CN109813962A - 基于希尔伯特变换的变频系统群延迟测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于希尔伯特变换的变频系统群延迟测量方法及系统，所述方法包括：将信号源产生的双音信号分为两路，一路为参考信号，另一路为测量信号；所述测量信号输入待测变频系统；对参考信号和待测变频系统的输出信号进行同步采样，得到第一采样信号和第二采样信号；对第一采样信号和第二采样信号分别执行：进行希尔伯特变换，求取希尔伯特变换前后两组数据的平方和，将所述平方和减去自身平均值，得到第一处理信号和第二处理信号；基于第一处理信号和第二处理信号估计相位差，计算群延迟。本发明的测量方法与被测变频系统的本振信号完全无关，克服了本振信号漂移对群延迟测量精度的影响。

Description

基于希尔伯特变换的变频系统群延迟测量方法及系统

技术领域

本公开属于变频系统的群延迟测量技术领域，尤其涉及一种基于希尔伯特变换的变频系统群延迟测量方法及系统。

背景技术

群延迟是描述收发系统性能的一个重要指标，与信号经过系统时的失真程度有着密切的关系。由于变频系统的输入端与输出端工作频率不同，变频系统群延迟的测量一直是群延迟测量领域的难点。目前，变频系统的群延迟测量方法可分为静态测量法和动态测量法。

静态测量法是将信号分为经过待测系统和未经待测系统的两路，利用测量仪器(相位计等)直接测量待测系统的相频特性，之后得到相位差与频率差从而计算出相应的群延迟。静态测量法中具有代表性的是基于矢量网络分析仪的静态测量法。这种测量方法是以具有频偏模式选件的高性能矢量网络分析仪为测量平台。目前国内市场，一台矢量网络分析仪根据性能指标的不同，价格在十几到几十万元人民币左右不等，基于矢量网络分析仪的静态测量法成本较高。另外在操作方面，由于相位是一个相对量，在测量时需要利用参考混频器产生一个参考信号，而且必须消除校准混频器固有延迟，基于矢量网络分析仪的静态测量法操作复杂。

动态测量法是建立在系统的群延迟等于包络延迟的基础上，测量时产生一个群信号，将群信号通过系统传输时产生的包络延迟直接读作群延迟。动态测量法中具有代表性的是双频相差法，这种测量方法将双音信号进行调制后，经过待测变频系统，而后进行频谱分析获取两个中频频率处的相位差，结合双频信号的频差可计算出群延迟。在器件老化或工作环境变化等因素的影响下，变频系统的本振频率可能会发生不可预测的漂移，这种本振频率漂移会影响双频相差法的测量精度，例如在进行FFT处理或进行数字相位估计时，本振频率的漂移将会导致输出信号频率落在算法频率分辨率非整数倍的位置，引起信号的频谱泄露，从而影响群延迟的测量精度。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种基于希尔伯特变换的变频系统群延迟测量方法及系统，用于变频系统的群延迟精密测量。该方法对双音信号进行希尔伯特变换，而后通过平方求和与减去自身平均值等数值处理，能够有效地避免变频系统本振信号漂移对群延迟测量的影响。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

一种基于希尔伯特变换的变频系统群延迟测量方法，包括以下步骤：

将信号源产生的双音信号分为两路，一路为参考信号，另一路为测量信号；

所述测量信号输入待测变频系统；

对参考信号和待测变频系统的输出信号进行同步采样，得到第一采样信号和第二采样信号；

对第一采样信号和第二采样信号分别执行：进行希尔伯特变换，求取希尔伯特变换前后两组数据的平方和，将所述平方和减去自身平均值，得到第一处理信号和第二处理信号；

基于第一处理信号和第二处理信号估计相位差，计算群延迟。

进一步地，所述参考信号和待测变频系统的输出信号均进行数模转换后执行采样。

进一步地，所述测量信号经一定衰减后输入待测变频系统，待测变频系统的输出信号经一定衰减后进行数模转换。

进一步地，所述群延迟方法为：

其中，f₁和f₂为双音信号的频率，为相位差。

进一步地，所述方法还包括：保持双音信号频差不变，同步改变双音信号的频率值，计算变频系统带宽内各频点的群延迟值。

一个或多个实施例提供了一种基于希尔伯特变换的变频系统群延迟测量系统，包括：信号源、功分器、时钟模块和群延迟计算模块；

信号源产生双音信号进入功分器，功分器的第一输出端连接群延迟计算模块；功分器的第二输出端连接变频系统输入端，变频系统输出端连接群延迟计算模块；

通过时钟模块控制功分器的第一输出端信号和变频系统输出端信号的同步采样；

所述群延迟计算模块被配置为：

对第一采样信号和第二采样信号分别执行：进行希尔伯特变换，求取希尔伯特变换前后两组数据的平方和，将所述平方和减去自身平均值，得到第一处理信号和第二处理信号；

基于第一处理信号和第二处理信号估计相位差，计算群延迟。

进一步地，还包括第一数模变换器和第二数模变换器，均与所述时钟模块连接；

功分器的第一输出端连接第一数模变换器的输入端，第一数模变换器的输出端连接群延迟计算模块；变频系统输出端连接第二数模变换器的输入端，第二数模变换器的输出端连接群延迟计算模块。

进一步地，还包括第一衰减器和第二衰减器；功分器的第二输出端连接第一衰减器的输入端，第一衰减器的输出端连接变频系统输入端，变频系统输出端连接第二衰减器，第二衰减器的输出端连接第二数模变换器的输入端。

进一步地，所述群延迟方法为：

其中，f₁和f₂为双音信号的频率，为相位差。

进一步地，保持双音信号频差不变，同步改变双音信号的频率值，计算变频系统带宽内各频点的群延迟值以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、基于希尔伯特变换的变频系统群延迟测量方法测量操作较为简单；通过希尔伯特变换、求取平方和等数值处理，使得测试结果完全与变频系统本振无关，有效地避免了变频系统本振信号漂移对群延迟测量的影响，同时也能将双音信号相位差的估计转换成频率是双音信号频差的单音信号的相位差估计，有效地提高了群延迟测量的精度；

2、基于希尔伯特变换的变频系统群延迟测量系统硬件电路结构简单，易于硬件实现，不需要昂贵的精密测试仪器，测试成本低。

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申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本公开实施例一基于希尔伯特变换的变频系统群延迟测量方法的流程示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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。

在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例公开了一种基于希尔伯特变换的变频系统群延迟测量方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：通过信号源产生频率为f₁和f₂(取f₂＞f₁)，对应幅度为A₁和A₂的双音信号：

S₁＝A₁cos(2πf₁t)+A₂sin(2πf₂t)

步骤2：通过功分器将产生的频差为Δf＝f₂-f₁的双音信号分为两路，一路输入A/D变换器1，另一路在进行适当衰减后输入待测变频系统，并将变频系统的输出信号经过一定衰减后作为A/D变换器2的输入；然后同步采样A/D变换器1和A/D变换器2的输入信号，分别得到：

S₁＝A₁cos(2πf₁t)+A₂sin(2πf₂t)

其中：f₀为被测变频系统的本振频率，为被测变频系统的本振相位，当f₁与f₂足够接近时，被测系统的输出频率(f₁+f₀)和(f₂+f₀)处的群延迟近似相等，记为τ。

步骤3：对A/D变换器1得到的数据进行希尔伯特变换，求取希尔伯特变换前后两组数据的平方和，而后减去自身平均值；

(1)将A/D变换器1得到的数据进行希尔伯特变换得：

H(S₁)＝A₁sin(2πf₁t)-A₂cos(2πf₂t)

(2)求取S₁与H(S₁)的平方和为：

Q₁＝[A₁cos(2πf₁t)+A₂sin(2πf₂t)]²+[A₁sin(2πf₁t)-A₂cos(2πf₂t)]²

整理后得：

Q₁＝(A₁ ²+A₂ ²)+2A₁ A₂sin[2π(f₂-f₁)t]

(3)求取Q₁的平均值得：

将Q₁减去自身平均值得：

Q₁′＝2A₁A₂sin[2π(f₂-f₁)t]

设被测变频系统的本振频率为f₀，本振相位为当f₁与f₂足够接近时，被测系统的输出频率(f₁+f₀)和(f₂+f₀)处的群延迟近似相等，记为τ，则双音信号经过变频系统后：

其中，A₁′和A₂′分别为双音信号经过变频系统后的幅度。

步骤4：对A/D变换器2得到的数据进行希尔伯特变换，求取希尔伯特变换前后两组数据的平方和，而后减去自身平均值；

(1)将A/D变换器2得到的数据进行希尔伯特变换得：

(2)求取S₂与H(S₂)的平方和得：

Q₂＝(A₁′²+A₂′²)+2A₁′A₂′sin[2π(f₂-f₁)(t-τ)]

(3)求取Q₂的平均值得：

将Q₂减去自身平均值得：

Q₂′＝2A₁′A₂′sin[2π(f₂-f₁)(t-τ)]

步骤5：估计Q₁′和Q₂′的相位差进而可实现群延迟的估计；

估计Q₁′和Q₂′的相位差得：

其中N为采样点数，

计算变频系统群延迟得：

步骤6：保持双音信号频差Δf＝f₂-f₁不变，同步改变信号源输出双音信号的频率f₁和f₂，即可得到变频系统其他频点的群延迟。

该方法通过对双音信号进行希尔伯特变换和后续的数值处理，巧妙的避开本振信号的影响，这种测量方法与被测变频系统的本振信号完全无关，克服了本振信号漂移对群延迟测量精度的影响，同时也能将双音信号相位差的估计转换成频率是双音信号频差的单音信号的相位差估计。

实施例二

本实施例的目的是提供一种基于希尔伯特变换的变频系统群延迟测量系统，包括：信号源、功分器、第一衰减器和第二衰减器、第一数模变换器和第二数模变换器、时钟模块和群延迟计算模块；

其中，信号源产生双音信号发送到功分器，功分器的一个输出端连接第一数模变换器的输入端，第一数模变换器的输出端连接群延迟计算模块；

功分器的另一个输出端连接第一衰减器的输入端，第一衰减器的输出端连接变频系统输入端，变频系统输出端连接第二衰减器，第二衰减器的输出端连接第二数模变换器的输入端，第二数模变换器的输出端连接群延迟计算模块；

时钟模块分别与第一数模变换器和第二数模变换器连接。

所述测量系统的工作原理如下：

(1)通过信号源产生频率为f₂和f₂(取f₂＞f₂)，对应幅度为A₁和A₂的双音信号：

S₁＝A₁cos(2πf₁t)+A₂sin(2πf₂t)

(2)通过功分器将产生的频差为Δf＝f₂-f₁的双音信号分为两路，一路输入第一数模变换器，另一路通过第一衰减器进行适当衰减后输入待测变频系统，并将变频系统的输出信号经过第二衰减器衰减后作为第二数模变换器的输入；然后同步采样第一数模变换器和第二数模变换器的输入信号，分别得到：

S₁＝A₁cos(2πf₁t)+A₂sin(2πf₂t)

其中：f₀为被测变频系统的本振频率，为被测变频系统的本振相位，当f₁与f₂足够接近时，被测系统的输出频率(f₁+f₀)和(f₂+f₀)处的群延迟近似相等，记为τ。

采样得到的信号均传输至群延迟计算模块。

(3)群延迟计算模块分别对从第一数模变换器和第二数模变换器采样得到的数据执行以下处理：

①进行希尔伯特变换：

H(S₁)＝A₁sin(2πf₁t)-A₂cos(2πf₂t)

②求取希尔伯特变换前后两组数据的平方和：

Q₁＝(A₁ ²+A₂ ²)+2A₁ A₂sin[2π(f₂-f₁)t]

Q₂＝(A₁′²+A₂′²)+2A₁A₂′sin[2π(f₂-f₁)(t-τ)]

③减去自身平均值：

Q₁′＝2A₁A₂sin[2π(f₂-f₁)t]

Q₂′＝2A₁′A₂′sin[2π(f₂-f₁)(t-τ)]

其中，A₁′和A₂′分别为双音信号经过变频系统后的幅度。

(4)估计Q₁′和Q₂′的相位差计算群延迟；

①估计Q₁′和Q₂′的相位差得：

其中N为采样点数，

②计算变频系统群延迟得：

保持双音信号频差Δf＝f₂-f₁不变，同步改变双音信号频率f₁和f₂的值，即可得到变频系统带宽内各频点的群延迟值。

以上一个或多个实施例具有以下技术效果：

1、基于希尔伯特变换的变频系统群延迟测量方法测量操作较为简单；通过希尔伯特变换、求取平方和等数值处理，使得测试结果完全与变频系统本振无关，有效地避免了变频系统本振信号漂移对群延迟测量的影响，同时也能将双音信号相位差的估计转换成频率是双音信号频差的单音信号的相位差估计，有效地提高了群延迟测量的精度；

2、基于希尔伯特变换的变频系统群延迟测量系统硬件电路结构简单，易于硬件实现，不需要昂贵的精密测试仪器，测试成本低。

本领域技术人员应该明白，上述本申请的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本申请不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本申请的具体实施方式进行了描述，但并非对本申请保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本申请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申请的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于希尔伯特变换的变频系统群延迟测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

将信号源产生的双音信号分为两路，一路为参考信号，另一路为测量信号；

所述测量信号输入待测变频系统；

对参考信号和待测变频系统的输出信号进行同步采样，得到第一采样信号和第二采样信号；

对第一采样信号和第二采样信号分别执行：进行希尔伯特变换，求取希尔伯特变换前后两组数据的平方和，将所述平方和减去自身平均值，得到第一处理信号和第二处理信号；

基于第一处理信号和第二处理信号估计相位差，计算群延迟。

2.如权利要求1所述的一种基于希尔伯特变换的变频系统群延迟测量方法，其特征在于，所述参考信号和待测变频系统的输出信号均进行数模转换后执行采样。

3.如权利要求2所述的一种基于希尔伯特变换的变频系统群延迟测量方法，其特征在于，所述测量信号经一定衰减后输入待测变频系统，待测变频系统的输出信号经一定衰减后进行数模转换。

4.如权利要求1所述的一种基于希尔伯特变换的变频系统群延迟测量方法，其特征在于，所述群延迟方法为：

其中，f₁和f₂为双音信号的频率，为相位差。

5.如权利要求1所述的一种基于希尔伯特变换的变频系统群延迟测量方法，其特征在于，所述方法还包括：保持双音信号频差不变，同步改变双音信号的频率值，计算变频系统带宽内各频点的群延迟值。

6.一种基于希尔伯特变换的变频系统群延迟测量系统，其特征在于，包括：信号源、功分器、时钟模块和群延迟计算模块；

信号源产生双音信号进入功分器，功分器的第一输出端连接群延迟计算模块；功分器的第二输出端连接变频系统输入端，变频系统输出端连接群延迟计算模块；

通过时钟模块控制功分器的第一输出端信号和变频系统输出端信号的同步采样；

所述群延迟计算模块被配置为：

对第一采样信号和第二采样信号分别执行：进行希尔伯特变换，求取希尔伯特变换前后两组数据的平方和，将所述平方和减去自身平均值，得到第一处理信号和第二处理信号；

基于第一处理信号和第二处理信号估计相位差，计算群延迟。

7.如权利要求6所述的一种基于希尔伯特变换的变频系统群延迟测量系统，其特征在于，还包括第一数模变换器和第二数模变换器，均与所述时钟模块连接；

功分器的第一输出端连接第一数模变换器的输入端，第一数模变换器的输出端连接群延迟计算模块；变频系统输出端连接第二数模变换器的输入端，第二数模变换器的输出端连接群延迟计算模块。

8.如权利要求7所述的一种基于希尔伯特变换的变频系统群延迟测量系统，其特征在于，还包括第一衰减器和第二衰减器；功分器的第二输出端连接第一衰减器的输入端，第一衰减器的输出端连接变频系统输入端，变频系统输出端连接第二衰减器，第二衰减器的输出端连接第二数模变换器的输入端。

9.如权利要求6所述的一种基于希尔伯特变换的变频系统群延迟测量系统，其特征在于，所述群延迟方法为：

其中，f₁和f₂为双音信号的频率，为相位差。

10.如权利要求6所述的一种基于希尔伯特变换的变频系统群延迟测量系统，其特征在于，保持双音信号频差不变，同步改变双音信号的频率值，计算变频系统带宽内各频点的群延迟值。