CN104821826B - 一种宽带矢量信号的自动校正方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及信号处理技术领域，公开一种宽带矢量信号的自动校正系统，包括宽带矢量信号生成器、高速数据采集模块、信号校正模块，所述宽带矢量信号生成器由控制上位机通过基带信号发生器与矢量信号调制器连接构成，矢量信号调制器的输出端通过电缆与高速数据采集模块相连，高速数据采集模块的输出端通过PCI‑Ex8数据接口与信号校正模块相连，信号校正模块的输出端通过RS‑232接口、USB接口或者LAN与宽带矢量信号发生器的控制上位机相连。本发明能够自动完成宽带矢量信号发生器的测试及校正信号生成。较传统的校正系统简单明了，可以节省大量的时间和人力，降低了人为误差，提高了校正效率及校正精度。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种宽带矢量信号的自动校正方法及系统。
背景技术
宽带矢量信号发生器可以生成高稳定、宽频带、快速跳变和任意波形的矢量调制信号，已经被广泛应用于雷达、通信、电子测量等领域。相对于传统的采用专有硬件开发信号发生器，基于通用测试仪表搭建信号发生器的模式结构简单、稳定可靠、研发周期短、通用性强，逐渐成为当前宽带矢量信号发生器的主要实现方式之一。其基本原理就是，利用Matlab等工具生成数字信号波形数据，然后将波形数据下载到基带信号发生器的内存中，利用基带信号发生器生成I/Q两路基带模拟信号，并通过矢量信号发生器对I/Q两路信号进行正交载波调制，实现射频信号输出。其中，实现矢量调制信号的关键部件I/Q调制器的正交移相、混频性能直接决定了矢量调制信号的质量。由于I/Q调制器的混频电路不可能达到理想的平衡状态，正交移动也会在不同的频点上存在相位偏差，尤其是在带宽很大的情况下，误差会比较大。因此，为了保证输出信号的质量满足应用需求，必须对宽带矢量信号发生器进行预先校正。图1是现有宽带矢量信号校正方法的示意图。首先，基于宽带矢量信号的调制原理推导出宽带矢量信号的误差模型；然后，在不同的输入信号条件下，利用频谱仪对宽带矢量信号发生器的输出信号进行功率测量，求解除误差模型中的各项参数，从而建立I/Q输入的预失真校正补偿网络；最后，按照误差模型生成数字信号波形，并下载到基带信号发生器中，以实现宽带矢量信号的误差校正。
但是这种方法的不足之处在于，需要人工使用频谱仪等测量仪表进行测量，自动化程度不高，且容易引入人为操作误差；同时，误差模型一般都比较复杂，求解难度较大，容易引入计算误差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种宽带矢量信号的自动校正方法及系统，能够提高宽带矢量信号校正的自动化程度与精度。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种宽带矢量信号的自动校正方法，将宽带矢量信号的误差校正分解为幅度平坦度校正、本振泄露校正以及镜像抑制校正，并将校正值一起预补偿于数字信号波形之中，再将校正后的波形数据下载到基带信号发生器进行波形播放，即可以生成校正后的信号波形，完成宽带矢量信号的校正，其步骤如下：
(1) 幅度平坦度校正
1.1) 获取未校正信号的幅频特性数据
信号校正的频带范围记为，按照均匀分布的方式在频带内取频点，利用宽带矢量信号生成器依次产生各频率上的单频点信号，分别测量各个信号的输出幅度值为。
1.2) 确定最小输出幅值的频率点
计算最小输出幅度值 ，从而获取对应的频率点为。
1.3) 确定各个频率点的幅值差
计算各个频率点的幅值差，则有
1.4) 拟合任意频点上的幅值差
对任意频点，确定其在频点中的位置为，，计算与之间的幅值差线性关系，根据两点法，有
则
从而得到输出信号在与之间幅值差的线性关系为。
1.5) 生成校正数据，在产生信号时进行幅值补偿
根据拟合幅值线性关系式，在产生宽带矢量信号时预先进行幅值补偿，对任意频率点，未校正前的信号幅值记为，则校正后的幅度值为。
(2) 本振泄露校正
2.1) 获取未校正信号的本振泄露功率
利用宽带矢量信号生成器产生校正频段范围内任意频率的单频点信号，测量输出信号的本振泄露功率为。
2.2) 确定I通道的直流偏置值
在宽带矢量信号生成器的I通道信号上叠加直流电压，测量输出信号的本振泄露功率为，则I通道的直流偏置值为
2.3) 确定Q通道的直流偏置值
在宽带矢量信号生成器的Q通道信号上叠加直流电压，测量输出信号的本振泄露功率为，则Q通道的直流偏置值为
2.4) 生成校正数据，在产生信号时进行偏置电压补偿
根据获取的，在产生宽带矢量信号时预先对I／Q两个通道分别补偿直流电压，设I通道的原始信号的电压表示式记为，则校正后的电压表示为
(3) 镜像抑制校正
3.1) 获取未校正信号的镜像特性数据
信号校正的频带范围记为，按照均匀分布的方式在频带内取频点，利用宽带矢量信号生成器依次产生各频率上的单频点信号，分别测量各个信号的输出幅度值为，并测量其镜像的幅度值为。
3.2) 确定Q通道相对I通道的相位偏差
计算各个频率点Q通道相对I通道的相位差，则有
3.3) 拟合任意频点上的相位偏差
对任意频点，确定其在频点中的位置为，，计算与之间的相位差线性关系，根据两点法，有
则
从而得到输出信号在与之间幅值差的线性关系为
3.4) 生成校正数据，生成信号时进行幅值补偿
根据拟合相位偏差线性关系式，在产生宽带矢量信号时预先对Q通道进行相位补偿，对任意频率点，未校正前的Q通道的信号相位记为，则校正后的相位为。
一种宽带矢量信号的自动校正方法，所述高速数据采集模块用于实时采集宽带矢量信号生成器输出的中频/射频信号；宽带矢量信号生成器输出的信号经采集变为离散序列信号,表示信号的幅值，表示信号的频率，表示信号的初始相位,表示信号的直流偏置；
高速数据采集模块采用高性能的PCIe数据采集卡，为双通道同步采集，分辨率为14位，采样率为2GS/S，采用PCI-Ex8高速接口，支持1GBytes/S高速带宽，通过高速盘阵，实现实时采集、传输与写盘功能，采用接口适配板对数据采集卡信号线进行匹配。
一种宽带矢量信号的自动校正方法，所述信号处理模块实时获取由高速数据采集模块采集的宽带矢量信号的离散序列数据，对离散序列信号进行离散傅里叶变换，将其变换到频域，用于测量信号的幅频特性；所述信号处理模块模块采用Matlab进行编写，用于对数据采集模块提供的数据进行处理，实现信号幅频参数的测量。
一种宽带矢量信号的自动校正方法，所述校正计算模块实时获取信号处理模块测量的信号幅频数据，按照本发明提供的校正算法，分别计算出信号的幅度平坦度、本振泄露与、镜像抑制补偿参数；所述校正计算模块采用Matlab进行编写，计算得到宽带矢量信号发生器的校正参数，同时，能够将测量参数、校正参数及波形显示到软件界面，最后，通过参数下载模块将校正参数发送到被测宽带矢量信号发生器的控制上位机。
一种宽带矢量信号的自动校正方法，所述参数下载模块获取校正计算模块生成的校正补偿参数，并将其下载到宽带矢量信号发生器的控制上位机，按照校正后的信号模型，控制上位机利用Matlab生成校正后的数字信号波形，并下载到宽带矢量信号发生器的基带信号发生器内存中，基带信号发生器读取内存数据进行波形播放，即可以生成校正后的信号波形，完成宽带矢量信号的自动校正。
一种宽带矢量信号的自动校正系统，包括宽带矢量信号生成器、高速数据采集模块、信号校正模块，所述宽带矢量信号生成器由控制上位机通过基带信号发生器与矢量信号调制器连接构成，矢量信号调制器的输出端通过电缆与高速数据采集模块相连，高速数据采集模块的输出端通过PCI-Ex8数据接口与信号校正模块相连，信号校正模块的输出端通过RS-232接口、USB接口或者LAN与宽带矢量信号发生器的控制上位机相连。
一种宽带矢量信号的自动校正系统，所述高速数据采集模块为双通道同步的PCIe数据采集卡，分辨率为14位，采样率为2GS/S，支持1GBytes/S高速带宽的PCI-Ex8高速接口，具有对数据采集卡信号线进行匹配的接口适配板，用于为宽带矢量信号生成器提供信号测量接口。
一种宽带矢量信号的自动校正系统，所述信号校正模块为微处理器，由信号处理模块、校正计算模块以及参数下载模块组成。
由于采用如上所述的技术方案，本发明的优越性在于：
（1）本发明能够将宽带矢量信号的误差校正，分解为幅度平坦度校正、本振泄露校正以及镜像抑制校正，最后将校正值一起预补偿于数字信号波形之中，简单明了，易于实现;
（2）本发明可以自动完成宽带矢量信号发生器的参数测试、校正参数计算及校正信号生成。较传统的方法自动化程度高，可以节省大量的时间和人力，大大提高校正效率，符合未来发展的方向；
（3）本发明减少了传统校正中的人工操作，也降低了人为误差，同时，明确了校正频带范围，使得信号波形校正更有针对性，从而能够提高频带内的信号校正精度。
附图说明
图1是现有宽带矢量信号校正方法示意图；
图2是实现本发明宽带矢量信号自动校正方法的一种校正系统原理框图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明内容时，这些描述在这里将被忽略。
在本实施例中，如图2所示，一种宽带矢量信号的自动校正系统，包括宽带矢量信号生成器、高速数据采集模块、信号校正模块，所述宽带矢量信号生成器由控制上位机通过基带信号发生器与矢量信号调制器连接构成，矢量信号调制器的输出端通过电缆与高速数据采集模块相连，高速数据采集模块的输出端通过PCI-Ex8数据接口与信号校正模块相连，信号校正模块的输出端通过RS-232接口、USB接口或者LAN与宽带矢量信号发生器的控制上位机相连。所述信号校正模块为微处理器，由信号处理模块、校正计算模块以及参数下载模块组成。
一种宽带矢量信号的自动校正方法，是通过获取校正频带内任意频点信号输出幅度与最小信号输出幅度的差值线性关系式，得到信号波形幅度平坦度的校正值；通过获取I/Q通道的直流电压偏置值，得到信号波形本振泄露的校正值；通过获取校正频带内任意频点信号Q通道相对I通道的相位偏差值，得到信号波形镜像的校正值。在利用宽带矢量信号发生器生成信号时，将校正值预先补偿到数字信号波形中，并将校正后的波形数据下载到基带信号发生器进行波形播放，即可以生成校正后的信号波形，完成宽带矢量信号的校正，其步骤如下：
(1) 幅度平坦度校正
1.1) 获取未校正信号的幅频特性数据
信号校正的频带范围记为，按照均匀分布的方式在频带内取频点，利用宽带矢量信号生成器依次产生各频率上的单频点信号，分别测量各个信号的输出幅度值为。
1.2) 确定最小输出幅值的频率点
计算最小输出幅度值 ，从而获取对应的频率点为。
1.3) 确定各个频率点的幅值差
计算各个频率点的幅值差，则有
1.4) 拟合任意频点上的幅值差
对任意频点，确定其在频点中的位置为，，计算与之间的幅值差线性关系，根据两点法，有
则
从而得到输出信号在与之间幅值差的线性关系为。
1.5) 生成校正数据，在产生信号时进行幅值补偿
根据拟合幅值线性关系式，在产生宽带矢量信号时预先进行幅值补偿，对任意频率点，未校正前的信号幅值记为，则校正后的幅度值为。
(2) 本振泄露校正
2.1) 获取未校正信号的本振泄露功率
利用宽带矢量信号生成器产生校正频段范围内任意频率的单频点信号，测量输出信号的本振泄露功率为。
2.2) 确定I通道的直流偏置值
在宽带矢量信号生成器的I通道信号上叠加直流电压，测量输出信号的本振泄露功率为，则I通道的直流偏置值为
2.3) 确定Q通道的直流偏置值
在宽带矢量信号生成器的Q通道信号上叠加直流电压，测量输出信号的本振泄露功率为，则Q通道的直流偏置值为
2.4) 生成校正数据，在产生信号时进行偏置电压补偿
根据获取的，在产生宽带矢量信号时预先对I／Q两个通道分别补偿直流电压，设I通道的原始信号的电压表示式记为，则校正后的电压表示为
(3) 镜像抑制校正
3.1) 获取未校正信号的镜像特性数据
信号校正的频带范围记为，按照均匀分布的方式在频带内取频点，利用宽带矢量信号生成器依次产生各频率上的单频点信号，分别测量各个信号的输出幅度值为，并测量其镜像的幅度值为。
3.2) 确定Q通道相对I通道的相位偏差
计算各个频率点Q通道相对I通道的相位差，则有
3.3) 拟合任意频点上的相位偏差
对任意频点，确定其在频点中的位置为，，计算与之间的相位差线性关系，根据两点法，有
则
从而得到输出信号在与之间幅值差的线性关系为
3.4) 生成校正数据，生成信号时进行幅值补偿
根据拟合相位偏差线性关系式，在产生宽带矢量信号时预先对Q通道进行相位补偿，对任意频率点，未校正前的Q通道的信号相位记为，则校正后的相位为。
高速数据采集模块用于实时采集宽带矢量信号生成器输出的中频/射频信号。宽带矢量信号生成器输出的信号经采集变为离散序列信号,表示信号的幅值，表示信号的频率，表示信号的初始相位,表示信号的直流偏置。
信号处理模块实时获取由高速数据采集模块采集的宽带矢量信号的离散序列数据，对离散序列信号进行离散傅里叶变换，将其变换到频域，用于测量信号的幅频特性。
校正计算模块实时获取信号处理模块测量的信号幅频数据，按照本发明提供的校正算法，分别计算出信号的幅度平坦度、本振泄露与、镜像抑制补偿参数。将理想的I/Q信号波形记为
其中，为信号幅度，为信号频率，为信号初始相位，则经过校正预补偿的信号模型为
参数下载模块获取校正计算模块生成的校正补偿参数，并将其下载到宽带矢量信号发生器的控制上位机，按照校正后的信号模型，控制上位机利用Matlab生成校正后的数字信号波形，并下载到宽带矢量信号发生器的基带信号发生器内存中，基带信号发生器读取内存数据进行波形播放，即可以生成校正后的信号波形，完成宽带矢量信号的自动校正。
在本实施例中，高速数据采集模块选用高性能PCIe数据采集卡，双通道同步采集，分辨率为14位，采样率为2GS/S，采用PCI-Ex8高速接口，支持1GBytes/S高速带宽，通过高速盘阵，可实现实时采集、传输与写盘功能，采用接口适配板对数据采集卡信号线进行匹配，并为宽带矢量信号生成器的提供信号测量接口。
信号处理模块与校正计算模块均采用Matlab进行编写，信号处理模块对数据采集模块提供的数据进行处理，实现信号幅频参数的测量，校正计算模块计算得到宽带矢量信号发生器的校正参数，同时，可以将测量参数、校正参数及波形显示到软件界面，最后，通过参数下载模块将校正参数发送到被测宽带矢量信号发生器的控制上位机。
上述所说的参数下载模块可以选择RS-232、USB或者LAN与宽带矢量信号发生器的控制上位机通信。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (6)
1.一种宽带矢量信号的自动校正方法，其特征是：将宽带矢量信号的误差校正分解为幅度平坦度校正、本振泄露校正以及镜像抑制校正，并将校正值一起预补偿于数字信号波形之中，再将校正后的波形数据下载到基带信号发生器进行波形播放，即可以生成校正后的信号波形，完成宽带矢量信号的校正，其步骤如下：
(1)幅度平坦度校正
1.1)获取未校正信号的幅频特性数据，信号校正的频带范围记为[Fmin，Fmax]，按照均匀分布的方式在频带内取m(m＞3)个频点F1，F2，F3，...，Fm，利用宽带矢量信号生成器依次产生各频率上的单频点信号，分别测量各个信号的输出幅度值为A1，A2，A3，...，Am；
1.2)确定最小输出幅值的频率点，计算最小输出幅度值An＝min{A1，A2，A3，...，Am}，1≤n≤m，从而获取对应的频率点为Fn；
1.3)确定各个频率点的幅值差，计算各个频率点的幅值差ΔA1，ΔA2，ΔA3，...，ΔAm，则有
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1.4)拟合任意频点上的幅值差，对任意频点Fx，确定其在频点F1，F2，F3，...，Fm中的位置为Fi≤Fx≤Fi+1，1≤i＜m，计算Fi与Fi+1之间的幅值差线性关系，根据两点法，有
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则
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从而得到输出信号在Fi与Fi+1之间幅值差的线性关系为ΔAx＝aiFx+bi；
1.5)生成校正数据，在产生信号时进行幅值补偿，根据拟合幅值线性关系式，在产生宽带矢量信号时预先进行幅值补偿，对任意频率点Fx，未校正前的信号幅值记为Ax，则校正后的幅度值为
(2)本振泄露校正
2.1)获取未校正信号的本振泄露功率，利用宽带矢量信号生成器产生校正频段范围内任意频率的单频点信号，测量输出信号的本振泄露功率为P0；
2.2)确定I通道的直流偏置值，在宽带矢量信号生成器的I通道信号上叠加直流电压Vdi，测量输出信号的本振泄露功率为P1，则I通道的直流偏置值为
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2.3)确定Q通道的直流偏置值，在宽带矢量信号生成器的Q通道信号上叠加直流电压Vdq，测量输出信号的本振泄露功率为P2，则Q通道的直流偏置值为
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2.4)生成校正数据，在产生信号时进行偏置电压补偿，根据获取的VIC与VQC，在产生宽带矢量信号时预先对I/Q两个通道分别补偿直流电压，设I通道的原始信号的电压表示式记为VIO与VQO，则校正后的电压表示为
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(3)镜像抑制校正
3.1)获取未校正信号的镜像特性数据，信号校正的频带范围记为[Fmin，Fmax]，按照均匀分布的方式在频带内取m(m＞3)个频点F1，F2，F3，...，Fm，利用宽带矢量信号生成器依次产生各频率上的单频点信号，分别测量各个信号的输出幅度值为A1，A2，A3，...，Am，并测量其镜像的幅度值为Ar1，Ar2，Ar3，...，Arm；
3.2)确定Q通道相对I通道的相位偏差，计算各个频率点Q通道相对I通道的相位差则有
3.3)拟合任意频点上的相位偏差，对任意频点Fx，确定其在频点F1，F2，F3，...，Fm中的位置为Fi≤Fx≤Fi+1，1≤i＜m，计算Fi与Fi+1之间的相位差线性关系，根据两点法，有
则
从而得到输出信号在Fi与Fi+1之间幅值差的线性关系为
3.4)生成校正数据，生成信号时进行幅值补偿，根据拟合相位偏差线性关系式，在产生宽带矢量信号时预先对Q通道进行相位补偿，对任意频率点Fx，未校正前的Q通道的信号相位记为则校正后的相位为
2.采用权利要求1所述方法的一种宽带矢量信号的自动校正系统，其特征是：包括宽带矢量信号生成器、高速数据采集模块、信号校正模块，所述宽带矢量信号生成器由控制上位机通过基带信号发生器与矢量信号调制器连接构成，矢量信号调制器的输出端通过电缆与高速数据采集模块相连，高速数据采集模块的输出端通过PCI-Ex8数据接口与信号校正模块相连，信号校正模块的输出端通过RS-232接口、USB接口或者LAN与宽带矢量信号发生器的控制上位机相连。
3.如权利要求2所述的一种宽带矢量信号的自动校正系统，其特征是：所述高速数据采集模块用于实时采集宽带矢量信号生成器输出的中频/射频信号；宽带矢量信号生成器输出的信号经采集变为离散序列信号x(n)＝Aej(wn+θ)+B,A表示信号的幅值，w表示信号的频率，θ表示信号的初始相位,B表示信号的直流偏置；
高速数据采集模块采用高性能的PCIe数据采集卡，为双通道同步采集，分辨率为14位，采样率为2GS/S，采用的PCI-Ex8高速接口支持1GBytes/S高速带宽，通过高速盘阵，实现实时采集、传输与写盘功能，采用的接口适配板对数据采集卡信号线进行匹配。
4.如权利要求2所述的一种宽带矢量信号的自动校正系统，其特征是：所述信号校正模块为微处理器，由信号处理模块、校正计算模块以及参数下载模块组成；
所述信号处理模块实时获取由高速数据采集模块采集的宽带矢量信号的离散序列数据，对离散序列信号进行离散傅里叶变换，将其变换到频域，用于测量信号的幅频特性；所述信号处理模块模块采用Matlab进行编写，用于对数据采集模块提供的数据进行处理，实现信号幅频参数的测量。
5.如权利要求4所述的一种宽带矢量信号的自动校正系统，其特征是：所述校正计算模块实时获取信号处理模块测量的信号幅频数据，按照校正算法分别计算出信号的幅度平坦度ΔAx、本振泄露VIC与VQC、镜像抑制补偿参数所述校正计算模块采用Matlab进行编写，计算得到宽带矢量信号发生器的校正参数，同时，将测量参数、校正参数及波形显示到软件界面，再通过参数下载模块将校正参数发送到被测宽带矢量信号发生器的控制上位机。
6.如权利要求4所述的一种宽带矢量信号的自动校正系统，其特征是：所述参数下载模块获取校正计算模块生成的校正补偿参数，并将其下载到宽带矢量信号发生器的控制上位机，按照校正后的信号模型，控制上位机利用Matlab生成校正后的数字信号波形，并下载到宽带矢量信号发生器的基带信号发生器内存中，基带信号发生器读取内存数据进行波形播放，即可生成校正后的信号波形，完成宽带矢量信号的自动校正。
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