CN105548932A - 实现微波测试仪器近杂散自动校准的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现微波测试仪器近杂散自动校准的系统及方法，其中包括电源，用以为待测设备供电；基带板，与待测设备相连接；控制终端，用以根据预先设定的程序通过基带板向待测设备发送控制变量对应的频率控制字信号，并根据相噪仪测量得到的杂散点的大小与系统预设杂散判定值的大小关系进行杂散校准；相噪仪，用以在不同的控制变量对应的频率控制字信号下检测杂散值并得到最大的杂散点对应的频率点、杂散点的位置及杂散点的大小。采用该种实现微波测试仪器近杂散自动校准的系统及方法，测试过程完全自动化，一旦测试参数配置好后，系统可以自动运行，完成杂散的自动测试和校准过程，大大减少了人工测试的时间和精力，具有更广泛的应用范围。

Description

实现微波测试仪器近杂散自动校准的系统及方法

技术领域

本发明涉及仪器仪表技术领域，尤其涉及仪器仪表杂散校准技术领域，具体是指一种实现微波测试仪器近杂散自动校准的系统及方法。

背景技术

无线通信中的测试仪器有矢量信号源、频谱仪、矢量网络分析仪等，而作为这些仪器的核心技术，频率合成器技术起着越来越重要的作用。频率合成器可提供宽带、高精度、快速转换和高纯度的信号，因此常常作为设备的本振信号及载波信号。近些年来，由于集成电子领域的快速发展，使得频率合成器体积越来越小，性能也更加可靠。如今的频率合成技术主要包括直接频率合成技术(DS)、间接频率合成技术(PLL)、直接数字频率合成技术(DDS)以及混合频率合成技术，实际仪器设备电路设计中，广泛采用的是DDS+PLL的混合式频率合成，这样不仅使输出信号具有很大的带宽，而且频率分辨率好，频谱纯度高。

但在实际情况中，DDS+PLL的混合式频率合成信号输出的频率带宽很宽(达几十个GHz)，信号并不像理想情况那样完美，除了输出需要的信号外，还会有杂散分量。这是由于DDS是属于数字频率合成，就不可避免的引入了杂散，杂散的主要来源主要有三种：(1)相位截断误差。DDS对分辨率要求很高，这就要求相位累加器有更大的容量，而相位累加器很难达到如此的容量，这样便带来了相位截断误差。(2)幅度量化误差。DA转换过程中，由于DAC转换精度的限制，所以幅度值在经过量化后产生了幅度量化误差。(3)非线性误差。由于数模转换器的非理想特性(积分、微分等非线性)产生的谐波和杂散分量。这三种杂散一般分布在距离信号谱线很近的地方，不易滤除，因为信号的高宽带，在设计过程中也很难通过硬件电路及设计方案来解决这些杂散点。

所以，需要一种解决这些杂散点的方法。

如今也有测试及消除杂散的一些方法。(1)AP杂散自动测试系统及方法(赵栋.AP杂散自动测试系统及方法：中国，CN104618920A[P]，2015-5-13)中发明了一种自动杂散测试系统，可以自动测试AP设备并保存所测到的杂散点，所测试的杂散点属于信号的远端杂散点，用PC控制频谱分析仪来测试待测AP设备。(2)一种射频信号功率与杂散的自动化测试方法(陈杰，马存宝，宋东，和麟，张天伟，一种射频信号功率与杂散的自动化测试方法：中国，CN104767576A[P]，2015-7-8)，是对被测射频信号源设备进行功率和杂散指标实现测试过程的自动化方法。(3)杂散消除系统及其相关方法(G·阿尔斯兰，杂散消除系统及其相关方法：中国，CN104639475A[P]，2015-5-20)，此发明是用于射频接收器的杂散消除，通过杂散消除模块生生成消除信号并从数字信息中减去该消除信号，从而有效地消除数字时钟信号或其他杂散源引起的杂散。(4)用于消除杂散发射的系统和方法(许兵，克莱夫·唐，马海布·拉曼.用于消除杂散发射的系统和方法：中国，CN102751999A[P]，2012-10-24)，在发射机中，利用C-IM3失真项的相反相位来对数字基带信号进行数字化预失真，以使得该预失真与C-IM3失真彼此相抵消来消除杂散发射的。(5)一种具有小数杂散消除功能的射频信号生成装置及方法(顾亚波，李华磊，裴文江，金海忠，一种具有小数杂散消除功能的射频信号生成装置及方法：中国，CN103840826A[P]，2014-6-4)，此发明针对参考频率信号，将其划分为频率不相重合的两段预处理参考频率信号，并通过切换选择两段预处理参考频率信号来获得最终射频信号，有效消除或降低最终射频信号的小数杂散。

(1)(2)中只是对杂散进行自动化测试并记录数据，并没有对杂散进行校准或消除，且不属于频率发生器技术，是对射频设备的测试。(3)中是为了消除射频接收器中的杂散，避免对接收到的射频信号产生干扰。(4)是在发射机中，用数字化方法对基带信号中的杂散进行消除。(5)是通过切换选择参考频率信号，并对各个输出频率进行选择来消除小数杂散。

发明内容

本发明的目的是提供一种解决频率合成技术中杂散问题的新方法，具体地提供了一种能够实现自动校准近杂散、提高精确度、提高效率、具有更广泛应用范围的实现微波测试仪器近杂散自动校准的系统及方法。

为了实现上述目的，本发明的实现微波测试仪器近杂散自动校准的系统及方法具有如下构成：

该实现微波测试仪器近杂散自动校准的系统，其主要特点是，所述的系统包括：

电源，用以为待测设备供电；

基带板，与所述的待测设备相连接；

控制终端，用以根据预先设定的程序通过基带板向所述的待测设备发送控制变量对应的频率控制字信号，并根据相噪仪测量得到的杂散点的大小与系统预设杂散判定值的大小关系进行杂散校准；

相噪仪，用以在不同的控制变量对应的频率控制字信号下检测杂散值并得到最大的杂散点对应的频率点、杂散点的位置及杂散点的大小。

本发明还涉及一种基于所述的系统实现微波测试仪器近杂散自动校准的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)设定系统预设杂散判定值；

(2)所述的控制终端配置测试频率点；

(3)所述的控制终端按顺序选择一个控制变量并将控制变量对应的频率控制字信号发送至所述的待测设备；

(4)所述的相噪仪在所述的控制变量对应的频率控制字信号下进行相位噪声测试；

(5)所述的相噪仪得到相位噪声曲线上最大的杂散点的大小；

(6)所述的控制终端判断所述的杂散点的大小和系统预设杂散判定值的关系，如果所述的杂散点的大小大于系统预设杂散判定值，则继续步骤(7)，否则输出校准已解决；

(7)所述的控制终端重新选取下一个控制变量并将控制变量对应的频率控制字信号发送至所述的待测设备，然后继续步骤(3)。

较佳地，所述的步骤(3)和(4)之间，还包括以下步骤：

(3-1)所述的控制终端判断所述的相噪仪是否将信号锁定，如果是，则继续步骤(4)，否则继续步骤(3-2)；

(3-2)所述的控制终端记录校准未解决并重新选择下一个频点，然后继续步骤(3-1)。

较佳地，所述的步骤(5)，具体为：

所述的相噪仪返回此次测试的频率点f_i，杂散点的位置Δf及杂散点的大小ΔP。

较佳地，所述的步骤(6)，包括以下步骤：

(6-1)所述的控制终端判断所述的杂散点的大小和系统预设杂散判定值的关系，如果所述的杂散点的大小大于系统预设杂散判定值，则继续步骤(7)，否则继续步骤(6-2)；

(6-2)所述的控制终端判断此次测试是当前控制变量的第几次测试，如果未达到预设同一变量重复测试次数，则测试次数加一并继续步骤(4)，如果已达到预设同一变量重复测试次数，则测试次数清零，并继续步骤(6-3)；

(6-3)所述的控制终端输出已解决并记录此次测试的频率点f_i，杂散点的位置Δf及杂散点的大小ΔP。

较佳地，所述的步骤(7)，具体为：

(7-1)所述的控制终端判断所述的控制变量是否为最后一个控制变量，如果是，则继续步骤(7-3)，否则继续步骤(7-2)；

(7-2)所述的控制终端重新选取下一个控制变量并将控制变量对应的频率控制字信号发送至所述的待测设备，然后继续步骤(4)；

(7-3)所述的控制终端输出未解决并输出此次测试的频率点f_i，杂散点的位置Δf及杂散点的大小ΔP，然后选择下一个频点，然后继续步骤(3)。

较佳地，所述的控制变量与待测设备的信号之间满足以下公式：

$FTW=2^{48}\×\frac{f_{dds}}{f_{ref}}$

$f_i=f_{dds}\×floor\left(\frac{f_i}{m_j}\right)$

其中，FTW为频率控制字，f_dds为待测设备中直接数字频率合成的输出频率，f_ref为待测设备中直接数字频率合成输出的参考时钟频率，f_i为待测设备最后输出的射频信号频率，floor代表向下取整，m_j为控制变量。

采用了该发明中的实现微波测试仪器近杂散自动校准的系统及方法，具有如下有益效果：

(1)解决了DDS数字化引起的杂散，可以将杂散校准到规定指标范围内(-80dBc以上)或消除，可以减少由于更改硬件电路而增加的成本。

(2)提出了用相噪仪来测试近端杂散(在1KHz～30MHz内)的方法，从而可以更准确地捕捉到信号的近端杂散，比频谱仪测试结果准确且测试时间少。

(3)测试过程完全自动化，一旦测试参数配置好后，系统可以自动运行，完成杂散的自动测试和校准过程，大大减少了人工测试的时间和精力(仪器自动测试校准仅需22小时，人工测试需约14个工作日以上)，且效率高，可靠性好。

(4)此方法还可运用于类似的系统中，用于自动测试并校准射频信号的近端杂散问题。

附图说明

图1为待测设备内部频率合成器示出了频率合成原理的部分框图。

图2为本发明的实现微波测试仪器近杂散自动校准的系统的结构框图。

图3是本发明的实现微波测试仪器近杂散自动校准的方法的流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本发明需要解决如下技术问题：

1、需要解决DDS数字化引起的杂散。由于系统信号输出带宽很宽，通过改变硬件电路和方案很难解决，需要找到新的校准方法。

2、需要解决近端杂散(在1KHz～30MHz内)的测试问题。由于DDS数字化引起的杂散基本为近端杂散，频谱仪测试不仅很难测试且需要花费更多的时间。

3、需要解决杂散测试的自动化问题。人工测试会耗费大量的时间和精力，使得测试速度慢、精确度低且效率低。

4、需要解决杂散校准问题。当找到新的测试方法后，不仅要对杂散进行自动化测试，而且需要校准杂散不符合指标的频率点，并将校准后的数据保存下来。

如图2所示，本发明的实现微波测试仪器近杂散自动校准的系统包括：

电源，用以为待测设备供电；

基带板，与所述的待测设备相连接；

控制终端，用以根据预先设定的程序通过基带板向所述的待测设备发送控制变量对应的频率控制字信号，并根据相噪仪测量得到的杂散点的大小与系统预设杂散判定值的大小关系进行杂散校准；

相噪仪，用以在不同的控制变量对应的频率控制字信号下检测杂散值并得到最大的杂散点对应的频率点、杂散点的位置及杂散点的大小。

本发明的基于所述的系统实现微波测试仪器近杂散自动校准的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)设定系统预设杂散判定值；

(2)所述的控制终端配置测试频率点；

(3)所述的控制终端按顺序选择一个控制变量并将控制变量对应的频率控制字信号发送至所述的待测设备；

(4)所述的相噪仪在所述的控制变量对应的频率控制字信号下进行相位噪声测试；

(5)所述的相噪仪得到相位噪声曲线上最大的杂散点的大小；

(6)所述的控制终端判断所述的杂散点的大小和系统预设杂散判定值的关系，如果所述的杂散点的大小大于系统预设杂散判定值，则继续步骤(7)，否则输出校准已解决；

(7)所述的控制终端重新选取下一个控制变量并将控制变量对应的频率控制字信号发送至所述的待测设备，然后继续步骤(3)。

在一种较佳的实施方式中，所述的步骤(3)和(4)之间，还包括以下步骤：

(3-1)所述的控制终端判断所述的相噪仪是否将信号锁定，如果是，则继续步骤(4)，否则继续步骤(3-2)；

(3-2)所述的控制终端记录校准未解决并重新选择下一个频点，然后继续步骤(3-1)。

在一种较佳的实施方式中，所述的步骤(5)，具体为：

所述的相噪仪返回此次测试的频率点f_i，杂散点的位置Δf及杂散点的大小ΔP。

在一种较佳的实施方式中，所述的步骤(6)，包括以下步骤：

(6-1)所述的控制终端判断所述的杂散点的大小和系统预设杂散判定值的关系，如果所述的杂散点的大小大于系统预设杂散判定值，则继续步骤(7)，否则继续步骤(6-2)；

(6-2)所述的控制终端判断此次测试是当前控制变量的第几次测试，如果未达到预设同一变量重复测试次数，则测试次数加一并继续步骤(4)，如果已达到预设同一变量重复测试次数，则测试次数清零，并继续步骤(6-3)；

(6-3)所述的控制终端输出已解决并记录此次测试的频率点f_i，杂散点的位置Δf及杂散点的大小ΔP。

在一种较佳的实施方式中，所述的步骤(7)，具体为：

(7-1)所述的控制终端判断所述的控制变量是否为最后一个控制变量，如果是，则继续步骤(7-3)，否则继续步骤(7-2)；

(7-2)所述的控制终端重新选取下一个控制变量并将控制变量对应的频率控制字信号发送至所述的待测设备，然后继续步骤(4)；

(7-3)所述的控制终端输出未解决并输出此次测试的频率点f_i，杂散点的位置Δf及杂散点的大小ΔP，然后选择下一个频点，然后继续步骤(3)。

在一种较佳的实施方式中，所述的控制变量与待测设备的信号之间满足以下公式：

$FTW=2^{48}\×\frac{f_{dds}}{f_{ref}}$

$f_i=f_{dds}\×floor\left(\frac{f_i}{m_j}\right)$

其中，FTW为频率控制字，f_dds为待测设备中直接数字频率合成的输出频率，f_ref为待测设备中直接数字频率合成输出的参考时钟频率，f_i为待测设备最后输出的射频信号频率，floor代表向下取整，m_j为控制变量。

本发明采用如下新的测试校准方法：

对于杂散的校准，采用下述方法。如图1所示，是待测设备内部信号发生器的部分框图，采用的是DDS+PLL混合频率合成方法，用DDS给PLL中鉴相器作参考频率，再由PLL与VCO(压控振荡器)产生射频信号。其中，频率控制字(FTW)控制DDS产生相应的参考信号f_dds，对于不同的f_dds，通过VCO最后输出的射频信号f_i的质量也不同，包括相位噪声和杂散(其中杂散变化较大)，所以对于不同的输出信号f_i，可以通过改变FTW来控制DDS的输出信号f_dds，从而改变f_i的杂散，达到最后的杂散的校准。且FTW计算公式为：

$FTW=2^{48}\×\frac{f_{dds}}{f_{ref}},f_i=f_{dds}\×floor\left(\frac{f_i}{m_j}\right)$

其中f_dds为DDS的输出频率，f_ref为DDS输出的参考时钟频率，f_i为最后VCO输出的射频信号频率，floor代表向下取整，m_j为控制的变量。当要输出频率为f_i的射频信号时，且f_ref为已知参考频率，这时，只需配置控制变量m_j便可以得到此时f_i对应的频率控制字，从而达到最后校准杂散的目的。

为解决近端杂散(在1KHz～30MHz内)的测试问题，需要对上述校准方法中输出频率f_i的杂散进行测试。将采用相噪仪来代替常用的频谱仪，通过对待测设备相噪的测试来捕捉近端杂散，这样便可以快速清晰地找到近端杂散点，完成对近端杂散的测试。

为解决杂散测试的自动化问题，将搭建控制平台。如图2所示，是自动测试时的框图，DUT是待测的设备，还包括电源，测试信号用的相噪仪，基带板和显示屏，软件控制在显示屏上操作。将DUT的输出信号连接到相噪仪信号输入口，通过软件来控制待测设备的输出信号，并同时通过网线控制相噪仪来测试杂散点，并确定此时的杂散点相对于信号的频偏、相对大小值，再对数据进行处理，对杂散不符合的频点进行校准，直到杂散符合指标要求为止。最后将校准后对应的控制变量m_j保存下来，完成近端杂散的自动化测试和校准。

具体实施方法：

1.将测试环境按图2搭建好，包待测设备，电源，相噪仪，基带板和显示屏，基带板和相噪仪直接用网线连接，打开总电源及相噪仪，并预热10分钟。将要测试并校准待测设备输出1600个频率点的近杂散。打开显示屏中预先编好的测试软件，测试人员根据指标配置此时的杂散ΔP₀，点击开始校准，此时软件将会自动控制待测设备的频率产生和相噪仪的测试，并完成校准，直到最后校准完成。以下为软件自动校准的步骤。

2.初始化过程。首先程序会自动配置m_j的值及DUT的输出信号频率f_i，再对DUT进行初始化，并输出信号f_i，然后使相噪仪进入远程控制模式，并对其进行初始化操作，接着相噪仪就开始对信号的相位噪声进行测试。

3.杂散测试过程。当相噪仪进行相位噪声测试后，首先要判断仪器对信号的频率是否锁定，若未锁定，记录Unsolved(未解决)并跳至下一个频点，若频率已经锁定，说明DUT信号输出正常，软件将控制相噪仪进行杂散搜索，用Mark中的Peak功能对相位噪声曲线上最大的杂散点进行测试，返回此时的测试的频率点f_i，杂散点的位置Δf及杂散点的大小ΔP，并循环三次，记录三次数据，再判断ΔP与设定杂散判别值ΔP₀的大小，若有三次ΔP均小于ΔP₀，则判定此频点没有杂散，软件将输出Solved(已解决)，若有一次ΔP大于ΔP₀，则判定此频率点有杂散，将进行下面的杂散校准过程。

4.杂散校准过程。对于上述杂散测试中判定该频点有杂散时，程序将会先暂时保存此时不符合的ΔP值及其对应的m_j和Δf，然后对其中的变量m_j进行重新配置，配置的所有值已经预先写入一个数组，当按此时的变量m_j配置的输出信号f_i有杂散时，程序将会自动配置数组中的下一个m_j值，此时的输出信号仍为f_i。之后，再重复步骤3的杂散测试过程，若仍判定有杂散，比较与暂存的不符合的ΔP，选出较好的并保存下来。若所有配置的m_j均判定有杂散，此时软件将输出Unsolved(未解决)，并输出不符合中最好的ΔP及对应的m_j和Δf，并跳至下一个频点进行测试校准。

5.数据保存过程。在杂散测试及校准完成后，软件会记录测试的时间，并将最终输出两份文档，一份是Solved(已解决)的文档，一份是Unsolved(未解决)的文档，里面都记录了测试的信号频点f_i，杂散点的大小ΔP，杂散点的位置ΔP及此时对应的m_j变量的值，这样可以更直观地将数据提供给技术人员，以供参考和使用。

6.手动校验过程。同时，软件还配置了手动检验过程，可以自由的配置信号频点f_i和变量m_j，可以校验该频点下的杂散情况。

采用了该发明中的实现微波测试仪器近杂散自动校准的系统及方法，具有如下有益效果：

(1)解决了DDS数字化引起的杂散，可以将杂散校准到规定指标范围内(-80dBc以上)或消除，可以减少由于更改硬件电路而增加的成本。

(2)提出了用相噪仪来测试近端杂散(在1KHz～30MHz内)的方法，从而可以更准确地捕捉到信号的近端杂散，比频谱仪测试结果准确且测试时间少。

(3)测试过程完全自动化，一旦测试参数配置好后，系统可以自动运行，完成杂散的自动测试和校准过程，大大减少了人工测试的时间和精力(仪器自动测试校准仅需22小时，人工测试需约14个工作日以上)，且效率高，可靠性好。

(4)此方法还可运用于类似的系统中，用于自动测试并校准射频信号的近端杂散问题。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (7)

1.一种实现微波测试仪器近杂散自动校准的系统，其特征在于，所述的系统包括：

电源，用以为待测设备供电；

基带板，与所述的待测设备相连接；

控制终端，用以根据预先设定的程序通过基带板向所述的待测设备发送控制变量对应的频率控制字信号，并根据相噪仪测量得到的杂散点的大小与系统预设杂散判定值的大小关系进行杂散校准；

相噪仪，用以在不同的控制变量对应的频率控制字信号下检测杂散值并得到最大的杂散点对应的频率点、杂散点的位置及杂散点的大小。

2.一种基于权利要求1所述的系统实现微波测试仪器近杂散自动校准的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)设定系统预设杂散判定值；

(2)所述的控制终端配置测试频率点；

(3)所述的控制终端按顺序选择一个控制变量并将控制变量对应的频率控制字信号发送至所述的待测设备；

(4)所述的相噪仪在所述的控制变量对应的频率控制字信号下进行相位噪声测试；

(5)所述的相噪仪得到相位噪声曲线上最大的杂散点的大小；

(6)所述的控制终端判断所述的杂散点的大小和系统预设杂散判定值的关系，如果所述的杂散点的大小大于系统预设杂散判定值，则继续步骤(7)，否则输出校准已解决；

(7)所述的控制终端重新选取下一个控制变量并将控制变量对应的频率控制字信号发送至所述的待测设备，然后继续步骤(3)。

3.根据权利要求2所述的实现微波测试仪器近杂散自动校准的方法，其特征在于，所述的步骤(3)和(4)之间，还包括以下步骤：

(3-1)所述的控制终端判断所述的相噪仪是否将信号锁定，如果是，则继续步骤(4)，否则继续步骤(3-2)；

(3-2)所述的控制终端记录校准未解决并重新选择下一个频点，然后继续步骤(3-1)。

4.根据权利要求2所述的实现微波测试仪器近杂散自动校准的方法，其特征在于，所述的步骤(5)，具体为：

所述的相噪仪返回此次测试的频率点f_i，杂散点的位置Δf及杂散点的大小ΔP。

5.根据权利要求2所述的实现微波测试仪器近杂散自动校准的方法，其特征在于，所述的步骤(6)，包括以下步骤：

(6-1)所述的控制终端判断所述的杂散点的大小和系统预设杂散判定值的关系，如果所述的杂散点的大小大于系统预设杂散判定值，则继续步骤(7)，否则继续步骤(6-2)；

(6-2)所述的控制终端判断此次测试是当前控制变量的第几次测试，如果未达到预设同一变量重复测试次数，则测试次数加一并继续步骤(4)，如果已达到预设同一变量重复测试次数，则测试次数清零，并继续步骤(6-3)；

(6-3)所述的控制终端输出已解决并记录此次测试的频率点f_i，杂散点的位置Δf及杂散点的大小ΔP。

6.根据权利要求2所述的实现微波测试仪器近杂散自动校准的方法，其特征在于，所述的步骤(7)，具体为：

(7-1)所述的控制终端判断所述的控制变量是否为最后一个控制变量，如果是，则继续步骤(7-3)，否则继续步骤(7-2)；

(7-2)所述的控制终端重新选取下一个控制变量并将控制变量对应的频率控制字信号发送至所述的待测设备，然后继续步骤(4)；

(7-3)所述的控制终端输出未解决并输出此次测试的频率点f_i，杂散点的位置Δf及杂散点的大小ΔP，然后选择下一个频点，然后继续步骤(3)。

7.根据权利要求2所述的实现微波测试仪器近杂散自动校准的方法，其特征在于，所述的控制变量与待测设备的信号之间满足以下公式：

$FTW=2^{48}\×\frac{f_{dds}}{f_{ref}}$

$f_i=f_{dds}\×floor\left(\frac{f_i}{m_j}\right)$

其中，FTW为频率控制字，f_dds为待测设备中直接数字频率合成的输出频率，f_ref为待测设备中直接数字频率合成输出的参考时钟频率，f_i为待测设备最后输出的射频信号频率，floor代表向下取整，m_j为控制变量。