CN109030936B - 小型化相频测试仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型化相频测试仪，包括：数字采样模块，用于对信号源同时产生的调制信号和经转发器通道后的中频信号进行同步采样，得到两路差分数字信号；其中，所述两路差分数字信号，包括：调制采样信号和中频采样信号；数据处理模块，用于对两路差分数字信号进行相位估计，得到相位估计值；并对所述相位估计值进行比相，得到相频测试数据。本发明利用嵌入式软件平台，通过数字化比相方式完成相频测试，将现有技术中的信号采集设备与信号处理设备集成为一台，实现了测试设备小型化，提高了测试效率。

Description

小型化相频测试仪
技术领域
本发明属于测试技术领域，尤其涉及一种小型化相频测试仪。
背景技术
随着应用的发展及技术进步，对于数据传输容量的要求越来越大，由于器件制造公差、温度及环境特性的差异会使得大容量通信系统信号的相位不同，从而影响系统的性能，因此，在通信卫星有效载荷测试过程中，对于系统相频性能的测试有越来越高的要求。
现在采用的相频测试方法主要有两种：一是采用“信号源+频谱仪+示波器+计算机”的测试方法，测试系统复杂，占用设备较多，测试效率较慢；二是采用矢量网络分析仪“delay”模式进行测试，测试速度快，但测试设备昂贵。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种小型化相频测试仪，以提高测试效率，节约测试成本。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种小型化相频测试仪，包括：
数字采样模块，用于对信号源同时产生的调制信号和经转发器通道后的中频信号进行同步采样，得到两路差分数字信号；其中，所述两路差分数字信号，包括：调制采样信号和中频采样信号；
数据处理模块，用于对两路差分数字信号进行相位估计，得到相位估计值；并对所述相位估计值进行比相，得到相频测试数据。
在上述小型化相频测试仪中，所述数字采样模块，包括：
第一采样子模块，用于对调制信号进行采样，得到调制采样信号；
第二采样子模块，用于与所述第一采样子模块同步，对所述中频信号进行同步采样，得到中频采样信号。
在上述小型化相频测试仪中，所述第一采样子模块，包括：
第一前级数字滤波器，用于对调制信号进行滤波处理，以滤除调制信号的谐波和杂散分量；
第一数控衰减器，用于对经所述第一前级数字滤波器滤波处理后的信号进行功率调整；
第一后级数字滤波器，用于对经所述第一数控衰减器处理后的信号进行抗混叠滤波处理；
第一模数转换器，用于采用差分输入方式，利用变压器对经所述第一后级数字滤波器处理后的信号进行模数转化，得到调制采样信号。
在上述小型化相频测试仪中，所述第二采样子模块，包括：
第二前级数字滤波器，用于对中频信号进行滤波处理，以滤除中频信号的谐波和杂散分量；
第二数控衰减器，用于对经所述第二前级数字滤波器滤波处理后的信号进行功率调整；
第二后级数字滤波器，用于对经所述第二数控衰减器处理后的信号进行抗混叠滤波处理；
第二模数转换器，用于采用差分输入方式，利用变压器对经所述第二后级数字滤波器处理后的信号进行模数转化，得到中频采样信号。
在上述小型化相频测试仪中，数据处理模块，包括：
相位估计模块，用于对调制采样信号和中频采样信号进行相位估计，得到相位估计结果；
比相模块，用于根据相位估计结果，计算得到数字化群时延，将所述数字化群时延作为相频测试数据输出。
在上述小型化相频测试仪中，还包括：
时钟管理模块，用于利用锁相环产生最高时钟频率，通过分频得到其它模块的时钟频率。
本发明具有以下优点：
(1)本发明利用嵌入式软件平台，通过数字化比相方式完成相频测试，将现有技术中的信号采集设备与信号处理设备集成为一台，替代传统“信号源+频谱仪+示波器+计算机”的测试方式，实现了测试设备小型化，提高了测试效率，克服了现有技术测试效率低、设备占用率高、设备成本昂贵等问题。
(2)本发明所述的小型化相频测试仪能满足实际工程要求，并且可以为后续大容量通信卫星的载荷测试提供技术保障与支持。
附图说明
图1是本发明实施例中一种小型化相频测试仪的结构框图；
图2是本发明实施例中一种数字采样模块的结构框图；
图3是本发明实施例中一种数据处理模块的结构框图；
图4是本发明实施例中一种调制采样信号的相位估计原理图；
图5是本发明实施例中一种中频采样信号的相位估计原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
参照图1，示出了本发明实施例中一种小型化相频测试仪的结构框图。在本实施例中，所述小型化相频测试仪，包括：数字采样模块101，用于对信号源同时产生的调制信号和经转发器通道后的中频信号进行同步采样，得到两路差分数字信号；其中，所述两路差分数字信号，包括：调制采样信号和中频采样信号。数据处理模块102，用于对两路差分数字信号进行相位估计，得到相位估计值；并对所述相位估计值进行比相，得到相频测试数据。
在本发明的一优选实施例中，参照图2，示出了本发明实施例中一种数字采样模块的结构框图。优选的，所述数字采样模块101具体可以包括两路采样子模块：第一采样子模块，用于对调制信号进行采样，得到调制采样信号；第二采样子模块，用于与所述第一采样子模块同步，对所述中频信号进行同步采样，得到中频采样信号。
优选的，如图2，所述第一采样子模块，具体可以包括：第一前级数字滤波器，用于对调制信号进行滤波处理，以滤除调制信号的谐波和杂散分量；第一数控衰减器，用于对经所述第一前级数字滤波器滤波处理后的信号进行功率调整；第一后级数字滤波器，用于对经所述第一数控衰减器处理后的信号进行抗混叠滤波处理；第一模数转换器，用于采用差分输入方式，利用变压器对经所述第一后级数字滤波器处理后的信号进行模数转化，得到调制采样信号。
优选的，如图2，所述第二采样子模块，具体可以包括：第二前级数字滤波器，用于对中频信号进行滤波处理，以滤除中频信号的谐波和杂散分量；第二数控衰减器，用于对经所述第二前级数字滤波器滤波处理后的信号进行功率调整；第二后级数字滤波器，用于对经所述第二数控衰减器处理后的信号进行抗混叠滤波处理；第二模数转换器，用于采用差分输入方式，利用变压器对经所述第二后级数字滤波器处理后的信号进行模数转化，得到中频采样信号。
在本发明实施例中，采样子模块采用两级数字滤波器，前级数字滤波器主要用于对输入信号的滤波，滤除输入信号的谐波和其它杂散分量。因此，前级数字滤波器的设计适合采用矩形系数较大，插损较小的滤波器。后级数字滤波器主要用于模数转换器采样时的抗混叠滤波，设计时适合采用矩形系数较小，插损较大的滤波器。其次，采样子模块的功率调整可由固定增益放大器和数控衰减器来实现。由于输入信号功率范围没有超过模数转换器的最大输入量程，功率调整只需要提供正增益。根据增益调整范围和器件实际情况，固定增益放大器和数控衰减器均采用多级实现方式，有利于保证通道的稳定性。数控衰减器的衰减控制字由处理器电路提供，依据数字检波或功率检测的结果来调节链路增益，形成模拟-数字闭环自动增益控制(AGC)。再次，采样子模块的输入端口，以及固定增益放大器后端设置有多个π衰网络，可用于改善电路的阻抗匹配程度，防止同频高增益产生自激，保证采样子模块电路的稳定性。此外，模数转换器采用差分输入方式，利用变压器将单端信号转换为差分信号。模数转换器采样时钟来源于时钟管理模块，数字输出采用LVDS差分信号形式，输出至数据处理模块。
在本发明的一优选实施例中，参照图3，示出了本发明实施例中一种数据处理模块的结构框图。在本实施例中，所述数据处理模块102，具体可以包括：相位估计模块，用于对调制采样信号和中频采样信号进行相位估计，得到相位估计结果；比相模块，用于根据相位估计结果，计算得到数字化群时延，将所述数字化群时延作为相频测试数据输出。
优选的，相位估计模块的具体实现流程可以如下：
(1)对调制采样信号的相位估计
参照图4，示出了本发明实施例中一种调制采样信号的相位估计原理图，如图4：
原始调制信号：
Smod(t)＝Amcos(ωmt+φm,0)···(1-1)
其中，Am为调制信号幅度，ωm为调制信号角频率，φm,0为调制信号初相位。
经过数字采样模块双通道采样后：
S'mod(kT)＝Amcos(ωmkT+φm,0)···(1-2)
其中，T为采样间隔，k为第k个采样点。
对式(1-2)进行下变频
Figure BDA0001746057860000051
可得：
Figure BDA0001746057860000052
其中，ω′m为本地调制信号频率，且Δωm＝ωm-ω'm。
上式信号经过进行低通滤波后，可得:
Figure BDA0001746057860000053
对Δωm进行估计得到角频率估计值
Figure BDA0001746057860000054
Figure BDA0001746057860000055
其中,
Figure BDA0001746057860000056
L取最大整数值(一般来说，在保证频偏估计范围的前提下，L越大越好)，可以得出角频率估计值：
Figure BDA0001746057860000061
求解得到调制信号初相位的估计值：
Figure BDA0001746057860000062
(2)对中频采样信号的相位估计
参照图5，示出了本发明实施例中一种中频采样信号的相位估计原理图，如图5：
中频信号为：
SFM(t)＝Accos(ωct+βFMsin(ωmt+φm)+φc,0)
经过采样后:
S'FM(kT)＝Accos(ωckT+βFMsin(ωmkT+φm)+φc,0)
其中，Ac为调制信号幅度，ωc为中频信号角频率，φc,0为中频信号初相位，βFM为调频指数，ωm为调制信号角频率，φm为调制信号经过转发器后的初相位。
经过一次下变频之后
Figure BDA0001746057860000063
得到：
Figure BDA0001746057860000064
其中，ωc'为本地中频信号频率，中频信号频偏Δωc＝ωc-ωc'。
上式信号经过低通滤波，得:
Figure BDA0001746057860000065
式中，Jn(x)为第一类Bessel函数，调制信号在一阶Bessel函数项上，为了估计中频信号的残余频偏和相偏，首先数字低通滤波(滤波器带宽ωm)，只保留Bessel函数0阶项，可得：
Figure BDA0001746057860000066
得出Δωc的估计值:
Figure BDA0001746057860000067
Figure BDA0001746057860000071
Figure BDA0001746057860000072
Figure BDA0001746057860000073
对
Figure BDA0001746057860000074
Figure BDA0001746057860000075
对SC(kT)的虚部进行以ωm的为中心频率的数字带通滤波，可得：
SD(kT)＝sin(ωmkT+φm)
SD(kT)经过sin(ω”mkT)低通滤波得到:
SE1(kT)＝SD(kT)×sin(ω”mkT)＝cos(ω'mkT+φm)
SD(kT)经过cos(ω”mkT)低通滤波得到:
SE2(kT)＝SD(kT)×cos(ω”mkT)＝sin(ω'mkT+φm)
合并SE1(kT)和SE2(kT):
Figure BDA0001746057860000076
其中,Δω'm＝ωm-ω”mm。
对Δω'm进行估计：
Figure BDA0001746057860000077
Figure BDA0001746057860000078
得到：
Figure BDA0001746057860000079
对φm进行估计得：
Figure BDA00017460578600000710
优选的，比相模块的具体实现流程可以如下：
在本实施例中，数字化群时延测试采用解调频恢复的调制信号与原始调制信号比相的方式计算测量的群延迟τg：
Figure BDA0001746057860000081
在本发明的一优选实施例中，所述小型化相频测试仪还可以包括：时钟管理模块，用于利用锁相环产生最高时钟频率，通过分频得到其它模块的时钟频率。优选的，时钟管理模块可用于产生小型化相频测试仪内的各模块(电路)所需的时钟。为了简化电路实现，设计各个电路使用的时钟频率具有整数倍关系。利用锁相环产生最高时钟频率，通过分频得到其它的时钟频率。时钟管理电路提供的时钟频率有：中频采集电路(数字采样模块)的数字滤波器的采样时钟；数据处理模块的工作时钟；信号源和频谱仪参考时钟。例如，时钟管理模块产生的所有时钟均相参，由OCXO产生，时钟都是由参考时钟锁相倍频产生。时钟管理模块负责各个模块所使用的时钟的产生。时钟管理模块PLL电路由锁相环和多路扇出组成。锁相环将频标信号锁相倍频至高时钟频率，再由多路扇出分频后输出多路时钟。PLL电路的多路扇出能够保证组间以及组内各时钟的同步。
在上述实施例的基础上，下面结合一个具体实例进行说明。将小型化相频测试仪与现有载荷测试系统中的信号源和频谱仪配合使用：(1)信号源输出的低频信号(调制信号)分两路，一路调制信号，一路对载波进行调制后输出至开关矩阵，经星上转发器后进入频谱仪，频谱仪对信号进行下变频。频谱仪输出的下变频信号及信号源直接输出的调制信号进入小型化相频测试仪。(2)两路信号进入小型化相频测试仪后，测试仪内部共时钟的采样子模块对两路信号进行同时采样，采样时间及采样深度可根据具体实际确定后经上位机软件写入。(3)信号通过采样后，调制信号为S'mod(kT)＝Amcos(ωmkT+φm,0)，中频信号为S'FM(kT)＝Accos(ωckT+βFMsin(ωmkT+φm)+φc,0)，为了估计中频信号的残余频偏和相偏，首先数字低通滤波，只保留Bessel函数0阶项，通过可编程低通滤波器实现。通过数字滤波后的两路信号进入嵌入式子系统，主要由ARM和FPGA构成，FPGA通过编程实现相位估计算法和比相算法，ARM提供FPGA和外设间的数据通道并对FPGA进行配置。通过算法实现模块处理后的测试结果进入内部寄存器并通过读写接口将结果输出。
传统测试法 相频测试仪
36MHz带宽(时间) 14min 2min
54MHz带宽(时间) 15min 2min
表1，测试结果对比示意表
如表1，采用传统示波器进行信号采样，采样率为10M，采用相频测试仪，采样率为100M；传统测试方法通过计算机进行算法实现，相频测试仪通过FPGA进行算法实现，通过实际测试，提升测试效率7倍以上，且带宽越宽效率提升越高。
本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种小型化相频测试仪，其特征在于，包括：
数字采样模块，用于对信号源同时产生的调制信号和经转发器通道后的中频信号进行同步采样，得到两路差分数字信号；其中，所述两路差分数字信号，包括：调制采样信号和中频采样信号；其中，数字采样模块，包括：第一采样子模块，用于对调制信号进行采样，得到调制采样信号；第二采样子模块，用于与所述第一采样子模块同步，对所述中频信号进行同步采样，得到中频采样信号；其中，第一采样子模块，包括：第一前级数字滤波器，用于对调制信号进行滤波处理，以滤除调制信号的谐波和杂散分量；第一数控衰减器，用于对经所述第一前级数字滤波器滤波处理后的信号进行功率调整；第一后级数字滤波器，用于对经所述第一数控衰减器处理后的信号进行抗混叠滤波处理；第一模数转换器，用于采用差分输入方式，利用变压器对经所述第一后级数字滤波器处理后的信号进行模数转化，得到调制采样信号；第二采样子模块，包括：第二前级数字滤波器，用于对中频信号进行滤波处理，以滤除中频信号的谐波和杂散分量；第二数控衰减器，用于对经所述第二前级数字滤波器滤波处理后的信号进行功率调整；第二后级数字滤波器，用于对经所述第二数控衰减器处理后的信号进行抗混叠滤波处理；第二模数转换器，用于采用差分输入方式，利用变压器对经所述第二后级数字滤波器处理后的信号进行模数转化，得到中频采样信号；
数据处理模块，用于对两路差分数字信号进行相位估计，得到相位估计值；并对所述相位估计值进行比相，得到相频测试数据；其中，数据处理模块，包括：相位估计模块，用于对调制采样信号和中频采样信号进行相位估计，得到相位估计结果；比相模块，用于根据相位估计结果，计算得到数字化群时延，将所述数字化群时延作为相频测试数据输出；
时钟管理模块，用于利用锁相环产生最高时钟频率，通过分频得到其它模块的时钟频率。
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