CN106483445A - 宽带电路相位非线性失真的一种内建测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽带电路相位非线性失真的一种内建测量方法及装置，其根据被校正系统相位非线性数据，获得在系统带宽内校正特性近似理想的全通IIR滤波结构；为高效率实现校正，利用多项式长除法以并行多路FIR滤波结构逼近理想IIR滤波结构，利用快速迭代短卷积算法将复杂卷积分解成包含预后处理矩阵的短卷积运算，大幅节约硬件资源，使得改进的并行多路全通FIR滤波校正结构可以数字逻辑量化实现。

Description

宽带电路相位非线性失真的一种内建测量方法及装置

技术领域

本发明属于宽带系统的信号测试技术领域，更为具体地讲，涉及一种宽带电路相位非线性失真的测试方法及装置。

背景技术

宽带电路系统的相位非线性失真特性对其工作带宽内信号的传输将产生不利影响，如通信系统中相位非线性造成严重的码间串扰，当用相位非线性表示时是指系统对信号传输的延迟特性。在宽带系统中，一般包含有混频器、滤波器、射频开关、放大衰减器等器件单元，非理想状态下都会产生相位非线性失真，造成宽带信号的传输失真。

传统的相位非线性失真测量方法中最简单的是采用基于矢量网络分析仪的测试方案，把被测电路或器件(DUT)接入矢量网络分析仪的收发通道之间，基于一种双通道接收机模式，即测试通道与参考通道的模式，通过对关心的频带连续扫频，从而完成DUT相位特性测量；这需要扫频信号源和一个功分器、耦合器以及具有双接收通道等硬件配置，数据处理使用数学工具，其硬件配置如图3所示。测试时先要根据测试不同的对象设置扫频源以覆盖测试对象的全部有效带宽，将扫频信号源通过功分器得到两路相同的信号；一路先通过测试对象DUT进入测试通道，一路直接进入参考通道；对测试结果采用比相(相位比较)方法实现相位差获取；再对输出数据进行解缠绕处理，得到连续变化的相位信息；若需获得时延非线性，则对此相位信息进行一定的插值平滑处理，选取适当孔径(处理步长)做微分处理即可。然而这类测试方法的缺点：需要双通道、扫频模式，系统配置复杂、检测速度慢，限制了其在电子系统中內建测试的应用。在大量的电子系统应用中，实时快速的通道自检测试需求较大。目前一种常见的内建的失真自检机制为伪随机序列机制，它采用一段重复的具有2电平分布的伪随机序列片段作为测试激励，对序列信号上升或下降沿的瞬态采集并通过一系列数学处理获得被测对象信息，它假设了序列的上升或下降沿的瞬态是一致的前提，然而这种通常以ECL(射级耦合)门切换或其他高速开关获得的序列，在宽带测试要求时是不易满足的，序列设计及存储对硬件提出较高要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的系统复杂、硬件指标要求高等不足，提供一种仅需要一个被测系统的单一通道即可的宽带相位非线性测量方案，即通道自检方案，相比传统的测量方案通用性更高，装置简单，不但能测得通道相位非线性的动态范围，而且经过处理可获得准确值。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种宽带电路相位非线性失真的一种内建测量方法，包括以下步骤：

S1：对于不同被测对象DUT定制专门的测试信号，测试信号使用定制脉冲调制信号，设置该信号的相关参数以覆盖测试对象的全部有效带宽，测试信号定制方法为：

S1.1：根据被测试对象工作带宽B，设置脉冲调制信号的第一主瓣宽度，使测试信号的脉冲宽度w满足：w＝2/B；

S1.2：根据被测试对象工作带宽B，将待测试宽带划分为N个相互正交子带，测试信号s(t)表示为

其中N为正交子带数，Δf为子带宽度，a_i为子带的幅度，j为复数算子；被测试对象工作带宽B应满足相互正交的子带设计既可使临近频率的相互影响为0，避免临近频率的影响，又可避免全相位DFT变换过程中的频谱泄露，使测试信号的脉冲重复频率f和量化采样速率f_s需满足：

S1.3：测试信号的调制载波采用正弦周期信号，使调制载波频率与被测宽带电路的中心频率f_c一致，即：f_s＝f_L+B/2，f_L为被测宽带的下截止频率；S2：使测试信号的脉冲与调制载波的发生参考时钟与量化采样时钟参考一致，以便获得一致的相干采样，减少对相位非线性的测试干扰；

S3：将信号接入被测对象后，对其输出响应进行量化采样；

S4：设置阈值并使用极值搜索法获得量化采样序列的第一个波峰值，并以此起始截取2N点量化采样序列，2N为全相位FFT的数据点数，N＝2^M，M可取(10～16)区间上整数；

S4.1：对量化采样序列A(n)应用极值搜索法，采样序列超过阈值δ的极值点有：

然后取：

n，m为任意的采样序列号，并有n≠m；即取大于时域波形幅值最大值的1/3的波形极大值点的第一个点，作为量化采样序列的第一个波峰值点S；

S4.2：依第一个波峰值点S起始，截取全相位所要求的2N点采样序列数据。

S4.3：对搜索截取的2N点采样序列，做2N点全相位DFT计算，即可获得每个子带频率点上的幅度频率序列A[i]、相位频率序列p[i]；

S5：对量化采样序列A(n)选取的2N点采样序列数据进行解卷积处理，或，直接做全相位FFT处理，即可得到被测对象在沿频率轴全部正交子带内的幅度信息及相位信息；

S6：若需进一步获得被测对象的群时延等信息，则可根据已知的解缠绕技术，对S5得到的相位序列p[i](i＝1，2，...N-1)做解缠绕处理，把约束在2π范围内的相位展开成连续相位，即：

再选定适当的孔径L，对此解缠绕输出的相位序列p_unwrap[i](i＝1，2，...N-1)做微分计算即可，即

式中，t_delay[i]为被测对象的群时延序列，d为微分算子，f_L，f_i为序列第i点与第i-L点之间的等效频差。

本发明提供了一种宽带电路相位非线性失真的一种内建测量装置，包括定制脉调信号激励模块，被测宽带电路，量化采样模块，数字处理模块；

所述的定制脉调信号激励模块用于产生测试激励信号，定制脉调信号激励模块时钟源与量化采样模块时钟同源；

所述的被测宽带电路为被测系统中需要测试其相位非线性参数的电路部分；

所述的量化采样模块用于完成对被测宽带电路输出响应进行量化采样，使连续信号量化成为数字序列；

所述的数字处理模块包括：序列预处理模块，全相位DFT处理模块及非线性失真输出模块；所述的序列预处理模块用于对量化采样输出的数据序列进行截取；所述的全相位DFT处理模块用于对截取数据序列进行全相位DFT处理，获得被测宽带电路的全部子带的幅频、相频特性；所述的非线性失真输出模块用于输出幅度频率特性、相位频率特性、群时延特性；

定制脉调信号激励模块产生一个根据被测宽带电路特性定制测试信号，该信号将被测宽带分为多个正交子带，该信号激励被测宽带电路并输出至量化采样模块，后者完成信号的采样数字化；量化采样模块的输出序列经序列预处理模块，搜索并截取获得2N点长度，作为全相位DFT模块输入，经全相位DFT计算，在上述各子带上获得被测宽带电路的幅度频率特性、相位频率特性以及进一步获得群时延特性。

本发明利用了定制脉冲调制信号的能量在被测对象全频带上梳状分布这一性质，并且定制脉冲调制信号的频谱可将被测对象频带划分为多个相互正交子带，使临近频率的相互影响加以正交抵消，同时避免全相位FFT变换过程中的频谱泄露，图2为定制脉冲调制序列的特性示意，利用定制脉冲调制序列的这种频谱特性，单次测量就可以得到所关心的被测对象频带内各个频点的幅度及相位信息，由此相位信息就可以得到有效频带内相位非线性的动态范围。

本发明具有以下有益效果：本发明利用定制的脉冲调制测试信号，通过被测系统既有量化采样装置，量化后在数字电路内完成相位数据处理，单通道一次实现对被测系统相位非线性特性的快速测试，如图4；测试信号及相位数据计算均可内建于原被测系统，在系统需要自检时，由开关切换导入。

附图说明

图1是本发明中单通道相位非线性测量方案图；

图2是定制测试信号傅立叶变换频谱；

图3是传统双通道相位非线性测量方案图；

图4是内建于被测系统的单通道检测切换示意图；

图5是定制测试信号多子带正交处理示意图；

图6是测量160MHz滤波器所定制的脉冲调制信号图；

图7是量化采样的时域波形及其局部细节图；

图8(a)为未采用极值搜索法的序列全相位FFT结果图；

图8(b)为采用极值搜索法的序列全相位FFT结果图；

图8(c)为某矢量网络分析仪测量的DUT相频响应图；

图9(a)为DUT的unwrap后的相频响应图；

图9(b)为某矢量网络分析仪对DUT相频响应图；

图10(a)为DUT的unwrap后的群时图；

图10(b)为某矢量网络分析仪对DUT群时延图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

如图1、2、4、5所示，本发明提供了一种宽带电路相位非线性失真的一种内建测量方法，包括以下步骤：

S1：对于不同被测对象DUT定制专门的测试信号，测试信号使用定制脉冲调制信号，设置该信号的相关参数以覆盖测试对象的全部有效带宽，测试信号定制方法为：

S1.1：根据测试对象工作带宽B，设置脉冲调制信号的第一主瓣宽度，使测试信号的脉冲宽度τ满足：τ＝2/B；

S1.2：将待测试宽带划分为N个相互正交子带，既可使临近频率的相互影响为0，避免临近频率的影响，又可避免全相位FFT变换过程中的频谱泄露，使测试信号的脉冲周期T和量化采样速率需满足：

S1.3：测试信号的调制载波采用正弦周期信号，其频率与被测对象的待测宽带中间频率f₀一致，即：T_s＝1/f₀；

S2：使测试信号的脉冲与调制载波的发生参考时钟与量化采样时钟参考一致，以便获得一致的相干采样，减少对相位非线性的测试干扰；

S3：将信号接入被测对象后，对其输出响应进行量化采样；

S4：设置阈值并使用极值搜索法获得量化采样序列的第一个波峰值，并以此起始截取2N点量化采样序列，2N为全相位FFT的数据点数，N＝2^M，M可取(10～16)区间上整数；

S4.1：对量化采样序列A(n)应用极值搜索法，采样序列超过阈值的极值点有：δ

然后取：

n，m为任意的采样序列号，并有n≠m；即取大于时域波形幅值最大值的1/3的波形极大值点的第一个点，就是量化采样序列的第一个波峰值点S；

S4.2：依第一个波峰值点S起始，截取全相位所要求的2N点采样序列数据；

S5：对量化采样序列A(n)选取的2N点采样序列数据进行解卷积处理，或，直接做全相位FFT处理，即可得到被测对象在沿频率轴全部正交子带内的幅度信息及相位信息；

S6：若需进一步获得被测对象的群时延等信息，则可根据已知的解缠绕技术，对S5得到的相位序列p[i](i＝1，2，...N-1)做解缠绕处理，把约束在2π范围内的相位展开成连续相位，即：

再选定适当的孔径L，对此解缠绕输出的相位序列p_unwrap[i](i＝1，2，...N-1)做微分计算即可，即

式中，t_delay[i]为被测对象的群时延序列，d为微分算子，f_L，f_i为序列第i点与第i-L点之间的等效频差。

如图1所示，本发明提供了一种宽带电路相位非线性失真的一种内建测量装置，包括：包括定制脉调信号激励模块，被测宽带电路，量化采样模块，数字处理模块；

所述的定制脉调信号激励模块用于产生测试激励信号，定制脉调信号激励模块时钟源与量化采样模块时钟同源；

所述的被测宽带电路为被测系统中需要测试其相位非线性参数的电路部分；

所述的量化采样模块用于完成对被测宽带电路输出响应进行量化采样，使连续信号量化成为数字序列；

所述的数字处理模块包括：序列预处理模块，全相位DFT处理模块及非线性失真输出模块；所述的序列预处理模块用于对量化采样输出的数据序列进行截取；所述的全相位DFT处理模块用于对截取数据序列进行全相位DFT处理，获得被测宽带电路的全部子带的幅频、相频特性；所述的非线性失真输出模块用于输出幅度频率特性、相位频率特性、群时延特性；

工作流程：

定制脉调信号模块产生一个根据被测宽带电路特性定制测试信号，该信号将被测宽带分为多个正交子带，该信号激励被测宽带电路并输出至量化采样模块，后者完成信号的采样数字化，量化采样与定制脉调信号模块使用同源时钟；量化采样模块的输出序列经序列预处理模块，搜索并截取获得2N点长度，作为全相位DFT模块输入，经全相位DFT计算，在上述各子带上获得被测宽带电路的幅度频率特性、相位频率特性以及进一步获得群时延特性。

被测系统可內建测试：对通道中某中心频率带宽B的滤f_c波器实施自检。对于该滤波器DUT，为简化说明，我们设计测试信号如图6所示：f_c，(τ＝1/f_c)，T＝Nτ，使测试信号第一主瓣的宽度为B，信号发生装置內建于被测系统中，便于即时自检。由S1.1和S1.2可知，设系统量化采样率f_s≥2.56B时，我们将FFT长度设为N。测试信号经被测对象DUT后时域波形如图7所示。

通过极值搜索获得正弦波序列首波峰，并以此为起始截取2N长数据片段；经过全相位FFT变换之后，其幅频特性以及相频特性分别如图8(a)、图8(b)、图8(c)。图8(a)为未采用极值搜索法时获得序列的全相位FFT计算结果，其相位动态范围被放大了3倍左右，而该倍数随信号噪声的存在而变化，不利于获得准确的相位信息；图8(b)为极值搜索法后获得序列的全相位FFT计算结果。图8(c)为某矢量网络分析仪的对DUT测试结果的比较。

由于定制的测量信号其线状谱子带与后端全相位FFT计算参数构成了正交子带的特点，如图5所示，避免了子带间干扰以及可能的频谱泄露对相位测试的影响。

想要得到相位非线性信息还需要对相位进行解缠绕(Unwrap)，把原本被限制在-π到π之间的相位展开为连续相位，可用来保留相邻点之间的相位相关性。如相位中相邻的差值大于π，相位单位是弧度输入，弧度输出。对相位解卷积之后的结果如图9(a)所示，图9(b)是某矢量网络分析仪的解卷积输出结果，两者比较结果一致。

由unwrap之后的相位信息计算相位非线性，若需进一步群时延结果，选取适当的孔径，对曲线做相应的平滑处理就可以得到如图10(a)所示的曲线，图10(b)是某矢网的比较结果，两个结果误差可以控制在ns级范围内。

本发明根据被校正系统相位非线性数据，获得在系统带宽内校正特性近似理想的全通IIR滤波结构；为高效率实现校正，利用多项式长除法以并行多路FIR滤波结构逼近理想IIR滤波结构，利用快速迭代短卷积算法将复杂卷积分解成包含预后处理矩阵的短卷积运算，大幅节约硬件资源，使得改进的并行多路全通FIR滤波校正结构可以数字逻辑量化实现。

Claims (8)

1.一种宽带电路相位非线性失真的一种内建测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对于不同的被测系统定制测试信号，根据测试对象工作带宽B的待测宽带中间频率f₀以及原系统量化采样率，定制专门的测试信号参数，并使用一內建信号发生电路产生所设计测试脉冲信号；

S2：使S1中产生的测试信号和量化采样时钟共享同一时钟源，即测试脉冲信号的发生参考与量化采样时钟参考同源，以便获得一致相干的量化采样；

S3：将S1中产生的测试信号接入被测系统宽带电路的输入端，其输出响应经原系统量化采样电路采集量化为时域序列；

S4：对S3中产生的时域序列设定阈值并使用极值搜索法，获得时域序列的首个波峰值，并以此为起始截取2N点时域序列，2N为全相位DFT长度，N＝2^M，M取10～16区间上的整数；

S5：对量化采样序列选取的2N点采样序列数据进行解卷积处理，或，直接做全相位DFT处理，即可得到被测对象在沿频率轴全部正交子带内的幅度信息及相位信息；

S6：当需获得群时延数据时，对相位信息进一步微分处理。

2.如权利要求1所述的宽带电路相位非线性失真的一种内建测量方法，其特征在于，所述S1测试信号定制方法为：

S1.1：根据被测试对象工作带宽B，设置脉冲调制信号的第一主瓣宽度，使测试信号的脉冲宽度w满足：w＝2/B；

S1.2：根据被测试对象工作带宽B，将待测试宽带划分为N个相互正交子带，测试信号s(t)表示为

$s\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{a}_i{e}^{j2\mathrm{\π}i\mathrm{\Δ}ft},i=1,2,...N$

其中N为正交子带数，Δf为子带宽度，a_i为子带的幅度，j为复数算子；被测试对象工作带宽B应满足相互正交的子带设计既可使临近频率的相互影响为0，避免临近频率的影响，又可避免全相位DFT变换过程中的频谱泄露，使测试信号的脉冲重复频率f和量化采样速率f_s需满足：

S1.3：测试信号的调制载波采用正弦周期信号，使调制载波频率与被测宽带电路的中心频率f_c一致，即：f_s＝f_L+B/2，f_L为被测宽带的下截止频率。

3.如权利要求1所述的宽带电路相位非线性失真的一种内建测量方法，其特征在于，所述的S4还包括以下步骤：

S4.1：对量化采样序列A(n)应用极值搜索法，采样序列超过阈值δ的极值点有：

$A_{max}=\underset{A>\mathrm{\δ}}{max}\{A\left(n\right):\frac{dA\left(n\right)}{dt}=0\}$

然后取：

n，m为任意的采样序列号，并有n≠m；即取大于时域波形幅值最大值的1/3的波形极大值点的第一个点，作为量化采样序列的第一个波峰值点S；

S4.2：依第一个波峰值点S起始，截取全相位所要求的2N点采样序列数据。

S4.3：对搜索截取的2N点采样序列，做2N点全相位DFT计算，即可获得每个子带频率点上的幅度频率序列A[i]、相位频率序列p[i]。

4.如权利要求1所述的宽带电路相位非线性失真的一种内建测量方法，其特征在于：当需进一步获得被测对象的群时延信息时，则根据已知的解缠绕技术，对S5得到的相位序列p[i]做解缠绕处理，其中i＝1，2，...N-1，把约束在2π范围内的相位展开成连续相位，即：

再选定适当的孔径L，对此解缠绕输出的相位序列p_unwrap[i]做微分计算即可，即

式中，t_delay[i]为被测对象的群时延序列，d为微分算子，f_L，f_i为序列第i点与第i-L点之间的等效频差

$t_{delay}\[i\]=-\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{d\left(P_{unwrap}\[i\]-P_{unwrap}\[i-L\]\right)}{f_L-f_i},i=1,...,N-1.$

5.一种宽带电路相位非线性失真的一种内建测量装置，其特征在于：包括定制脉调信号激励模块，被测宽带电路，量化采样模块，数字处理模块；

所述的定制脉调信号激励模块用于产生测试激励信号，定制脉调信号激励模块时钟源与量化采样模块时钟同源；

所述的被测宽带电路为被测系统中需要测试其相位非线性参数的电路部分；

所述的量化采样模块用于完成对被测宽带电路输出响应进行量化采样，使连续信号量化成为数字序列；

所述的数字处理模块包括：序列预处理模块，全相位DFT处理模块及非线性失真输出模块；所述的序列预处理模块用于对量化采样输出的数据序列进行截取；所述的全相位DFT处理模块用于对截取数据序列进行全相位DFT处理，获得被测宽带电路的全部子带的幅频、相频特性；所述的非线性失真输出模块用于输出幅度频率特性、相位频率特性、群时延特性；

定制脉调信号激励模块产生一个根据被测宽带电路特性定制测试信号，该信号将被测宽带分为多个正交子带，该信号激励被测宽带电路并输出至量化采样模块，后者完成信号的采样数字化；量化采样模块的输出序列经序列预处理模块，搜索并截取获得2N点长度，作为全相位DFT模块输入，经全相位DFT计算，在上述各子带上获得被测宽带电路的幅度频率特性、相位频率特性以及进一步获得群时延特性。

6.如权利要求5所述的宽带电路相位非线性失真的一种内建测量装置，其特征在于，定制脉调信号激励模块的测试信号定制过程为：

根据被测试对象工作带宽B，设置脉冲调制信号的第一主瓣宽度，使测试信号的脉冲宽度w满足：w＝2/B；

根据被测试对象工作带宽B，将待测试宽带划分为N个相互正交子带，测试信号s(t)表示为

$s\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{a}_i{e}^{j2\mathrm{\π}i\mathrm{\Δ}ft},i=1,2,...N$

其中N为正交子带数，Δf为子带宽度，a_i为子带的幅度，j为复数算子；被测试对象工作带宽B应满足相互正交的子带设计既可使临近频率的相互影响为0，避免临近频率的影响，又可避免全相位DFT变换过程中的频谱泄露，使测试信号的脉冲重复频率f和量化采样速率f_s需满足：

测试信号的调制载波采用正弦周期信号，使调制载波频率与被测宽带电路的中心频率f_c一致，即：f_s＝f_L+B/2，f_L为被测宽带的下截止频率。

7.如权利要求5所述的宽带电路相位非线性失真的一种内建测量装置，其特征在于，所述的数字处理模块

对量化采样序列A(n)应用极值搜索法，采样序列超过阈值δ的极值点有：

$A_{max}=\underset{A>\mathrm{\δ}}{max}\{A\left(n\right):\frac{dA\left(n\right)}{dt}=0\}$

然后取：

n，m为任意的采样序列号，并有n≠m；即取大于时域波形幅值最大值的1/3的波形极大值点的第一个点，作为量化采样序列的第一个波峰值点S；

依第一个波峰值点S起始，截取全相位所要求的2N点采样序列数据。

对搜索截取的2N点采样序列，做2N点全相位DFT计算，即可获得每个子带频率点上的幅度频率序列A[i]、相位频率序列p[i]。

8.根据权利要求7所述的宽带电路相位非线性失真的一种内建测量装置，其特征在于，

当需进一步获得被测对象的群时延信息时，则根据已知的解缠绕技术，对S5得到的相位序列p[i]做解缠绕处理，其中i＝1，2，...N-1，把约束在2π范围内的相位展开成连续相位，即：

再选定适当的孔径L，对此解缠绕输出的相位序列p_unwrap[i]做微分计算即可，即

式中，t_delay[i]为被测对象的群时延序列，d为微分算子，f_L，f_i为序列第i点与第i-L点之间的等效频差

$t_{delay}\[i\]=-\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{d\left(P_{unwrap}\[i\]-P_{unwrap}\[i-L\]\right)}{f_L-f_i},i=1,...,N-1.$