CN106603166B - 一种用于宽带调制信号的矢量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于宽带调制信号的矢量测量装置，该测量装置包括信号生成单元、信号采集单元和控制处理单元，信号生成单元用于生成等时基的调制信号、待测信号、第一和第二参考信号，信号采集单元包括取样示波器，控制处理单元用于控制所述取样示波器进行信号采集并获得信号采集结果，对采集的所述待测信号、第一参考信号和第二参考信号进行数据处理并获得待测信号的信号幅度和相位信息。本发明还公开一种应用上述测量装置的宽带调制信号的矢量测量方法。本发明所述的装置及方法，不需要具有特殊功能或特制的仪器设备即可实现宽带调制信号的矢量测量，且准确度高，操作方便，提高了调制信号的测量测试水平。

Description

一种用于宽带调制信号的矢量测量装置及方法

技术领域

本发明涉及调制信号测量技术领域。更具体地，涉及一种用于宽带调制信号的矢量测量装置及方法。

背景技术

信号调制是使一种波形的某些特性按另一种波形或信号而变化的过程或处理方法。在无线电通信中，利用电磁波作为信息的载体。信息一般是待传输的基带信号(即调制信号)，其特点是频率较低、频带较宽且相互重叠，为了适合单一信道传输，必须进行调制。所谓调制，就是将待传输的基带信号(调制信号)加载到高频振荡信号(载波信号)上的过程，其实质是将基带信号搬移到高频载波上去，也就是频谱搬移的过程，目的是把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的高频信号。

调制信号测量在无线通信、雷达、仪器设备应用等方面非常重要。目前，调制的射频信号能够通过宽带的射频功率计，具有特殊分析功能的频谱分析仪，或专门的通信测试仪器进行测量。但是，这些方法都需要具有特殊功能的仪器设备，无法通过常规通用仪器实现。

示波器是常用于通信信号测试的通用设备，能够实现许多功能。计量校准能力的提高，已经能够满足高带宽数字示波器和取样示波器的溯源性要求。所以，利用示波器进行调制信号测量是一种方便可行的手段。实时示波器能够采集整个窗口中的射频信号，所以它不需要对数据格式进行约束。但是奈奎斯特采样约束了示波器的最小采样率，从而约束了最大采样窗口。相较于实时示波器，取样示波器能够应用至更高频率，测量重复性的信号时具有明显优势。

因此，需要提供一种利用取样示波器进行宽带调制信号的矢量测量的装置及方法，较为方便地实现宽带调制信号的矢量测量。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种利用取样示波器通道间的时间相关性进行宽带调制信号的矢量测量的装置。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于宽带调制信号的矢量测量装置，该测量装置包括，

信号生成单元，

用于生成同时基的调制信号、待测信号、第一和第二参考信号，

调制信号对载波信号进行调制后生成待测信号，

第一和第二参考信号的频率与载波信号频率相同，且为具有相同幅值且正交的正弦信号；

信号采集单元，

包括取样示波器及

设置在取样示波器上的接收待测信号的第一输入端、接收调制信号的第二输入端、接收第一参考信号的第三输入端和接收第二参考信号的第四输入端，以及

控制处理单元，

与信号采集单元电连接，用于控制取样示波器进行信号采集并获得信号采集结果，对采集的待测信号、第一参考信号和第二参考信号进行数据处理并获得待测信号的信号幅度和相位信息。

优选地，信号生成单元包括

第一合成器，用于生成调制信号、待测信号和共时基信号，以及

第二合成器，用于生成与载波信号频率相同的第三参考信号，信号生成单元根据第三参考信号获得第一和第二参考信号；

第一合成器发送共时基信号至第二合成器，共时基信号用于保证第二合成器与第一合成器共时基。

进一步优选地，信号生成单元还包括用于功率平分的功分器和用于相位延迟的可变延迟线，功分器用于接收并将第三参考信号分成两路信号，其中一路信号作为第一参考信号，另一路信号经可变延迟线后作为第二参考信号。

进一步优选地，共时基信号为10MHz参考信号。

进一步优选地，可变延迟线用于产生90°相位差。

优选地，信号采集单元中第三输入端和第四输入端对应于取样示波器同一模块中的两个通道。

优选地，控制处理单元对采集的待测信号、第一参考信号和第二参考信号进行数据处理包括

控制取样示波器采集一个周期的被测信号，通过调节取样示波器，使数据采集窗口能够采集一个周期的被测信号，控制取样示波器的数据采集的开始、结束、数据采集长度、数据采集次数等；

读取并存储取样示波器采集的数据，具体地，读取取样示波器存储的待测信号、第一和第二参考信号对应通道的数据；以及

对采集的数据进行恢复相位及拟合处理，获得待测信号的信号幅度和相位信息。

本发明的另一个目的在于提供一种利用取样示波器进行宽带调制信号的矢量测量的方法。

一种用于宽带调制信号的矢量测量方法，该方法使用用于宽带调制信号的矢量测量装置实现，测量装置包括信号生成单元、信号采集单元和控制处理单元，信号生成单元用于生成共时基的调制信号、待测信号、第一和第二参考信号，信号采集单元为取样示波器并包括第一、第二、第三和第四输入端，控制处理单元用于控制信号采集单元进行信号采集并对获得的采集信号处理，得到待测信号的信号幅度和相位信息；

该方法包括以下步骤：

S1：信号生成单元生成调制信号，并将调制信号发送至信号采集单元第二输入端作为触发信号；

S2：信号生成单元中调制信号对载波信号进行调制后生成待测信号，并将待测信号发送至信号采集单元第一输入端；

S3：信号生成单元生成与载波信号频率相同且为具有相同幅值且正交的正弦第一和第二参考信号，分别发送至信号采集单元第三和第四输入端；

S4：控制处理单元控制取样示波器基于触发信号对被测信号、第一和第二参考信号进行采样；

S5：控制处理单元获得采样示波器的采样结果；

S6：控制处理单元对采样结果进行数据处理，获得参考信号相位信息，基于通道的共时基，得出待测信号的相位信息；

S7：控制处理单元对采样结果进行数据处理，获得待测信号幅度信息。

优选地，步骤S6进一步包括：

S601：将取样示波器第一和第二参考信号的数据采集后，以两路信号的幅度值分别作为横坐标和纵坐标进行绘图，获得一个椭圆，并标记由此绘出的第一个点；

S602：将所绘椭圆进行平移、旋转、缩放，转化为单位圆，并记录第一个点旋转的角度θ；

S603：将单位圆反向旋转θ，保持时间参考；

S604：根据此时单位圆对应的两路信号的幅度值计算参考信号的相对相位

S605：基于通道的共时基，得出待测信号的相对相位

优选地，步骤S7进一步包括：

S701：将被测信号的每个采样点电压近似表示为其相位正弦、相位余弦和偏置之和的形式，此处的相位即参考信号的相对相位

具体形式为

S702：利用线性最小二乘法进行拟合，使得每个点的E值与被测信号电压的差值最小，获得最优参数a，b，c；

S703：根据最优参数，计算

即为被测信号的包络，获得待测信号幅度信息。

本发明的有益效果如下：

本发明优点在于提供了一种利用取样示波器进行宽带调制信号的矢量测量的装置及方法，不需要具有特殊功能或特制的仪器设备，即可实现对宽带调制信号的矢量测量，且具有高准确度，操作方便，提高了调制信号的测量测试水平。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出用于宽带调制信号的矢量测量装置结构示意图。

图2示出用于宽带调制信号的矢量测量方法步骤图。

图3示出实施例1中用于宽带调制信号的矢量测量装置结构示意图。

图4示出实施例1中用于宽带调制信号的矢量测量方法步骤图。

图5示出实施例1中恢复参考信号相位的方法步骤图。

图6示出实施例1中获得被测调制信号的方法步骤图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种用于宽带调制信号的矢量测量装置，该测量装置包括，信号生成单元、信号采集单元和控制处理单元。

本发明中，信号生成单元用于生成等时基的调制信号、待测信号、第一和第二参考信号，其中，调制信号对载波信号进行调制后生成待测信号，第一和第二参考信号的频率与载波信号频率相同，且为具有相同幅值且正交的正弦信号。信号生成单元包括第一合成器，用于生成调制信号、待测信号和共时基信号，以及第二合成器，用于生成与载波信号频率相同的第三参考信号，信号生成单元根据第三参考信号获得第一和第二参考信号；第一合成器发送时基信号至第二合成器，共时基信号用于保证第二合成器与第一合成器共时基。信号生成单元还包括用于功率平分的功分器和用于相位延迟的可变延迟线，功分器用于接收并将第三参考信号分成两路信号，其中一路信号作为第一参考信号，另一路信号经可变延迟线后作为第二参考信号。共时基信号为10MHz参考信号。可变延迟线用于产生90°相位差。应说明的是，提供功率平分和相位延迟并不限于功分器和相位延迟线，其他器件也能实现所述功能，如90°电桥等。

本发明中，信号采集单元包括取样示波器及设置在取样示波器上的接收待测信号的第一输入端、接收调制信号的第二输入端、接收第一参考信号的第三输入端和接收第二参考信号的第四输入端。信号采集单元中第三输入端和第四输入端对应于取样示波器同一模块中的两个通道。

本发明中，控制处理单元，与信号采集单元电连接，用于控制取样示波器进行信号采集并获得信号采集结果，对采集的待测信号、第一参考信号和第二参考信号进行数据处理并获得待测信号的信号幅度和相位信息。控制处理单元对采集的待测信号、第一参考信号和第二参考信号进行数据处理包括：控制取样示波器采集一个周期的被测信号，通过调节取样示波器，使数据采集窗口能够采集一个周期的被测信号，控制取样示波器的数据采集的开始、结束、数据采集长度、数据采集次数等；读取并存储取样示波器采集的数据，具体地，读取取样示波器存储的待测信号、第一和第二参考信号对应通道的数据；以及对采集的数据进行恢复相位及拟合处理，获得待测信号的信号幅度和相位信息。

如图2所示，本发明的另一个目的在于提供一种利用取样示波器进行宽带调制信号的矢量测量的方法。

一种用于宽带调制信号的矢量测量方法，该方法使用上述用于宽带调制信号的矢量测量装置实现，该方法包括以下步骤：

S1：信号生成单元生成调制信号，并将调制信号发送至信号采集单元第二输入端作为触发信号；

S2：信号生成单元中调制信号对载波信号进行调制后生成待测信号，并将待测信号发送至信号采集单元第一输入端；

S3：信号生成单元生成与载波信号频率相同且为具有相同幅值且正交的正弦第一和第二参考信号，分别发送至信号采集单元第三和第四输入端；

S4：控制处理单元控制取样示波器基于触发信号对被测信号、第一和第二参考信号进行采样；

S5：控制处理单元获得采样示波器的采样结果；

S6：控制处理单元对采样结果进行数据处理，获得参考信号相位信息，基于通道的共时基，得出待测信号的相位信息，具体地：

S601：将取样示波器第一和第二参考信号的数据采集后，以两路信号的幅度值分别作为横坐标和纵坐标进行绘图，获得一个椭圆，并标记由此绘出的第一个点；

S602：将所绘椭圆进行平移、旋转、缩放，转化为单位圆，并记录第一个点旋转的角度θ；

S603：将单位圆反向旋转θ，保持时间参考；

S604：根据此时单位圆对应的两路信号的幅度值计算参考信号的相对相位

S605：基于通道的共时基，得出待测信号的相对相位

S7：控制处理单元对采样结果进行数据处理，获得待测信号幅度信息，具体地：

S701：将被测信号的每个采样点电压近似表示为其相位正弦、相位余弦和偏置之和的形式，此处的相位即参考信号的相对相位

具体形式为

S702：利用线性最小二乘法进行拟合，使得每个点的E值与被测信号电压的差值最小，获得最优参数a，b，c；

S703：根据最优参数，计算

即为被测信号的包络，获得待测信号幅度信息。

下面结合一个实施例1进行具体说明

如图3所示，本实施例公开了一种用于宽带调制信号的矢量测量装置，该装置包括合成器1、合成器2、功分器3、可变延迟线4、取样示波器5和计算机6。

在信号生成单元中，合成器1产生两路信号，第一路是调制后的信号，输入至取样示波器5的通道1，作为被测信号；第二路是调制信号，输入至取样示波器5的触发输入通道，作为触发信号。触发信号用于取样示波器的采集，告知取样示波器开始采集的时间，且触发信号的波形、取样示波器对触发形式的选择、触发电平等，都会影响最终示波器所采集到的信号。本实施例中，由合成器1输出10MHz参考信号，并输入至合成器2的外部参考输入端，为合成器2提供时基参考。

应注意的是，本实施例中实现共时基的方式并不限于选用10MHz参考信号，考虑到10MHz是常见仪器的共时基频率，所以优选10MHz。

合成器2输出第三参考信号即参考正弦信号，其频率与被测信号的载波频率相同，并通过功分器3分成功率相同的两路。第一路信号作为第一参考信号输入至取样示波器5的通道3；第二路信号输入至可变延迟线4，并进行相位延迟调节后得到第二参考信号。这样，第一参考信号和第二参考信号在输入取样示波器5后具有90°相位差，即第一参考信号和第二参考信号成为正交信号。

应注意的是，对于两路参考信号，要求正交程度越高越好；而取样示波器一般为一个模块包括两个通道，所以对本例中，通道1、2在一个模块中，通道3、4在一个模块中，选择同一模块的两个通道能够更好地保证时间相关性，所以，本实施例中，信号采集单元中第三输入端(第一参考信号)和第四输入端(第二参考信号)对应于取样示波器同一模块中的通道3和通道4。

信号采集单元中，通过对取样示波器5进行调节，使数据采集窗口能够采集一个周期的被测信号。

选用计算机作为控制处理单元，用于控制取样示波器5的数据采集的开始、结束、数据采集长度、数据采集次数等，读取取样示波器5存储的通道1、通道3、通道4的数据，并通过处理获得被测的调制信号。

如图4所示，本发明还公开了一种用于宽带调制信号的矢量测量方法，该方法具体包括：

S1、将合成器1产生的调制后的信号作为被测信号，传输至取样示波器5的通道1；将合成器1产生的用于调制的信号作为触发信号，传输至取样示波器5的触发输入通道；将合成器1产生的10MHz参考信号传输至合成器2的外部参考输入端；

S2、将合成器2输出的正弦信号作为第三参考信号输入至功分器3，分成两路；

S3、将功分器3输出的一路信号作为第一参考信号输入至取样示波器5的通道3，另一路经过可变延迟线4后作为第二参考信号输入至取样示波器5的通道4，通过调节可变延迟线，使两路信号在取样示波器中具有90°相位差，即两路信号为正交信号；

S4、通过调节取样示波器5，使数据采集窗口能够采集一个周期的被测信号；

S5、通过计算机6控制取样示波器5的数据采集的开始、结束、数据采集长度、数据采集次数等，读取取样示波器5存储的通道1、通道3、通道4的数据；

S6、通过计算机6进行数据处理，恢复参考信号的相位；

S7、通过计算机6进行数据处理，获得被测的调制信号。

一般情况下，功分器3输出的两路参考正弦信号的功率并不相同，而且第二路信号在经过可变延迟线4后，会产生衰减，可变延迟线4的相位调节也可能存在偏差。除此之外，取样示波器5的触发抖动会对参考信号相位产生影响。获得的参考信号的相位即为待测信号的相位。

本实施例中进一步包括参考信号相位的恢复，如图5所示，即S6中包括如下子步骤：

S601、将取样示波器5的通道3和通道4的数据采集后，以两路信号的幅度值分别作为横坐标和纵坐标进行绘图，将获得一个椭圆，并标记由此绘出的第一个点；

S602、将所绘椭圆进行平移、旋转、缩放，转化为单位圆，并记录第一个点旋转的角度θ；

S603、将单位圆反向旋转θ，保持时间参考；

S604：根据此时单位圆对应的两路信号的幅度值计算参考信号的相对相位

S605：基于通道的共时基，得出待测信号的相对相位

若两路参考信号同步采样i点，参考信号A的幅度为V_A,i，参考信号B的幅度为V_B,i，则绘制二维图(V_A,i，V_B,i)。当两路信号波形完全相同且相位差严格为90°时，则可绘制为圆，否则为椭圆。

在上述步骤中，平移、旋转、缩放的参数通过利用非线性最小二乘法获得，实现变换结果与单位圆之间的量值误差最小化。应说明的是，理论上，若将整个传输路径中的误差因素全部消除，则步骤S6可以省略；但一般情况下不能够全部消除，所以参考信号的相位是需要进一步恢复的。

如图6所示，步骤S7中，通过计算机6进行数据处理，获得被测的调制信号包括如下子步骤：

S701、将被测信号的每个采样点电压近似表示为其相位正弦、相位余弦和偏置之和的形式，此处的相位即参考信号的相对相位

具体形式如

S702、利用线性最小二乘法进行拟合，使得每个点的E值与被测信号电压的差值最小，获得最优参数a，b，c；在所有拟合中代入试验解a’，b’，c’，计算

当

最小时，则该组参数即为最优参数，其中V为信号电压，i为采样点序号。

S703、根据最优参数，计算

即为被测信号的包络，获得待测信号幅度信息。

综上所述，本发明所述技术方案，提供了一种利用取样示波器进行宽带调制信号的矢量测量的装置及方法，不需要具有特殊功能或特制的仪器设备，操作方便，提高调制信号的测量测试水平。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种用于宽带调制信号的矢量测量装置，其特征在于，所述测量装置包括，

信号生成单元，

用于生成同时基的调制信号、待测信号、第一和第二参考信号，

所述调制信号对载波信号进行调制后生成所述待测信号，

所述第一和第二参考信号的频率与所述载波信号频率相同，且为具有相同幅值且正交的正弦信号；

信号采集单元，

包括取样示波器及

设置在所述取样示波器上的接收待测信号的第一输入端、接收调制信号的第二输入端、接收第一参考信号的第三输入端和接收第二参考信号的第四输入端，以及

控制处理单元，

与信号采集单元电连接，用于控制所述取样示波器进行信号采集并获得信号采集结果，对采集的所述待测信号、第一参考信号和第二参考信号进行数据处理并获得待测信号的信号幅度和相位信息；

所述信号生成单元包括

第一合成器，用于生成调制信号、待测信号和共时基信号，以及

第二合成器，用于生成与所述载波信号频率相同的第三参考信号，所述信号生成单元根据所述第三参考信号获得所述第一和第二参考信号；

所述第一合成器发送所述共时基信号至所述第二合成器，所述共时基信号用于保证所述第二合成器与所述第一合成器共时基。

2.根据权利要求1所述的用于宽带调制信号的矢量测量装置，其特征在于，所述信号生成单元还包括功分器和可变延迟线，所述功分器用于接收并将所述第三参考信号分成两路信号，其中一路信号作为第一参考信号，另一路信号经所述可变延迟线后作为第二参考信号。

3.根据权利要求1所述的用于宽带调制信号的矢量测量装置，其特征在于，所述共时基信号为10MHz参考信号。

4.根据权利要求2所述的用于宽带调制信号的矢量测量装置，其特征在于，所述可变延迟线用于产生90°相位差。

5.根据权利要求1所述的用于宽带调制信号的矢量测量装置，其特征在于，所述信号采集单元中第三输入端和第四输入端对应于取样示波器同一模块中的两个通道。

6.根据权利要求1所述的用于宽带调制信号的矢量测量装置，其特征在于，所述控制处理单元对采集的所述待测信号、第一参考信号和第二参考信号进行数据处理包括

控制所述取样示波器采集一个周期的被测信号；

读取并存储所述取样示波器采集的数据；以及

对采集的数据进行恢复相位及拟合处理，获得待测信号的信号幅度和相位信息。

7.一种用于宽带调制信号的矢量测量方法，其特征在于，该方法使用用于宽带调制信号的矢量测量装置实现，所述测量装置包括信号生成单元、信号采集单元和控制处理单元，所述信号生成单元用于生成共时基的调制信号、待测信号、第一和第二参考信号，信号采集单元为取样示波器并包括第一、第二、第三和第四输入端，控制处理单元用于控制所述信号采集单元进行信号采集并对获得的采集信号处理，得到待测信号的信号幅度和相位信息；

该方法包括以下步骤：

S1：信号生成单元生成调制信号，并将所述调制信号发送至所述信号采集单元第二输入端作为触发信号；

S2：信号生成单元中调制信号对载波信号进行调制后生成待测信号，并将所述待测信号发送至所述信号采集单元第一输入端；

S3：信号生成单元生成与所述载波信号频率相同且为具有相同幅值且正交的正弦第一和第二参考信号，分别发送至所述信号采集单元第三和第四输入端；

S4：控制处理单元控制取样示波器基于触发信号对被测信号、第一和第二参考信号进行采样；

S5：控制处理单元获得取样示波器的采样结果；

S6：控制处理单元对采样结果进行数据处理，获得参考信号相位信息，基于通道的共时基，得出待测信号的相位信息；

S7：控制处理单元对采样结果进行数据处理，获得待测信号幅度信息。

8.根据权利要求7所述的用于宽带调制信号的矢量测量方法，其特征在于，所述步骤S6进一步包括：

S601：将取样示波器第一和第二参考信号的数据采集后，以所述两路信号的幅度值分别作为横坐标和纵坐标进行绘图，获得一个椭圆，并标记由此绘出的第一个点；

S602：将所绘椭圆进行平移、旋转、缩放，转化为单位圆，并记录第一个点旋转的角度θ；

S603：将单位圆反向旋转θ，保持时间参考；

S604：根据此时单位圆对应的两路信号的幅度值计算参考信号的相对相位

S605：基于通道的共时基，得出待测信号的相对相位

9.根据权利要求7所述的用于宽带调制信号的矢量测量方法，其特征在于，所述步骤S7进一步包括：

S701：将被测信号的每个采样点电压近似表示为其相位正弦、相位余弦和偏置之和的形式，此处的相位即参考信号的相对相位

具体形式为

S702：利用线性最小二乘法进行拟合，使得每个点的E值与被测信号电压的差值最小，获得最优参数a，b，c；

S703：根据最优参数，计算

即为被测信号的包络，获得待测信号幅度信息。

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