CN106375039A - 一种提高矢量网络分析仪接收机动态范围的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种提高矢量网络分析仪接收机动态范围的方法，在测量信号进入矢量网络分析仪接收机通道之后，在实时数字处理系统中对测量信号进行预处理，测量信号首先输入到ADC采样数据缓存单元，当ADC采样数据缓存单元检测到ADC压缩时，过载信号补偿单元根据压缩率获得过载补偿功率值，使得最终计算结果与实际输入信号相等；当ADC处理小信号时，通过小信号噪声均值消除单元获得噪声均值，预处理掉噪声影响，提高后面数字中频处理板的动态范围。通过本发明的方法对测量信号进行修正、补偿处理，既可以正确测量超过ADC量程的输入信号，还可以增加矢量网络分析仪接收机系统的灵敏度，最终达到提高系统动态范围的目的。

Description

一种提高矢量网络分析仪接收机动态范围的方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种提高矢量网络分析仪接收机动态范围的方法。

背景技术

矢量网络分析仪是源和接收机一体的测量仪器，它本身就是一个激励/响应测试系统，为了测量矢量信号，至少需要两个接收机(测量接收机和参考接收机)。典型的矢量网络分析仪接收机通路结构如图1所示，接收机通路前方包括下变频电路、多路开关选控电路、前置信号放大电路，对不同频率不同功率的测量信号进行下变频、选择以及放大处理；接收机通路后方是全数字化的中频处理板。当一台矢量网络分析仪架构确定的时候，接收机通路各部分能达到的动态范围也是确定的，根据木桶效应，接收机通路上动态范围的最小值决定了最终的动态范围结果。作为信号处理的最终节点，数字中频处理板的动态范围是整个通路动态范围的决定性要素。确定了矢量网络分析仪将要达到的动态范围及系统中频，数字中频处理板的采样率和动态范围也随之确定。

矢量网络分析仪接收机动态范围定义为：保证接收机正常工作状态时，接收机通路能处理的最大信号电平与接收机灵敏度之间的差值。矢量网络分析仪接收机通路包括耦合器、混频器、数字中频处理板(有些高级矢量网络分析仪还包括信号调理板)；其中数字中频处理板(DSP板)的动态范围是整个矢量网络分析仪接收机动态范围的基础。在矢量网络分析仪中，数字中频处理板动态范围指的是瞬时信号动态范围，即处理板正常工作时可以处理的最大信号电平(1dB压缩点内)和1Hz中频带宽时信号灵敏度之间的差值。

当前矢量网络分析仪数字中频处理板一般包括如下几个部分：前端增益调节电路、预滤波电路、差分放大电路、AD采样、FPGA+DSP数字滤波处理。随着FPGA和DSP处理器的发展，以及数字信号处理技术的提高，数字中频处理板的单板动态范围也越来越大。根据前述结构可以看出，数字中频处理板最大可测量信号由AD前端通路上的放大器增益倍数和AD最大输入电压共同决定；数字中频处理板灵敏度由1mW电平的灵敏度公式确定：

-174dB+N_F+10*logB+K_SN (1)

其中：K_SN取10dB，N_F为AD前端总体噪声系数。

目前的数字处理中频带宽都能达到1Hz，上述公式1中B为1时，公式最终简化为N_F-164，也就是说灵敏度由AD前端噪声系数确定。为当信号超过AD最大输入电压时会产生过载现象，在频域上表现为中频频谱的扩展，导致中频信号的幅度响应产生压缩。

目前提高接收机动态范围的硬件方法包括采用位数更高的ADC、过采样技术、Dither技术等方法，而随着处理信号带宽的增大，采样率的提高，高采样率的ADC位数越多价格越昂贵；过采样技术无法解决本板噪声导致的灵敏度降低问题；Dither技术容易引入新的干扰且仅对某些情况有效，最大能提高3dB左右。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明提出了一种提高矢量网络分析仪接收机动态范围的方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种提高矢量网络分析仪接收机动态范围的方法，在测量信号进入矢量网络分析仪接收机通道之后，在实时数字处理系统中对测量信号进行预处理，测量信号首先输入到ADC采样数据缓存单元，当ADC采样数据缓存单元检测到ADC压缩时，过载信号补偿单元根据压缩率获得过载补偿功率值，使得最终计算结果与实际输入信号相等；当ADC处理小信号时，通过小信号噪声均值消除单元获得噪声均值，预处理掉噪声影响，提高后面数字中频处理板的动态范围。

可选地，所述过载信号补偿单元获得过载补偿功率值的过程包括以下步骤：

首先设置矢量网络分析仪输出功率电平为0dBm，此时数字中频处理板工作在正常范围内，求取当前信号的功率Po并存储，矢量网络分析仪信号源输出增加1dB，如果未压缩，下一次信号的功率Pc比当前信号的功率Po增大1dB，否则即为压缩，Pc与Po的差值即为过载补偿功率值，存储差值和功率值Pc，继续增大源功率，求出每一压缩功率下的功率差，存储功率差与功率差对应的压缩功率值Pc，等待信号预处理时使用。

可选地，所述小信号噪声均值消除单元获得噪声均值数据的流程包括以下步骤：

将矢量网络分析仪设置为功率关闭状态，去除矢量网络分析仪信号源输出产生的测量误差；矢量网络分析仪每一波段的接收机通路设置是固定的，仅需要计算波段中一个频率点的噪声均值即可，噪声均值通过获取一定数量的AD原始噪声采样数据，通过定义法求得这些噪声数据的期望值，作为矢量网络分析仪当前频段的噪声均值，存储后等待修正时使用。

可选地，获得过载补偿功率值和噪声均值后，正常信号处理时，首先将ADC原始采样数据缓存，缓存量不少于信号每周期采样个数；求得预处理ADC数据的正峰值A和信号功率P；在过载信号补偿单元中，首先判断正峰值A是否大于ADC满量程值，如果大于则取得与信号功率P最近的压缩功率Pc所对应的功率差值DeltaP；再进入小信号噪声均值消除单元，如果正峰值A小于ADC满量程值*2/3，则将ADC采样数据减去噪声均值后送入后续的数字中频处理板，获得的I、Q信息，在后续数字中频处理板的处理单元中加上DeltaP，最终输出。

本发明的有益效果是：

(1)可以动态去除数字中频处理板前端输入噪声，增加系统灵敏度；

(2)同时恢复过载的输入信号，增大ADC可处理的最大输入电平，最终增加整体的动态范围；

(3)无需增加硬件电路，节约成本，减小因为硬件电路引入的不确定因素。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为典型的矢量网络分析仪接收机通路原理图；

图2为本发明的提高矢量网络分析仪接收机动态范围的方法的原理图；

图3为本发明的自动噪声均值数据获取流程图；

图4为本发明的自动信号补偿数据获取流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前的处理板，如图1所示，ADC采样数据一般直接送入数字中频处理板中进行后续处理。在数字中频处理板硬件已经固定的情况下，本发明提出了一种提高矢量网络分析仪接收机动态范围的方法，在不改动现有的硬件电路的基础上，在测量信号进入矢量网络分析仪接收机通道之前，对测量信号进行预处理，充分利用FPGA的高性能处理能力。如图2所示，本发明的方法，测量信号首先输入到ADC采样数据缓存单元，在ADC采样数据缓存单元检测到ADC压缩时，过载信号补偿单元根据压缩率进行补偿，使得最终计算结果与实际输入信号相等；当ADC处理小信号时，通过小信号噪声均值消除单元预处理掉噪声的影响，从而使后面的数字中频处理板既可以处理过载信号(信号电平超过1dB压缩点功率)，同时还可以进一步提高小信号测量的灵敏度，最终在不改动硬件电路的基础上进一步提高数字中频处理板的动态范围。

下面结合说明书附图对本发明的方法进行详细说明。

图3示出了过载信号补偿单元获得过载补偿功率值的过程，首先设置矢量网络分析仪输出功率电平为0dBm，此时数字中频处理板工作在正常范围内，求取当前信号的功率Po并存储，矢量网络分析仪信号源输出增加1dB，如果未压缩，下一次的信号功率Pc应该比Po增大1dB，否则即为压缩，Pc与Po的差即为过载需要补偿的值，存储差值和Pc，继续增大源功率，求出每一压缩功率下的功率差，存储功率差与功率差对应的压缩功率值Pc，等待信号预处理时使用。

图4示出了小信号噪声均值消除单元获得噪声均值数据的过程，噪声均值数据获取流程中需要将矢量网络分析仪设置为功率关闭状态，以去除矢量网络分析仪信号源输出产生的测量误差；矢量网络分析仪每一波段的接收机通路设置是固定的，因此仅需要计算波段中一个频率点的噪声均值即可；噪声均值通过获取一定数量的AD原始噪声采样数据，通过定义法(本发明中假设噪声信号服从高斯分布，则其噪声期望值为：其中i从1～N，x_i为AD数据，p_i为0～1的随机数，N为AD采样数据个数)求得这些噪声数据的期望值，作为矢量网络分析仪当前频段的噪声均值，存储后等待修正时使用。

通过图3和图4所示流程获得过载补偿功率值和噪声平均功率值后，正常信号处理时，首先将ADC原始采样数据缓存，缓存量要不少于信号每周期采样个数，一般采用2个周期即可满足计算要求；求得预处理ADC数据的正峰值A和信号功率电平P(矩形窗FIR滤波即可)。在过载信号补偿单元中，首先判断A是否大于ADC满量程值，如果大于则取得与功率P最近的压缩功率Pc所对应的功率差值DeltaP；再进入小信号噪声均值消除单元，如果A小于ADC满量程值*2/3，则将ADC采样数据减去噪声平均功率后送入后续的数字滤波处理单元，获得的I、Q信息，在后续处理单元中加上DeltaP，最终输出。

通过本发明的上述方法对测量信号进行修正、补偿处理，既可以正确测量超过ADC量程的输入信号，还可以增加矢量网络分析仪接收机系统的灵敏度，最终达到提高系统动态范围的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种提高矢量网络分析仪接收机动态范围的方法，其特征在于，在测量信号进入矢量网络分析仪接收机通道之后，在实时数字处理系统中对测量信号进行预处理，测量信号首先输入到ADC采样数据缓存单元，当ADC采样数据缓存单元检测到ADC压缩时，过载信号补偿单元根据压缩率获得过载补偿功率值，使得最终计算结果与实际输入信号相等；当ADC处理小信号时，通过小信号噪声均值消除单元获得噪声均值，预处理掉噪声影响，提高后面数字中频处理板的动态范围。

2.如权利要求1所述的一种提高矢量网络分析仪接收机动态范围的方法，其特征在于，所述过载信号补偿单元获得过载补偿功率值的过程包括以下步骤：

首先设置矢量网络分析仪输出功率电平为0dBm，此时数字中频处理板工作在正常范围内，求取当前信号的功率Po并存储，矢量网络分析仪信号源输出增加1dB，如果未压缩，此次测得信号的功率Pc应比上次测得信号的功率Po增大1dB，否则即为压缩，Pc与Po的差值即为过载补偿功率值，存储差值和功率值Pc，继续增大源功率，求出每一压缩功率下的功率差，存储功率差与功率差对应的压缩功率值Pc，等待信号预处理时使用。

3.如权利要求1所述的一种提高矢量网络分析仪接收机动态范围的方法，其特征在于，所述小信号噪声均值消除单元获得噪声均值数据的流程包括以下步骤：

将矢量网络分析仪设置为功率关闭状态，去除矢量网络分析仪信号源输出产生的测量误差；矢量网络分析仪每一波段的接收机通路设置是固定的，仅需要计算波段中一个频率点的噪声均值即可，噪声均值通过获取一定数量的AD原始噪声采样数据，通过定义法求得这些噪声数据的期望值，作为矢量网络分析仪当前频段的噪声均值，存储后等待修正时使用。

4.如权利要求2或3所述的一种提高矢量网络分析仪接收机动态范围的方法，其特征在于，获得过载补偿功率值和噪声均值后，正常信号处理时，首先将ADC原始采样数据缓存，缓存量不少于信号每周期采样个数；求得预处理ADC数据的正峰值A和信号功率P；在过载信号补偿单元中，首先判断正峰值A是否大于ADC满量程值，如果大于则取得与信号功率P最近的压缩功率Pc所对应的功率差值DeltaP；再进入小信号噪声均值消除单元，如果正峰值A小于ADC满量程值*2/3，则将ADC采样数据减去噪声均值后送入后续的数字中频处理板，获得的I、Q信息，在后续数字中频处理板的处理单元中加上DeltaP，最终输出。