CN107219491B - 一种八通道校准模块与校准方法 - Google Patents

一种八通道校准模块与校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及信号产生和校准领域。目的是提供一种八通道校准模块与校准方法，包括通道1‑8，所述通道1‑8皆包括依次相连的信号输入端I、信号调理单元、滤波单元、功分单元，所述功分单元输出端分别与信号输出端O和校准输出端C连接，所述通道1‑4的校准输出端C1‑C4分别与第一单刀四掷开关的四个输入端口连接，通道5‑8的校准输出端C5‑C8分别与第二单刀四掷开关的四个输入端口连接，所述第一单刀四掷开关和第二单刀四掷开关的输出公共端与网络分析仪的两个输入端连接。本发明保证了通道1‑8之间输出信号的相位和功率保持一致。

Description

一种八通道校准模块与校准方法
技术领域
本发明涉及信号产生和校准领域，具体涉及一种八通道校准模块与校准方法。
背景技术
在目标定位、测向、目标跟踪、目标航迹轨迹测量等领域，通常需要使用多通道信号发生器产生的信号来模拟目标信息。有时需要多通道信号发生器提供小功率信号，对接收机的接收门限进行测量。通用信号发生器输出信号的最小功率无法达到测试的需求，在信号发生器的后级，需要对信号功率进行衰减，额外的信号通路会恶化系统的幅度一致性和相位一致性指标，因此需要对系统进行校准。一般在系统后级添加额外的硬件校准设备进行幅度和相位的校准，但也无法保证校准的实时性，且硬件结构复杂，成本过高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供的一种八通道校准模块与校准方法，该校准模块与校准方法具有信号功率和信号相位一致性好的优点。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种八通道校准模块，包括通道1-8，所述通道1-8都包括依次相连的信号输入端I、信号调理单元、滤波单元、功分单元，所述功分单元输出端分别与信号输出端O和校准输出端C连接，所述通道1-4的校准输出端C1-C4分别与第一单刀四掷开关的四个输入端口连接，通道5-8的校准输出端C5-C8分别与第二单刀四掷开关的四个输入端口连接，所述第一单刀四掷开关和第二单刀四掷开关的输出公共端与网络分析仪的两个输入端连接；
所述信号调理单元包括依次相连的第一衰减器、第一放大器、第二衰减器、第二放大器、第三衰减器、第三放大器，所述第一衰减器的输入端与信号输入端I连接，所述第三放大器的输出端与滤波单元的输入端连接。
优选地，所述第一衰减器、第二衰减器以及第三衰减器皆采用程控衰减器。
优选地，所述第一衰减器、第二衰减器以及第三衰减器的衰减值调节范围皆为0-30dB且步进值为1dB。
优选地，所述第一放大器、第二放大器以及第三放大器功率放大值皆为27dB。
优选地，所述信号输入端I、信号输出端O、第一单刀四掷开关的输出公共端以及第二单刀四掷开关的输出公共端均使用SMA接口。
为实现上述发明目的，本发明所采用的另一种技术方案是：一种八通道校准模块的校准算法，包括以下步骤：
(1)信号发生器输出校准连续波信号；
(2)进行功率校准，所述功率校准具体包括：
第一步，形成功率校准文件；
第二步，根据功率校准文件设置信号调理单元的衰减值；
第三步，调整通道1-8信号发生器的输出校准连续波信号功率；
(3)进行相位校准，所述相位校准具体包括：
第一步，计算参考通道Rf1输出信号与通道n输出信号之间的延时差：
△tn-Rf1＝(θn-Rf1/2π)/f＝(θn-Rf1/360°)/f；
其中，n为5或6或7或8，参考通道Rf1为通道1；
第二步，计算通道m输出信号与参考通道Rf2输出信号的延时差：
△tm-Rf2＝(θm-Rf2/2π)/f＝(θm-Rf2/360°)/f；
其中，m为2或3或4，参考通道Rf2为通道8；
第三步，将延时差△tn-Rf1以及延时差△tm-Rf2分别补偿到对应通道的信号波形中；
(4)生成经过相位和功率校准后的信号波形。
本发明具有以下有益效果：
1、通过分别设置通道1-8的信号调理单元的衰减值，输入信号频率范围在10MHz-5GHz时，保证-90dBm～0dBm的信号功率输出，使得通道1-8之间的功率输出误差为1dB。
2、通过软件控制第一单刀四掷开关和第二单刀四掷开关的开关切换，双端口网络分析仪得到通道1-8输出信号之间的延时差，将通道1-8之间的延时差添加到输出信号波形中，从而消除通道1-8输出信号之间的相位差，保证通道1-8输出信号之间的相位误差在±2.5度范围内。且本发明的硬件结构设计简单，硬件成本低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明其中一个通道的原理框图；
图3为本发明校准算法流程图。
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作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。
结合图1-2所示，一种八通道校准模块与校准算法包括通道1-8，每一个通道都包括信号输入端I，所述信号输入端I与信号调理单元输入端连接，所述信号调理单元输出端与滤波单元输入端连接，所述滤波单元输出端与功分单元输入端连接，所述功分单元输出端分别与信号输出端O和校准输出端C连接，其中通道1-4的校准输出端C1-C4分别与第一单刀四掷开关的四个输入端口连接，通道5-8的校准输出端C5-C8分别与第二单刀四掷开关的四个输入端口连接，所述第一单刀四掷开关和第二单刀四掷开关的输出公共端与网络分析仪的两个输入端连接。
所述信号调理单元包括第一衰减器，所述第一衰减器的输入端与信号输入端I连接，第一衰减器的输出端与第一放大器的输入端连接，所述第一放大器的输出端与第二衰减器的输入端连接，所述第二衰减器的输出端与第二放大器的输入端连接，所述第二放大器的输出端与第三衰减器的输入端连接，所述第三衰减器的输出端与第三放大器的输入端连接，所述第三放大器的输出端与滤波单元的输入端连接。
所述信号调理单元采用三级衰减-放大结构，不仅保证了单个通道的信号具有极大的动态范围(最大输出信号-最小输出信号)，而且在每一级放大器之前连接一个衰减器，保证了放大器工作在线性工作区，这样后级放大器不会因为输入功率太大造成放大器饱和，引入干扰信号。其中所述第一衰减器、第二衰减器以及第三衰减器皆采用程控衰减器，第一衰减器、第二衰减器以及第三衰减器的衰减值调节范围皆为0-30dB，每个衰减器设置步进值为1dB进行调节，故衰减值的精度为1dB，本发明采用三级衰减器联合调节，故信号调理单元可实现衰减值从0-90dB的范围内调节。所述第一放大器、第二放大器以及第三放大器皆可实现固定值为27dB的功率放大。在使用时，系统将需要设定的衰减值，自动分配到每个衰减器，实现通道1-8的信号输出功率保持一致。其中所述衰减器是指第一衰减器或第二衰减器或第三衰减器，所述放大器是指第一放大器或第二放大器或第三放大器。
所述滤波单元的作用是滤除由信号调理单元中三个放大器非线性特性引起的杂散和谐波。所述功分单元的作用是将输入信号分为两部分，一部分由信号输出端O输出，一部分由校准输出端C输出。所述信号输入端I、信号输出端O、第一单刀四掷开关的输出公共端以及第二单刀四掷开关的输出公共端均使用SMA接口。
结合图3所示，基于所述八通道校准模块的校准算法，包括以下步骤：
(1)信号发生器输出校准连续波信号；
(2)进行功率校准，所述功率校准具体包括：
第一步，形成功率校准文件；
第二步，根据功率校准文件设置信号调理单元的衰减值；
第三步，调整通道1-8信号发生器的输出校准连续波信号功率；
(3)进行相位校准，所述相位校准具体包括：
第一步，计算参考通道Rf1输出信号与通道n输出信号之间的延时差：
△tn-Rf1＝(θn-Rf1/2π)/f＝(θn-Rf1/360°)/f；
其中，n为5或6或7或8，参考通道Rf1为通道1；
第二步，计算通道m输出信号与参考通道Rf2输出信号的延时差：
△tm-Rf2＝(θm-Rf2/2π)/f＝(θm-Rf2/360°)/f；
其中，m为2或3或4，参考通道Rf2为通道8；
第三步，将延时差△tn-Rf1以及延时差△tm-Rf2分别补偿到对应通道的信号波形中；
(4)生成经过相位和功率校准后的信号波形。
进一步地，所述信号发生器输出端与通道1-8的信号输入端I1-I8分别连接，所述信号发生器输出的校准连续波信号频率为当前所使用信号的中心频率fc。
进一步地，所述功率校准的方法是先使用网络分析仪分别测量通道1-8的信号输入端I1-I8与信号输出端O1-O8之间的功率损耗。具体方法是先通过软件分别控制第一衰减器、第二衰减器以及第三衰减器的衰减值，所述三个衰减器依次对信号输入端I输入信号的功率进行衰减，信号调理单元衰减器的衰减值范围设计为0dB-90dB，衰减步进为1dB。在信号调理单元衰减器的每一个衰减值下，使用网络分析仪测试信号发生器输出的校准连续波信号经过每个通道后的功率损耗值，所述校准连续波信号的频率范围在10MHz至5GHz内，通过测试的功率损耗值生成功率损耗曲线，形成功率校准文件并固化到系统中。在进行功率校准时，根据信号发生器输出的校准连续波信号的频率和输出功率，以及实际需要的输出信号功率，通过查表的方式来确定信号调理单元衰减器的衰减值。即，PATT＝POut(dB)-PIn，其中PIn为信号发生器的输出功率，PATT为通道的功率衰减值，POut为实际需要的输出功率。已知信号发生器的输出功率和实际所需的输出功率，根据上式可得出通道的功率衰减值。根据功率校准文件可得出通道的功率衰减值对应的信号调理单元的衰减值，根据信号调理单元的衰减值可通过软件设置每个衰减器的衰减值。然后根据每个通道的功率衰减值，通过调整对应通道的信号发生器输出功率的方式，保证通道1-8输出功率是一样的，所述对应是指根据通道1的衰减值调整通道1的信号发生器输出功率。因为每一级衰减器的功率衰减步进为1dB，使得通道1-8之间实际的输出功率一致性在1dB的范围内，从而保证通道1-8实际输出功率是一致的。
进一步地，所述单个通道延时差计算方法是先使用网络分析仪测量出信号输入端I与校准输出端C之间的相位差θCI，再通过网络分析仪测量出信号输入端I与信号输出端O之间的相位差θOI，从而计算出信号输出端O与校准输出端C之间的固有相位差：
△θCO＝θOI-θCI。
在实时测量过程中，通过网络分析仪测量出信号输入端I与校准输出端C之间的实时相位差θ'CI，通过计算得到信号输出端O与信号输入端I的实时相位差：
θ'OI＝θ'CI+△θCO。
然后根据通道信号输出端O与信号输入端I的实时相位差θ'OI，以及信号发生器输出的校准连续波信号频率fc，计算单个通道输入信号与输出信号的延时差：
△t＝θ'OI/(2π)·(1/fc)。
通道1-8的输入信号与输出信号的延时差分别对应为△t1-△t8。其中所述信号输入端I是指信号输入端I1-I8中的任意一个，所述信号输出端C是指信号输出端C1-C8中的任意一个，其中所述单个通道是指通道1-8中的任意一个。
根据单个通道输入信号与输出信号延时差的计算方法进一步延伸至八通道之间的延时差计算方法。本发明的八通道之间相位校准方法是先设置通道1为参考通道Rf1，通道8为参考通道Rf2。首先通过软件控制第一单刀四掷开关进行开关切换，使得通道1与双端口网络分析仪输入端导通，同时控制第二单刀四掷开关进行开关切换，依次使得通道5-8与双端口网络分析仪输入端导通，然后依次测量出通道1与通道5-8的校准输出端的实时相位差△θC15、△θC16、△θC17、△θC18，以及通道2-4与通道8之间的实时相位差△θC28、△θC38、△θC48。
然后以通道1作为通道5-8的参考通道Rf1进行计算。因为单个通道信号输出端O与信号输入端I的实时相位差θ'OI已经确定，△θCO为校准输出端C与信号输出端O的固有相位差值。则参考通道Rf1的信号输入端I与信号输出端O的实时相位差为：
θ′Rf1-OI＝θ′Rf1-CI+△θRf1-CO，
则通道5-8的信号输入端I与信号输出端O的实时相位差为：
θ'n-OI＝θ'n-CI+△θn-CO，
式中n的取值为5或6或7或8。
在信号输出端O，测量通道n相对于参考通道Rf1(通道1)的实时相位差为：
△θn-Rf1＝θ′n-OI-θ′Rf1-OI＝(θ′n-CI-θ′Rf1-CI)+(△θn-CO-△θRf1-CO)。
其中，(θ′n-CI-θ′Rf1-CI)是使用网络分析仪测试得到通道n与参考通道Rf1(通道1)的校准输出端C实时相位差，△θn-CO和△θRf1-CO分别是通道n与参考通道Rf1的校准输出端C与信号输出端O的固有相位差。
通过信号的频率f以及△θn-Rf1可以计算出通道n输出信号相对参考通道Rf1输出信号的延时差：
△tn-Rf1＝(θn-Rf1/2π)/f＝(θn-Rf1/360°)/f。
在使用信号发生器生成信号波形文件的过程中，可以将通道n(通道5-8)输出信号相对参考通道Rf1(通道1)输出信号的延时差添加到信号波形中，从而消除通道n(通道5-8)与参考通道Rf1(通道1)输出信号之间的相位差，保证通道1与通道5-8输出信号之间的相位一致。
然后通道8作为通道2-4的参考通道Rf2进行计算，所述通道8与通道2-4计算的方法跟通道1与通道5-8采用一样的方法。最终得到通道2-4输出信号相对于通道8(参考通道Rf2)输出信号的延时差为：
△tm-Rf2＝(θm-Rf2/2π)/f＝(θm-Rf2/360°)/f，
其中m的取值为2或3或4。在使用信号发生器生成信号波形文件的过程中，可以将通道m(通道2-4)输出信号相对参考通道Rf2(通道8)输出信号的延时差添加到信号波形中，从而消除通道m(通道2-4)与参考通道Rf2(通道8)输出信号之间的相位差，保证通道8与通道2-4输出信号之间的相位一致。因为通道8跟通道1和通道5-7输出信号之间的相位是一样的，故通道1-8输出信号之间的相位保持一致。
采用本发明的校准模块具有硬件设计简单，减少了硬件成本。使用本发明的校准算法可实现输入信号频率范围在10MHz-5GHz时，保证-90dBm～0dBm的信号功率输出，通道1-8之间的信号功率的误差能够保证在1dB内，通道1-8之间的信号相位误差能够保证在±2.5度内。
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)

1.一种八通道校准模块，其特征在于：包括通道1-8，所述通道1-8都包括依次相连的信号输入端I、信号调理单元、滤波单元、功分单元，所述功分单元输出端分别与信号输出端O和校准输出端C连接，所述通道1-4的校准输出端C1-C4分别与第一单刀四掷开关的四个输入端口连接，通道5-8的校准输出端C5-C8分别与第二单刀四掷开关的四个输入端口连接，所述第一单刀四掷开关和第二单刀四掷开关的输出公共端与网络分析仪的两个输入端连接；
所述信号调理单元包括依次相连的第一衰减器、第一放大器、第二衰减器、第二放大器、第三衰减器、第三放大器，所述第一衰减器的输入端与信号输入端I连接，所述第三放大器的输出端与滤波单元的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种八通道校准模块，其特征在于：所述第一衰减器、第二衰减器以及第三衰减器皆采用程控衰减器。
3.根据权利要求2所述的一种八通道校准模块，其特征在于：所述第一衰减器、第二衰减器以及第三衰减器的衰减值调节范围皆为0-30dB且步进值为1dB。
4.根据权利要求1所述的一种八通道校准模块，其特征在于：所述第一放大器、第二放大器以及第三放大器功率放大值皆为27dB。
5.根据权利要求1所述的一种八通道校准模块，其特征在于：所述信号输入端I、信号输出端O、第一单刀四掷开关的输出公共端以及第二单刀四掷开关的输出公共端均使用SMA接口。
6.根据权利要求1所述的一种八通道校准模块的校准算法，包括以下步骤：
(1)信号发生器输出校准连续波信号；
(2)进行功率校准，所述功率校准具体包括：
第一步，形成功率校准文件；
第二步，根据功率校准文件设置信号调理单元的衰减值；
第三步，调整通道1-8信号发生器的输出校准连续波信号功率；
(3)进行相位校准，所述相位校准具体包括：
第一步，计算参考通道Rf1输出信号与通道n输出信号之间的延时差：
Δtn-Rf1＝(θn-Rf1/2π)/f＝(θn-Rf1/360°)/f；
其中，n为5或6或7或8，参考通道Rf1为通道1；
第二步，计算通道m输出信号与参考通道Rf2输出信号的延时差：
Δtm-Rf2＝(θm-Rf2/2π)/f＝(θm-Rf2/360°)/f；
其中，m为2或3或4，参考通道Rf2为通道8；f为信号的频率；θn-Rf1为通道n相对于参考通道Rf1的相位差；θm-Rf2为通道m相对于参考通道Rf2的相位差；
第三步，将延时差Δtn-Rf1以及延时差Δtm-Rf2分别补偿到对应通道的信号波形中；
(4)生成经过相位和功率校准后的信号波形。
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