个频率中的一个对所述下变频模块当前频率进行补偿。
2.根据权利要求1所述的一种用于多通道幅相测试系统的频偏校正装置，其特征在于：所述码捕获模块采用数字匹配滤波器(DMF)进行数字匹配滤波，再对匹配滤波后的信号进行相关峰检测。
3.一种用于多通道幅相测试系统的频偏校正方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、系统接收扩频多波束信号；
步骤二、将接收的扩频多波束模拟信号经过模数转换得到数字信号，并对该信号通过以下过程进行频偏粗校准：
首先将所述数字信号按照预设频率fr进行下变频得到I路和Q路两路信号，然后将I路和Q路两路信号分别进行匹配滤波处理后进行频偏一次估计得到频偏粗校准值fr1，最后使用fr1对预设频率fr进行补偿；
步骤三、系统按照经过步骤二粗校准后的频率对接收的扩频多波束信号经过模数转换后的数字信号通过以下过程进行频偏细校准：首先对所述数字信号按照校准后的频率依次进行如步骤二所述下变频和匹配滤波，然后对信号进行码捕获，得到相关峰信号，接下来对I、Q两路信号的相关峰按照公式进行解算得到相位信息最后根据相位信息进行频偏二次估计得到频偏细校准值fr2，并使用fr2对当前频率再次进行补偿；其中n表示第n个码元，n为大于等于1的整数，表示第n个码元中的相位信息。
4.根据权利要求3所述的一种用于多通道幅相测试系统的频偏校正方法，其特征在于：所述频偏一次估计过程如下：首先将I、Q两路信号按照公式(I+jQ)2进行运算，然后将运算得到的信号进行傅立叶变换得到信号的频谱，频谱中幅度最大的位置对应的频率即为频偏粗校准值fr1，其中j表示虚数单位。
5.根据权利要求3所述的一种用于多通道幅相测试系统的频偏校正方法，其特征在于：所述傅立叶变换为采用固定点数的傅立叶变换。
6.根据权利要求3所述的一种用于多通道幅相测试系统的频偏校正方法，其特征在于：所述使用fr1对预设频率fr进行补偿为采用累加方式进行，即fr＝fr+fr1。
7.根据权利要求3所述的一种用于多通道幅相测试系统的频偏校正方法，其特征在于：所述频偏二次估计过程如下：首先计算邻近码元的相位差然后再根据相位差以及邻近码元的时间间隔τ按照如下公式进行计算得到频偏细校准值fr2：
8.根据权利要求3-7任一所述的一种用于多通道幅相测试系统的频偏校正方法，其特征在于：所述邻近码元为间隔k个码元的两个码元，其中k为大于等于0的整数。
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