CN108988964A - 一种数字式载波高精度测相方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数字式载波高精度测相方法，包括信号源通过功分器产生两个同相信号S1和S2；将S1作为基准信号输入信号处理模块的P1口，在不同频段下，通过信号处理模块中的数字移相将相位校准为0，S2信号进入被测设备后输入端后，与信号处理模块的P2口连接，信号处理模块通过信号自相关运算和相位相干算法进行信号处理产生两组相关功率结果，通过串口传输给主控和测相模块进行相位计算。

Description

一种数字式载波高精度测相方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种数字式载波高精度测相方法。

背景技术

通信中的信息传递都是将有效信号调制到载波上，通过载波传输到接收端，然后解调出有效信号。而通信领域中，该方式的无线通信的应用有很多方面，包括地面移动通信、卫星移动通信等。任何通信设备的设计，不论是接收端还是发射端的设计都需要考虑载波相位的测试问题，相位测试又要求能达到很高的精度。

目前市场上应用广泛的测相仪，其中价格低廉的测相仪，相位精度比较差，而高精度的测相设备如矢量网络分析仪，价格非常昂贵。

现有的相位测试设备中没有使用到信号相关性的方法，该方法对硬件要求不高，并能极大提高信噪比和测试精度。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种数字式载波高精度测相方法。

本发明的技术方案如下：

一种数字式载波高精度测相方法，其特征在于包括：

(1)信号源通过功分器产生两个同相信号S1和S2；

(2)将S1作为基准信号输入信号处理模块的P1口，在不同频段下，信号处理模块通过数字移相将相位校准为0，S2信号进入被测设备输入端后，与信号处理模块的P2口连接，信号处理模块通过信号自相关运算和相位相干算法进行信号处理并产生两组相关功率结果，通过串口传输给主控和测相模块进行相位计算。

进一步的，所述信号自相关运算包括以下步骤：首先将输入的射频载波信号通过变频、抽样、滤波信号处理，得到0中频信号，将0中频信号根据奈奎斯特采样定理处理信号，采样率为4倍带宽，采样中保证信号不失帧，然后将低采样率的信号与预先存在数字端的同样采样率的数字信号进行相关运算，得到相关峰，即得到了该频点上信号的功率值，信号输出结果采样16位数据，则输出的功率值范围为0-65536，该功率值可以将增益变化放大几十倍。

进一步的，所述相位相干算法包括：以正弦信号为例，输入的两个信号，分别为：

S₁(t)＝A₁sin(wt)

S₂(t)＝A₂sin(wt+δ)

其中，δ为S2信号相对于S1信号的相位差，A₁和A₂为两个信号的最大电平值，对S2信号分别进行和的相移后：

将S₁(t))分别与S₂(t)、S₂′(t)信号进行矢量和运算：

将P₁与P₂信号分别求功率得到：

将PP₂与PP₁做差得到两个信号通过自相关后的功率差：

最终推导出信号S2和信号S1的相位差，即是被测设备的相位值：

根据函数的单调关系，当固定相移为90度的时候，相位精度最高，则：

分析最终得到的公式，相位的精度与两个矢量信号合成的电平乘积成反比，与两组信号的功率差成正比，根据测试通过调节数字端相位，功率差可以小到10左右，而A₁和A₂大小最大为256，则该相位测试方法的精度能够达到0.005度以下。

一种数字式载波高精度测相装置，其特征在于：包括信号源、功分器、信号处理模块和测相主控模块，其中信号源通过功分器产生两个同相信号S1和S2，S1作为基准信号输入信号处理模块的P1口，在不同频段下，信号处理模块中通过数字移相将相位校准为0，S2信号进入被测设备输入端后，与信号处理模块的P2口连接，信号处理模块通过信号自相关运算和相位相干算法进行信号处理产生两组相关功率结果，通过串口传输给测相主控模块进行相位计算。

本发明的技术效果在于：

1)能有效提高载波相位测试精度，满足各种频段、各种领域的需求；

2)该方法设计简单、成本低，可将其应用到一些通信系统中，实现外场实时校准的功能，比如相控阵雷达或天线系统中，相位校准是最基本也是最核心的问题，环境改变后实验室校准的数据会不适应通信系统，此时实时校准功能就能解决该问题；

3)该方法对被测信号的幅度要求不高，因为当A₁和A₂发生变化时，Δ会成比例的变化，测试出的相位不发生变化。

附图说明

图1所示为本发明的数字式载波高精度测相方法的原理框图。

图2所示为信号处理模块的原理框图。

图3所示为基带信号在时域上的图形。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示为本发明的数字式载波高精度测相方法的原理框图。

图2所示为信号处理模块的原理框图。

图3所示为基带信号在时域上的图形。

信号源产生具有高相关性的特殊载波信号，该信号通过一个功分器后产生两个信号S1和S2，信号相位相同。其中，S1作为基准信号与信号处理模块的P1口连接，而且在不同频段下，通过信号处理模块进行数字移相将其相位校准为0；S2信号从测试设备输出后与信号处理模块的P2口连接。通过信号处理产生两组相关功率结果，通过串口传输给主控和测相模块进行相位计算。

该系统硬件上分模块设计，主要由三部分组成，主控和测相模块、信号源模块、信号处理模块。主控和测相模块有两个任务，一是完成对信号的配置，保证被测信号载波频率的准确和幅度的大小；二是控制信号处理模块进行移相并进行运算处理。信号源模块主要产生响应频率的载波信号。信号处理模块主要实现对不同相移状态下信号的相关功率检测。

该系统的软件主要由两部分组成，主控软件和信号处理软件。

本发明的数字式载波高精度测相方法具体实施方案如下：

利用信号源通过功分器产生两个同相信号S1和S2。

将S1作为基准信号输入信号处理模块的P1口，在不同频段下，信号处理模块通过数字移相技术将其相位校准为0。

将S2信号输入被测设备输入端后，与信号处理模块的P2口连接，信号处理模块通过信号自相关运算和相位相干算法进行信号处理，并产生两组相关功率结果，通过串口传输给主控和测相模块进行相位计算。

其中，信号自相关运算包括以下步骤：首先将输入的射频载波信号通过变频、抽样、滤波信号处理，得到0中频信号，将0中频信号根据奈奎斯特采样定理处理信号，采样率为4倍带宽，采样中保证信号不失帧，然后将低采样率的信号与预先存在数字端的同样采样率的数字信号进行相关运算，得到相关峰，即得到了该频点上信号的功率值，信号输出结果采样16位数据，则输出的功率值范围为0-65536，该功率值可以将增益变化放大几十倍。

其中，相位相干算法以正弦信号为例，输入的两个信号，分别为：

S₁(t)＝A₁sin(wt)

S₂(t)＝A₂sin(wt+δ)

其中，δ为S2信号相对于S1信号的相位差，A₁和A₂为两个信号的最大电平值，对S2信号分别进行和的相移后：

将S₁(t)分别与S₂(t)、S₂′(t)信号进行矢量和运算：

将P₁与P₂信号分别求功率得到：

将PP₂与PP₁做差得到两个信号通过自相关后的功率差：

最终推导出信号S2和信号S1的相位差，即是被测设备的相位值：

根据函数的单调关系，当固定相移为90度的时候，相位精度最高，则：

分析最终得到的公式，相位的精度与两个矢量信号合成的电平乘积成反比，与两组信号的功率差成正比，根据测试通过调节数字端相位，功率差可以小到10左右，而A₁和A₂大小最大为256，则该相位测试方法的精度能够达到0.005度以下。

多次试验中，系统调试完成后，选取了一些载波频率经过实际测试，测试精度验证该方法测相精度完全达到0.005度。

综上所述，本发明的数字式载波高精度测相方法和装置，能在多频段、多领域实现高精度载波相位测试；可以实现通信系统中，外场实时相位校准，例如在相控阵雷达或天线系统中，相位校准是最基本也是最核心的问题，环境改变后，在实验室校准的数据可能会不适用该通信系统，此时本发明的实时校准功能就能简便快捷地解决该问题；本发明对被测信号的幅度要求不高，当A₁和A₂发生变化时，Δ会成比例的变化，测试出的相位不发生变化。

Claims (4)

1.一种数字式载波高精度测相方法，其特征在于包括：

(1)信号源通过功分器产生两个同相信号S1和S2；

(2)将S1作为基准信号输入信号处理模块的P1口，在不同频段下，信号处理模块通过数字移相将相位校准为0，S2信号进入被测设备输入端后，与信号处理模块的P2口连接，信号处理模块通过信号自相关运算和相位相干算法进行信号处理产生两组相关功率结果，通过串口传输给主控和测相模块进行相位计算。

2.如权利要求1所述的数字式载波高精度测相方法，其特征在于所述信号自相关运算包括以下步骤：首先将输入的射频载波信号通过变频、抽样、滤波等信号处理，得到0中频信号，将0中频信号根据奈奎斯特采样定理处理信号，采样率为4倍带宽，采样中保证信号不失帧，然后将低采样率的信号与预先存在数字端的同样采样率的数字信号进行相关运算得到相关峰，即得到了该频点上信号的功率值，信号输出结果采样16位数据，则输出的功率值范围为0-65536，该功率值将增益变化放大几十倍。

3.如权利要求1所述的数字式载波高精度测相方法，其特征在于所述相位相干算法包括：以正弦信号为例，输入的两个信号，分别为：

S₁(t)＝A₁sin(wt)

S₂(t)＝A₂sin(wt+δ)

其中，δ为S2信号相对于S1信号的相位差，A₁和A₂为两个信号的最大电平值，对S2信号分别进行和的相移后：

将S₁(t)分别与S₂(t)、S₂′(t)信号进行矢量和运算：

将P₁与P₂信号分别求功率得到：

将PP₂与PP₁做差得到两个信号通过自相关后的功率差：

最终推导出信号S2和信号S1的相位差，即是被测设备的相位值：

根据函数的单调关系，当固定相移为90度的时候，相位精度最高，则：

分析最终得到的公式，相位的精度与两个矢量信号合成的电平乘积成反比，与两组信号的功率差成正比，根据测试通过调节数字端相位，功率差能够达到10，而A₁和A₂大小最大为256，则该相位测试方法的精度能够达到0.005度以下。

4.一种数字式载波高精度测相装置，其特征在于：包括信号源、功分器、信号处理模块以及主控和测相模块，其中信号源通过功分器产生两个同相信号S1和S2，S1作为基准信号输入信号处理模块的P1口，在不同频段下，信号处理模块通过数字移相将相位校准为0，S2信号进入被测设备输入端后，与信号处理模块的P2口连接，信号处理模块通过信号自相关运算和相位相干算法进行信号处理并产生两组相关功率结果，通过串口传输给主控和测相模块进行相位计算。