CN109655775A - 一种任意波形发生器幅度扫频多尺度校准方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种任意波形发生器幅度扫频多尺度校准方法和装置，能够根据误差的波动程度调整校准样点的间隔，误差曲线较平滑时校准样点间隔大，误差曲线波动较大时校准样点间隔小，以达到不同尺度的校准。该方法包括以下步骤：获取频响误差信号；对频响误差信号进行加窗分帧处理，得到若干个帧信号；计算每个帧信号的能量均值，得到频响误差信号的能量包络，并计算频响误差信号能量包络的均值；确定误差信号分段的判决阈值和校准样点间隔；对频响误差信号的校准频段进行分段处理，确定相应频段内的校准样点的间隔和个数；利用校准样点对相应频段进行校准操作。

Description

一种任意波形发生器幅度扫频多尺度校准方法和装置

技术领域

本公开属于任意波形发生器校准领域，特别设计一种适用于任意波形发生器的幅度扫频多尺度校准方法和装置。

背景技术

任意波形发生器是一种可编辑的多功能信号源，能够产生常规函数波形、特殊应用波形和复杂可编辑波形，同时还能输出环境模拟信号实现从信号仿真到真实世界测试环境的过渡，广泛应用于通信、航空、医疗等领域。任意波形发生器可以与计算机技术配合产生用户需要的有限带宽的任意信号，为多领域的测试提供高带宽、高分辨率、高精度的测试信号。

若要真实的复现设定的任意波形信号，则必须保证任意波形发生器的输出精度。任意波形发生器在硬件电路确定的情况下，为保证输出信号的精度，必须设计一种高效可靠的校准方法对输出信号进行校准。

任意波形发生器一般校准方案为任意波形发生器输出端通过射频电缆连接接收机收入端，然后通过LAN或者GPIB回读接收机端的测量结果。常用的校准方法为先在任意波形发生器一端预置全局等间隔的校准样点，然后进行逐点校准。校准过程为：首先设置任意波形发生器输出频率为校准样点频点，这些校准样点频点一般为全局等间隔，通过改变电路上的微调控制器的值然后回读接收机的测量值，如果测量值与设定输出值的差在一个误差阈值范围内，则该频点校准完成，进行下一个频点的校准直到遍历所有校准样点，否则继续改变微调控制器的值直到误差控制在阈值范围内。校准的时间复杂度与校准样点的个数成正比。

通常校准样点间隔为预先设定，对于不同仪器都是采用同样的校准样点，没有考虑到电路或元器件所造成的差异性。如果频响曲线线性度较差则会造成部分频段误差波动很大，采用等间隔的校准样点对于该频段的校准可能会漏掉许多关键信息，无法保证校准精度。

综上所述，目前对于能够针对差异化的平台执行不同间隔样点的校准，改善误差波动程度较大频段的校准精度的问题，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种任意波形发生器幅度扫频多尺度校准方法和装置，能够根据误差的波动程度调整校准样点的间隔，误差曲线较平滑时校准样点间隔大，误差曲线波动较大时校准样点间隔小，以达到不同尺度的校准。

本公开所采用的技术方案是：

一种任意波形发生器幅度扫频多尺度校准方法，该方法包括以下步骤：

获取频响误差信号；

对频响误差信号进行加窗分帧处理，得到若干个帧信号；

计算每个帧信号的能量均值，得到频响误差信号的能量包络，并计算频响误差信号能量包络的均值；

确定误差信号分段的判决阈值和校准样点间隔；

对频响误差信号的校准频段进行分段处理，确定相应频段内的校准样点的间隔和个数；利用校准样点对相应频段进行校准操作。

进一步的，所述频响误差信号的获取方法为：

通过频谱仪输出波形的频响曲线，并回传到波形发生器，波形发生器根据频率响应曲线计算得到频率响应误差信号曲线。

进一步的，所述帧信号的能量均值的计算方法为：

其中，x_n(m)为第n帧信号m时刻的误差信号的幅值；n＝0,1T,2T,…，N为帧长，T为帧偏移长度。

进一步的，所述频响误差信号的能量包络包括每个帧信号的能量均值，所述频响误差信号能量包络的均值为所有帧信号的能量均值的平均值。

进一步的，得到频响误差信号能量包络的均值后，并从频响误差信号的能量包络中选取出最大的帧信号能量均值作为能量包络最大值。

进一步的，所述误差信号分段的判决阈值的确定方法为：

根据频响误差信号能量包络的均值和能量包络最大值，确定误差信号分段的判决阈值G₁和G₂，所述误差信号分段的判决阈值G₁和G₂分别为：

其中，L_th为频响误差信号能量包络的均值；E_max为能量包络最大值。

进一步的，所述校准样点间隔的确定方法为：

根据误差信号分段的判决阈值G₁和G₂以及每个帧信号的能量均值，确定校准样点间隔；

频响误差信号中帧信号的能量均值小于等于G₁的误差信号段内校准样点间隔为k；

频响误差信号中帧信号的能量均值大于G₁或小于等于G₂的误差信号段内校准样点间隔为

频响误差信号中帧信号的能量均值大于G₂的误差信号段内校准样点间隔为

一种任意波形发生器幅度扫频多尺度校准装置，包括波形发生器、频谱仪和处理器，所述波形发生器的输出端通过射频电缆连接频谱仪的输入端，所述波形发生器的GPIB口通过GPIB通信缆连接频谱仪的GPIB口；所述波形发生器还与处理器连接，所述处理器用于执行如上所述的任意波形发生器幅度扫频多尺度校准方法。

通过上述的技术方案，本公开的有益效果是：

(1)本公开通过任意波形发生器执行线性扫频后获取其频响误差曲线，基于误差信号能量的算法对其频响误差曲线的校准频段进行分段，确定分段后的校准样点间隔进行多尺度校准；

(2)本公开能够根据误差的波动程度调整校准样点的间隔，误差曲线较平滑时校准样点间隔大，误差曲线波动较大时校准样点间隔小，以达到不同尺度的校准；

(3)本公开能够在不明显增加校准时间复杂度的条件下对任意波幅度进行高效、准确的校准，保证任意波形发生器的输出精度，尤其能够改善在误差波动较大频段的校准精度。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是任意波形发生器幅度扫频多尺度校准方法的流程图；

图2是频响误差信号曲线示意图；

图3是频响误差信号加窗分帧原理图；

图4是频谱误差信号帧能量均值及判决阈值的示意图；

图5是频响误差信号曲线的校准频段分段结果。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

现有的校准方法校准样点选取多为全局范围内的等间隔校准样点或等间隔校准样点加频响信号极值点。全局范围内校准样点等间隔即用同一尺度对全频段进行校准，无法对误差变化大的频段进行精细的校准，校准精度一般。而通过增加极值点的方式虽然可以提高对误差波动大的频段校准精度，但是极值点的选取往往可能会造成局部频段范围内过于精细的校准而大大增加校准的时间复杂度。

针对以上缺点，本实施例提供一种任意波形发生器幅度扫频多尺度校准方法，根据任意波形发生器的频响误差波动程度对校准频段进行分段，对线性度较好的阶段采用大尺度校准，对线性度较差的阶段采用小尺度校准，则可以实现全频段范围内的多尺度校准，能够在有限的时间复杂度的条件是大大提高校准精度。

如图1所示，该任意波形发生器幅度扫频多尺度校准方法包括以下步骤：

S101，获取频响误差信号。

在本实施例中，通过频谱仪输出最大保持任意波的频响曲线，通过GPIB通信缆回传到任意波形发生器，任意波形发生器通过频率响应曲线计算得到频率响应误差信号曲线，如图1所示。

S102，对频响误差信号进行加窗分帧处理，得到若干个帧信号。

频率响应误差曲线是随着频率不断变化的，根据误差波动程度进行分段处理，则需要对误差的波动程度进行衡量。

在本实施例中，对步骤S101得到的频率响应误差信号x(k)进行加窗分帧处理，得到若干帧信号，如图3所示。每两帧信号之间有交叠部分，本实施例选取交叠部分为帧长的一半。

S103，计算每一个帧信号的能量均值，得到频响误差信号的能量包络。

由于能量均值能够有效的反映误差信号的幅度特性，本实施例根据步骤S102得到的所有帧信号，计算每一帧信号在这个较短频率范围内的能量均值E₀、E₁、…、E_N-1，即可以得到整个误差信号的能量包络E'_n＝[E₀E₁ … E_N-1]。

在本实施例中，对频响误差信号x(k)进行加窗分帧处理，得到第n帧信号x_n(m)，其表达式为：

x_n(m)＝w(m)x(n+m) 0≤m≤N-1

其中，x_n(m)为第n帧信号m时刻的误差信号的幅值；n＝0,1T,2T,…，并且N为帧长，T为帧偏移长度。

则该第n帧信号x_n(m)的能量均值E_n的计算公式为：

S104，计算频响误差信号能量包络均值，并找出能量包络最大值；

根据步骤S103得到的频响误差信号的能量包络E'_n，计算频响误差信号能量包络的均值L_th，并从步骤S103得到的响误差信号的能量包络E'_n中找出能量包络最大值E_max。

S105，确定误差信号分段的判决阈值G₁和G₂。

根据频响误差信号能量包络均值L_th和能量包络最大值E_max，确定误差信号分段的判决阈值G₁和G₂，如图4所示，误差信号分段的判决阈值G₁和G₂分别为：

其中，L_th为频响误差信号能量包络均值；E_max为能量包络最大值。

S106，根据误差信号分段的判决阈值和每个帧信号的能量均值，确定校准样点间隔。

所述步骤106中，校准样点间隔的确定方法为：

频响误差信号中帧信号的能量均值小于等于G₁的误差信号段内校准样点间隔为k；频响误差信号中帧信号的能量均值大于G₁或小于等于G₂的误差信号段内校准样点间隔为频响误差信号中帧信号的能量均值大于G₂的误差信号段内校准样点间隔为

若相邻两个帧信号的能量均值不属于同一段内，则两个帧信号的交叠部分采用较小的样点间隔处理。

本实施例通过计算能量包络均值确定频段分段的判决阈值，将误差信号曲线波动程度限定为3个等级，防止过多的校准样点增加校准的时间复杂度。

S106，对频响误差信号曲线的校准频段进行分段处理，调用任意波形发生器对每段进行校准操作。

根据校准样点间隔和每帧信号对应的具体频段位置对频响误差信号曲线的校准频段进行分段处理，确定相应频段内的校准样点的间隔和个数，如图5所示。

分段后，调用任意波形发生器采用校准样点对相应频段进行校准操作。

频响误差信号曲线分段后每一段内的校准样点都是等间隔的，并且校准样点的最大间隔为可设的固定值，误差波动程度上升一个等级则校准样点间隔减小一半，有效控制校准的时间复杂度。

本实施例提出的任意波形发生器幅度扫频多尺度校准方法，通过对任意波形发生器产生的频响误差信号曲线进行加窗分帧后，计算每帧误差信号的能量均值，误差能量均值能够反映误差信号的波动程度，以此作为分段依据对校准频段进行分段，误差平滑频段采用较大间隔的校准样点进行校准，误差波动大的频段采用较小间隔的校准样点进行校准。

本实施例还提供一种任意波形发生器幅度扫频多尺度校准装置，该装置用于实现如上所述的任意波形发生器幅度扫频多尺度校准方法。该装置包括任意波形发生器、频谱仪、处理器、射频电缆、GPIB通信缆，任意波形发生器的输出端通过射频电缆连接频谱仪的输入端，任意波形发生器的GPIB口通过GPIB通信缆连接频谱仪的GPIB口；所述任意波形发生器还与处理器连接。

任意波形发生器设置线性扫频，频谱仪最大保持任意波输出频响曲线，通过GPIB回传到任意波形发生器；任意波形发生器通过频率响应曲线计算得到频率响应误差信号曲线输出至处理器，处理器采用基于误差信号能量的分段算法对频率响应误差信号曲线进行分段，调用任意波形发生器利用校准点对相应频段进行校准。

所述基于误差信号能量的分段算法具体为：

获取频响误差信号；

对频响误差信号进行加窗分帧处理，得到若干个帧信号；

计算每个帧信号的能量均值，得到频响误差信号的能量包络，并计算能量包络的均值；

确定分段判决阈值和校准样点间隔；

根据分段判决阈值和校准样点间隔，对频响误差信号曲线的校准频段进行分段处理，确定相应频段内的校准样点的间隔和个数。

本实施例提出的任意波形发生器幅度扫频多尺度校准装置，通过任意波形发生器执行线性扫频后获取其频响误差曲线，然后通过处理器基于误差信号能量的算法对频响误差曲线的校准频段进行分段，进而确定分段后的校准样点间隔进行多尺度校准，能够根据误差的波动程度调整校准样点的间隔，误差曲线较平滑时校准样点间隔大，误差曲线波动较大时校准样点间隔小，以达到不同尺度的校准；能够在不明显增加校准时间复杂度的条件下对任意波幅度进行高效、准确的校准，保证任意波形发生器的输出精度，尤其能够改善在误差波动较大频段的校准精度。

从以上技术方案，可以看出，本实施例的有益效果为：

(1)本实施例在频响误差曲线平滑阶段即线性度较好的阶段采用较大间隔的样点校准，误差曲线波动大的阶段即线性度差的阶段采用小间隔的样点校准，能够在不同尺度内完成整个频段的校准，保证整个频段内的校准精度，尤其能够改善在线性度较差频率范围的校准精度；

(2)本实施例能够针对不同的任意波形发生器平台动态的进行分段，兼顾了硬件造成的差异性；

(3)本实施例采用基于加窗分帧计算误差能量的算法的对频率误差曲线进行分段，且帧之间有交叠部分，分段准确，算法效率高。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种任意波形发生器幅度扫频多尺度校准方法，其特征是，包括以下步骤：

获取频响误差信号；

对频响误差信号进行加窗分帧处理，得到若干个帧信号；

计算每个帧信号的能量均值，得到频响误差信号的能量包络，并计算频响误差信号能量包络的均值；

确定误差信号分段的判决阈值和校准样点间隔；

对频响误差信号的校准频段进行分段处理，确定相应频段内的校准样点的间隔和个数；利用校准样点对相应频段进行校准操作。

2.根据权利要求1所述的任意波形发生器幅度扫频多尺度校准方法，其特征是，所述频响误差信号的获取方法为：

通过频谱仪输出波形的频响曲线，并回传到波形发生器，波形发生器根据频率响应曲线计算得到频率响应误差信号曲线。

3.根据权利要求1所述的任意波形发生器幅度扫频多尺度校准方法，其特征是，所述帧信号的能量均值的计算方法为：

其中，x_n(m)为第n帧信号m时刻的误差信号的幅值；n＝0，1T，2T，...，N为帧长，T为帧偏移长度。

4.根据权利要求1所述的任意波形发生器幅度扫频多尺度校准方法，其特征是，所述频响误差信号的能量包络包括每个帧信号的能量均值，所述频响误差信号能量包络的均值为所有帧信号的能量均值的平均值。

5.根据权利要求4所述的任意波形发生器幅度扫频多尺度校准方法，其特征是，得到频响误差信号能量包络的均值后，并从频响误差信号的能量包络中选取出最大的帧信号能量均值作为能量包络最大值。

6.根据权利要求5所述的任意波形发生器幅度扫频多尺度校准方法，其特征是，所述误差信号分段的判决阈值的确定方法为：

根据频响误差信号能量包络的均值和能量包络最大值，确定误差信号分段的判决阈值G₁和G₂，所述误差信号分段的判决阈值G₁和G₂分别为：

其中，L_th为频响误差信号能量包络的均值；E_max为能量包络最大值。

7.根据权利要求6所述的任意波形发生器幅度扫频多尺度校准方法，其特征是，所述校准样点间隔的确定方法为：

根据误差信号分段的判决阈值G₁和G₂以及每个帧信号的能量均值，确定校准样点间隔；

频响误差信号中帧信号的能量均值小于等于G₁的误差信号段内校准样点间隔为k；

频响误差信号中帧信号的能量均值大于G₁或小于等于G₂的误差信号段内校准样点间隔为

频响误差信号中帧信号的能量均值大于G₂的误差信号段内校准样点间隔为

8.一种任意波形发生器幅度扫频多尺度校准装置，其特征是，包括波形发生器、频谱仪和处理器，所述波形发生器的输出端通过射频电缆连接频谱仪的输入端，所述波形发生器的GPIB口通过GPIB通信缆连接频谱仪的GPIB口；所述波形发生器还与处理器连接，所述处理器用于执行步骤1-7中任一项所述的任意波形发生器幅度扫频多尺度校准方法。