CN106443122A - 一种宽频带大动态信号高精度测量装置及方法 - Google Patents

一种宽频带大动态信号高精度测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种宽频带大动态信号高精度测量装置及方法，解决了目前普遍采用的频域分析法，不具备根据待测信号自适应配置解调通路状态参数的设置方法，缺乏灵活性，测试精度不高，不符合计量测试需求的问题。本发明的宽频带大动态信号高精度测量装置及方法，利用测试装置的预测试待测信号特征参数，通过创建自动规则处理器优化配置测试装置的通道增益值与解调带宽值，实现宽频带大动态信号的高精度测量。

Description

一种宽频带大动态信号高精度测量装置及方法
技术领域
本发明涉及通信领域，特别涉及一种宽频带大动态信号高精度测量装置，还涉及一种宽频带大动态信号高精度测量方法。
背景技术
随着军事通信及民用通信的迅速发展，宽频带信号发生技术也得到迅猛发展，其特点是信号频带越来越宽，调制制式也越来越复杂，其典型特征参数包括信号频率参数、幅度参数和调制参数等。
目前信号频率、幅度参数的测试多采用频域分析测试法，但是调制参数的测试过程更复杂，需要将频域分析测试状态参数如中心频率、通道增益、中频带宽、测量时间等，优化设置到合理的状态，得到载波信号及相应的边频信号之间的频率、幅度对应关系，进一步依据调制制式通过理论公式计算，得出调制参数。
这种方案有一个重大缺点是在频域状态下测试，宽频带信号多为非连续信号，具有调制特性，有一定的占用带宽，并且受调制格式、本底噪声、载波功率等的影响，特别是载波信号与边频信号之间的幅度、频率对应关系在频域无法保证测试精度，待测试信号信噪比(SNR)、总谐波失真(SINAD)、无失真动态范围(SDFR)以及谐波失真等指标将直接影响到各种调制参数的测量精度，导致宽频带信号无法实现高精度测量。
以信号处理模数转换器AD6645为例，AD6645是一款14位位宽，采样率105MHz的高速ADC，对于高精度的调制参数测量应用而言，要求调幅信号调幅深度的测量范围是1～99％，测量误差优于±(0.75％×读数)，当调制速率200kHz，调幅深度为1％时，测量误差范围为±0.0075％，任何随机噪声的叠加引入会产生错误的结果，对测试方法及测试装置提出严格的要求。当测量装置输入信号功率为0dBm时，以解调带宽为1MHz计算，由于ADC的谐波失真产生的异常响应通常超过-70dBc，根据随机噪声对测量结果的影响理论公式计算，实现精确地调制参数提取，至少需要37dB以上的信噪比，此时待测试信号与假响应的信噪比仅为14dB，异常响应信号、随机噪声的叠加严重恶化调制信号的测量精度。
目前普遍采用的频域分析法，不具备根据待测信号自适应配置解调通路状态参数的设置方法，缺乏灵活性，测试精度不高，不符合计量测试需求。在使用过程中需要测试人员根据待测试信号特征如调制率，边带幅度等，依据测试经验，手动调整通道参数，不同的通道设置参数，会得到不同的测试结果，因此，此类测试方法具有较大局限性。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明提出了一种宽频带大动态信号高精度测量装置及方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种宽频带大动态信号高精度测量装置，包括：信号接收单元、信号处理单元和规则处理单元；
信号接收单元包括：步进衰减器、开关放大器、基波混频器、可变带宽预滤波器、可调谐本振、本振倍频器；输入的宽频带信号依次进入步进衰减器、开关放大器、基波混频器、可变带宽预滤波器，根据信号幅度调整步进衰减器的衰减量，通过改变开关放大器的增益量提高弱信号测量能力；可调谐本振、本振倍频器、基波混频器组成变频接收通道，将宽频带信号降频至被模数变换器直接采集的频段；根据待测试信号特征参数占用带宽调整可变带宽预滤波器，实现解调带宽限定功能；
信号处理单元包括：模数转换器、时域数据处理器、频域数据处理器、信息运算处理器；信号接收单元输出的中频信号进入模数转换器完成模数转换，生成代表信号特征的IQ数据；IQ数据进入频域数据处理器，得到信号的频谱特征参数，同时IQ数据进入时域数据处理器，得到信号的时域特征参数；信号的频域特征参数与时域特征参数同时送达规则处理单元，并同时经过信息运算处理器计算得到调制格式、解调误差和解调失真等结果；
规则处理单元包括：参数预处理器和自动规则处理器；来自信号处理单元的信号频域与时域特征参数同时送达参数预处理器进行分解，进而送达自动规则处理器得到相关控制量，实现信号接收单元参数自动调整。
可选地，所述自动规则处理器进行如下操作：
(a)根据频率特征精确调整可调谐本振，实现与输入信号频率对齐，降低输入频率漂移对测试结果的影响；
(b)根据信号幅度特征调节步进衰减器和开关放大器的参数，实现测量动态范围最大化；
(c)根据信号占用带宽特征参数设置可变带宽预滤波器，优化解调带宽，降低带外噪声引入的测量误差。
基于上述装置，本发明还提出了一种宽频带大动态信号高精度测量方法，包括：(a)通道增益设置步骤和(b)解调带宽设置步骤；
(a)通道增益设置步骤包括：
步骤(11)，输入待测试信号根据预设初始状态进入至基波混频器，预设原则为此时最大安全输入信号进入基波混频器前为最优混频器电平，预设状态参数计算公式为：
最优混频器电平＝最大安全输入信号-步进衰减器设置值+开关放大器增益值
步骤(12)，在时域方式预设状态合理设置扫描时间和预滤波器带宽，测试得到信号峰值功率Ppeak；
步骤(13)，根据公式计算步进衰减器设置值：
ATT＝Ppeak+AMP-Lmixer，其中：
ATT：步进衰减器设置值；
Ppeak：信号峰值功率，单位dBm；
AMP：开关放大器增益值，当开关放大器为开时，增益为28-0.1×FREQ，当开关放大器1-2关时，增益为-0.1×FREQ；
FREQ：频率设置值，单位为GHz；
Lmixer：最优混频器电平设置值；
步骤(14)，根据步骤(13)计算步进衰减器设置值；
(b)解调带宽设置步骤包括：
步骤(21)，设置预滤波器初始解调带宽为10MHz，FFT测量，首次测试设置捕获时间为17ms，计算此时信号占用带宽；
步骤(22)，如果此时占用带宽大于2％的预滤波器带宽，进入步骤(24)，否则进行第二次占用带宽测试，设置此时预滤波器带宽为300kHz，中频带宽选取2×占用带宽(99.99％)、2.5kHz中的最大值；
步骤(23)，解调带宽设置原则：采用2×(99.99％占用带宽)作为预滤波器带宽；
步骤(24)，设置可变带宽预滤波器带宽。
可选地，所述步骤(12)，扫描时间默认为1s，对应调制率1Hz，预滤波器带宽默认值为10MHz。
可选地，所述步骤(13)中，Lmixer电平值默认为-10dBm+0.1×FREQ。
可选地，所述步骤(13)中，Lmixer步进值默认为2dB。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的宽频带大动态信号高精度测量装置设计了由信号接收、信号处理和规则处理三个单元组成的测试装置，实现了信号频谱参数、时域参数与解调参数的同步分析输出；
(2)本发明的宽频带大动态信号高精度测量方法设计了基于信号频域和时域预测试结果配置接收通道参数的测量规则处理方法，反馈自动控制步进衰减器、开关放大器和预滤波器，解决了噪声及失真的影响，实现了高精度测量。
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为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为本发明一种宽频带大动态信号高精度测量装置的控制框图；
图2为调制信号的典型频域谱图；
图3为本发明的宽频带大动态信号高精度测量方法的流程图。
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。
传统频谱分析仪能够实现信号频谱参数的测试，但是不具备调制参数特别是宽带调制参数的测试能力，缺乏灵活性，测试精度不高，不符合计量测试需求。
如图1所示，本发明提出了一种宽频带大动态信号高精度测量装置包括三个功能单元，分别为信号接收单元1、信号处理单元2和规则处理单元3。
信号接收单元1包括：步进衰减器1-1、开关放大器1-2、基波混频器1-3、可变带宽预滤波器1-4、可调谐本振1-5、本振倍频器1-6。
输入的宽频带信号依次进入步进衰减器1-1、开关放大器1-2、基波混频器1-3、可变带宽预滤波器1-4，步进衰减器1-1根据信号幅度大小可优化调整衰减器的衰减量，实现对大功率信号测试能力；通过改变开关放大器1-2的增益量提高弱信号测量能力，综合实现信号幅度的大动态范围测试；通过步进衰减器1-1的步进量和开关放大器1-2的开关组合能够实现大动态信号接收；可调谐本振1-5、本振倍频器1-6、基波混频器1-3组成变频接收通道，可调谐本振1-5与本振倍频器1-6的组合实现下变频接收功能，将宽频带信号降频至能被模数变换器直接采集的频段；可变带宽预滤波器1-4根据待测试信号特征参数带宽调整，实现解调带宽限定功能，降低进入测试通道内的噪声，以此提高测试结果精度。
信号处理单元2包括：模数转换器2-1、时域数据处理器2-2、频域数据处理器2-3、信息运算处理器2-4。信号接收单元1输出的中频信号进入模数转换器2-1完成模数转换，生成代表信号特征的IQ数据；IQ数据进入频域数据处理器2-2，得到信号的频谱特征参数，同时IQ数据进入时域数据处理器2-3，得到信号的时域特征参数；信号的频域特征参数与时域特征参数同时送达规则处理单元3，并同时经过信息运算处理器2-4进一步计算得到调制格式、解调误差和解调失真等结果。
规则处理单元3包括：参数预处理器3-1和自动规则处理器3-2。信号的频域与时域特征参数同时送达参数预处理器3-2进行分解，进而送达自动规则处理器3-2得到相关控制量，进而实现信号接收单元参数自动调整。
自动规则处理器3-2进行如下操作：
(a)根据频率特征精确调整可调谐本振1-5，实现与输入信号频率对齐，降低输入频率漂移对测试结果的影响；
(b)根据信号幅度特征调节步进衰减器1-1和开关放大器1-2的参数，实现测量动态范围最大化；
(c)根据信号占用带宽特征参数设置可变带宽预滤波器1-4，优化解调带宽，降低带外噪声引入的测量误差。
调制信号的典型频域谱如图2所示，调制信号是包含载波信号及无数对边频分量的集合，通过合理设置通道增益，能够实现无失真测试，降低测试误差；通过合理设置解调带宽，能够实现对全部边频信号的包络检测，同时减少宽带噪声叠加的影响，对测试结果的准确度和稳定性具有重要意义。
基于上述宽频带大动态信号高精度测量装置，本发明还提出了一种宽频带大动态信号高精度测量方法，利用测试装置的预测试待测信号特征参数，通过创建自动规则处理器优化配置测试装置的通道增益值与解调带宽值，实现宽频带大动态信号的高精度测量。
本发明的宽频带大动态信号高精度测量方法，包括：通道增益设置步骤和解调带宽设置步骤，如图3所示，具体如下：
通道增益设置步骤包括：
步骤(11)，输入待测试信号根据预设初始状态进入至基波混频器，预设原则为此时最大安全输入信号进入基波混频器前为最优混频器电平，预设状态参数计算公式为：
最优混频器电平＝最大安全输入信号-衰减器设置+开关放大器增益
步骤(12)，在时域方式下设置合理扫描时间(默认为1s，对应调制率1Hz)和合理预滤波器带宽(默认10MHz)，测试得到信号峰值功率Ppeak。
步骤(13)，根据公式计算步进衰减器1-1设置值：ATT＝Ppeak+AMP-Lmixer(Lmixer步进值默认为2dB)，其中：
ATT：步进衰减器设置值；
Ppeak：信号峰值功率，单位dBm；
AMP：开关放大器1-2增益值，当开关放大器1-2为开时，增益为28-0.1×FREQ(FREQ：频率设置值，单位为GHz)，当开关放大器1-2关时，增益为-0.1×FREQ；
Lmixer：最优混频器电平设置值，默认为-10dBm+0.1×FREQ。
步骤(14)，根据步骤(13)计算值设置步进衰减器1-1值。
解调带宽设置步骤包括：
步骤(21)，解调带宽设置原则：频域观测分析调制信号是具备无数边频覆盖一定带宽的信号，包络如图2所示，合理的测量带宽即解调带宽对测试结果具有重要意义，过大会引入过多的噪声，造成测量值偏大；过小会导致边频信号测试不全，采集信息量不足，测试结果产生失真。合理估算信号测试的解调带宽，确定边频信号无失真覆盖，本发明采用了2×(99.99％占用带宽)作为信号解调带宽，这样不仅能减少无用噪声进入解调带宽，降低测试误差，而且能根据信号发射功率覆盖的区间实现有用信息覆盖。
步骤(22)，设置最大预滤波带宽为10MHz，FFT测量，首次测试设置捕获时间为17ms，计算此时信号占用带宽，如果此时占用带宽大于2％的预滤波带宽，进入步骤(14)，否则进行第二次占用带宽测试，设置此时占用带宽为300kHz；中频带宽选取2×占用带宽(99.99％)、2.5kHz中的最大值。
步骤(23)，依据公式计算解调带宽，并设置可变带宽预滤波器1-4带宽。
本发明的宽频带大动态信号高精度测量装置设计了由信号接收、信号处理和规则处理三个单元组成的测试装置，实现了信号频谱参数、时域参数与解调参数的同步分析输出。
本发明的宽频带大动态信号高精度测量方法设计了基于信号频域和时域预测试结果配置接收通道参数的测量规则处理方法，反馈自动控制步进衰减器、开关放大器和预滤波器，解决了噪声及失真的影响，实现了高精度测量。
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 (6)

1.一种宽频带大动态信号高精度测量装置，其特征在于，包括：信号接收单元、信号处理单元和规则处理单元；
信号接收单元包括：步进衰减器、开关放大器、基波混频器、可变带宽预滤波器、可调谐本振、本振倍频器；输入的宽频带信号依次进入步进衰减器、开关放大器、基波混频器、可变带宽预滤波器，根据信号幅度调整步进衰减器的衰减量，通过改变开关放大器的增益量提高弱信号测量能力；可调谐本振、本振倍频器、基波混频器组成变频接收通道，将宽频带信号降频至被模数变换器直接采集的频段；根据待测试信号特征参数占用带宽调整可变带宽预滤波器，实现解调带宽限定功能；
信号处理单元包括：模数转换器、时域数据处理器、频域数据处理器、信息运算处理器；信号接收单元输出的中频信号进入模数转换器完成模数转换，生成代表信号特征的IQ数据；IQ数据进入频域数据处理器，得到信号的频谱特征参数，同时IQ数据进入时域数据处理器，得到信号的时域特征参数；信号的频域特征参数与时域特征参数同时送达规则处理单元，并同时经过信息运算处理器计算得到调制格式、解调误差和解调失真等结果；
规则处理单元包括：参数预处理器和自动规则处理器；来自信号处理单元的信号频域与时域特征参数同时送达参数预处理器进行分解，进而送达自动规则处理器得到相关控制量，实现信号接收单元参数自动调整。
2.如权利要求1所述的一种宽频带大动态信号高精度测量装置，其特征在于，所述自动规则处理器进行如下操作：
(a)根据频率特征精确调整可调谐本振，实现与输入信号频率对齐，降低输入频率漂移对测试结果的影响；
(b)根据信号幅度特征调节步进衰减器和开关放大器的参数，实现测量动态范围最大化；
(c)根据信号占用带宽特征参数设置可变带宽预滤波器，优化解调带宽，降低带外噪声引入的测量误差。
3.一种基于权利要求1或2所述装置的宽频带大动态信号高精度测量方法，其特征在于，包括：(a)通道增益设置步骤和(b)解调带宽设置步骤；
(a)通道增益设置步骤包括：
步骤(11)，输入待测试信号根据预设初始状态进入至基波混频器，预设原则为此时最大安全输入信号进入基波混频器前为最优混频器电平，预设状态参数计算公式为：
最优混频器电平＝最大安全输入信号-步进衰减器设置值+开关放大器增益值
步骤(12)，在时域方式预设状态合理设置扫描时间和预滤波器带宽，测试得到信号峰值功率Ppeak；
步骤(13)，根据公式计算步进衰减器设置值：
ATT＝Ppeak+AMP-Lmixer，其中：
ATT：步进衰减器设置值；
Ppeak：信号峰值功率，单位dBm；
AMP：开关放大器增益值，当开关放大器为开时，增益为28-0.1×FREQ，当开关放大器1-2关时，增益为-0.1×FREQ；
FREQ：频率设置值，单位为GHz；
Lmixer：最优混频器电平设置值；
步骤(14)，根据步骤(13)计算步进衰减器设置值；
(b)解调带宽设置步骤包括：
步骤(21)，设置预滤波器初始解调带宽为10MHz，FFT测量，首次测试设置捕获时间为17ms，计算此时信号占用带宽；
步骤(22)，如果此时占用带宽大于2％的预滤波器带宽，进入步骤(24)，否则进行第二次占用带宽测试，设置此时预滤波器带宽为300kHz，中频带宽选取2×占用带宽(99.99％)、2.5kHz中的最大值；
步骤(23)，解调带宽设置原则：采用2×(99.99％占用带宽)作为预滤波器带宽；
步骤(24)，设置可变带宽预滤波器带宽。
4.如权利要求3所述的一种宽频带大动态信号高精度测量方法，其特征在于，所述步骤(12)，扫描时间默认为1s，对应调制率1Hz，预滤波器带宽默认值为10MHz。
5.如权利要求3所述的一种宽频带大动态信号高精度测量方法，其特征在于，所述步骤(13)中，Lmixer电平值默认为-10dBm+0.1×FREQ。
6.如权利要求3所述的一种宽频带大动态信号高精度测量方法，其特征在于，所述步骤(13)中，Lmixer步进值默认为2dB。
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