CN109962732B - 一种高速数传基带测试设备校准装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种高速数传基带测试设备校准装置(100),其特征在于,包括误码率参数的验证单元(110)、解调损耗参数校准单元(120)以及多普勒频率校准单元(130),其中,所述误码率参数的验证单元(110)用于获取误码率测试结果以及对误码率进行验证;所述解调损耗参数校准单元(120)通过对信号功率的测量和噪声功率的测量,分别对信号能量的标定和噪声能量的标定得到信噪比的测量结果;所述多普勒频率校准单元(130)用于对多普勒频率的快速捕获,通过计算机软件控制采样时序,实时动态跟踪最大频率值,并计算得到最大频率偏移。
Description
技术领域
本发明属于无线电电子学领域,涉及一种高速数传基带测试设备校准装置及方法。
背景技术
随着卫星任务需求的发展变化,星载测控分系统也从成熟的统一载波S波段测控体制,逐步地引入扩频技术。采用扩频体制的测控系统,相应的星载测控分系统的地面测试系统也在原有的统一载波S波段测控体制通道部分的基础上,增加了基带处理部分,即利用伪随机PN码序列对传送的信息(遥控、遥测)数据进行调制传输,依靠高速率扩频码来保证测距精度,利用信息帧或长PN码解距离模糊,从而实现测距、遥控、遥测的功能。因此,扩频体制中的关键技术体现在数字综合基带部分。
本发明主要的研究对象是高速数传基带测试设备,它是测控地面测试系统的关键设备,主要功能为信号的处理和遥控遥测信息的通信传输,完成遥控指令的调制,输出中频上行信号,接收下行中频信号,实现载波、码型的捕获跟踪和遥测数据的解调功能,以及多普勒测速和遥测误码率测试等功能。
误码率是衡量整个卫星传输链路重要的指标,传统的测量误码率方法复杂、成本高,在系统误码率不满足指标时,最重要的是判断影响系统误码率恶化出现哪个环节。在地面数字综合基带设备中影响系统误码性能的主要参数为解调器的解调损耗。由于误码率特性是描述整个卫星数据传输系统性能的主要指标,而数传下行链路是在给定数传系统误码率的情况下,综合考虑基带测试设备的性能及大气损耗,天线极化损耗等,影响系统误码率的诸因素来计算卫星遥感数传通道的发射功率。因此,在规定的高码速率数据传输要求条件下,必须保证基带测试设备的解调损耗指标,确保输入到系统的信号不被测试设备恶化,从系统角度保证信号传输质量。
多普勒效应也是地面测控系统必须考虑的问题。由于低轨卫星对于地面静止目标本身就存在极高的相对运动速度,当卫星链路另一端连接的目标载体为高速机载/弹载平台或是其它空间飞行器时,通信双方的相对运动速度更高。对于高动态通信链路,较高的相对运动速度反映到信号层面则表现为强多普勒效应,即接收信号存在较大的载波频率偏移。另一方面,由于通信卫星绕地心作圆周运动,故其与通信目标载体的径向速度是时变的,随之产生的载波多普勒频偏也具有时变特性,即载波频偏具有一定的高阶变化率。当目标载体为飞机、导弹等高速、高机动平台时,上述多普勒效应更为显著。因此,在进入信号跟踪之前,需要通过捕获估算出接收信号的载波多普勒频率参数。
目前,还没有对高速基带测试设备的多普勒频率和解调损耗这两个重要参数进行校准的规程和规范。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高速数传基带测试设备校准装置100,其特征在于,包括误码率参数的验证单元110、解调损耗参数校准单元120以及多普勒频率校准单元130,其中,所述误码率参数的验证单元110用于获取误码率测试结果以及对误码率进行验证;所述解调损耗参数校准单元120通过对信号功率的测量和噪声功率的测量,分别对信号能量的标定和噪声能量的标定得到信噪比的测量结果;所述多普勒频率校准单元130用于对多普勒频率的快速捕获,通过计算机软件控制采样时序,实时动态跟踪最大频率值,并计算得到最大频率偏移。
优选地,所述误码率参数的验证单元110采用示波器和矢量信号分析软件以及宽带噪声源,对被测设备的中频调制单元、中频接收单元进行误码率测试与验证。
优选地,所述解调损耗参数校准单元120包括频谱分析仪、计算机以及噪声源,对被测设备的中频调制单元、中频接收单元进行解调损耗校准。
优选地,所述多普勒频率校准单元130包括频谱分析仪和计算机,对被测设备的中频调制单元进行多普勒频率校准。
本发明实施例还提供了一种高速数传基带测试设备校准方法,其特征在于,至少包括对被测设备的解调损耗参数校准以及多普勒频率校准。
优选地,所述对被测设备的解调损耗参数校准的步骤包括:
步骤1:误码率参数的验证单元进行误码测试;
步骤2:误码率参数的验证单元进行误码率验证;
步骤3:解调损耗参数校准单元进行解调损耗校准。
优选地,所述步骤1具体包括:
中频调制单元产生宽带调制信号,设置信号的调制方式、信号输出电平、码速率、PN码类型;
将中频调制单元射频信号输出端连接到宽带噪声源信号输入端,宽带噪声源信号输出端连接到高速数传基带测试设备的通道1的信号输入端;
调节宽带噪声源的内部衰减器,直到高速数传基带测试设备的误码测试结果满足要求。
优选地,所述步骤2具体包括:
通过误差矢量幅度EVM参数的测量,衡量信号幅度误差和相位误差的指标;
所述EVM为平均误差矢量功率与平均参考功率之比的平方根,按最远符号的幅度和平均符号功率的平方根值来确定。
优选地,所述步骤3包括:
保持中频调制单元的状态不变,先对输出的信号功率进行定标;用微波电缆将调制信号输出端连至校准装置频谱分析仪射频信号输入端,利用通道功率测量功能,设置载波频率、通道带宽、分辨率带宽、积分时间和参考电平等系统参数;
将被校准的中频调制信号开关关闭,基于直接测量法用校准装置中的频谱分析仪测量此时的噪声功率;
关闭宽带噪声源的信号输出,打开被校准中频调制信号输出开关,用校准装置中的频谱分析仪测量此时的信号功率;
计算输入到中频接收单元的载噪比,获取解调损耗。
优选地,所述多普勒频率校准为采用多普勒频率校准单元进行多普勒频率校准获得最大多普勒频率偏移,具体包括步骤:
设置被校高速数传基带测试设备单载波输出,设置多普勒模拟频率;
将被校高速数传基带测试设备的中频输出信号直接输入到频谱分析仪射频输入端,在计算机多普勒频率校准软件操作界面点击“校准”,计算机控制频谱分析仪锁定载波频率,设置频谱宽度和分辨率带宽,并自动跟踪幅度最大值点;
通过软件控制读取频率点的时序,并计算最大和最小频率偏移值,从而得到多普勒频率的测量结果。
本发明的优点在于:为高速数传基带测试设备两个最重要的电性能参数(解调损耗和多普勒频率)的校准提供方法,校准装置由通用测试设备组成,具有溯源性,可以满足码速率最高为1500MHz的高速数传基带测试设备的校准需求。
附图说明
图1为本发明实施例的高速数传基带测试设备校准装置模块图;
图2为本发明实施例的误码率参数的验证单元工作原理图;
图3为本发明实施例的解调损耗参数校准单元工作原理图;
图4为本发明实施例的多普勒频率校准单元工作原理图;
图5为本发明实施例的解调损耗参数校准流程图;
图6为本发明实施例的解调损耗校准软件界面示意图;
图7为本发明实施例的高速基带设备误码率测量结果;
图8(1)为本发明实施例的含噪声基带调制信号星座图;
图8(2)为本发明实施例的矢量信号分析仪信号质量监测结果;
图9(1)为本发明实施例的噪声功率测量结果;
图9(2)为本发明实施例的信号功率测量结果。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明目的在于通过研究高速数传基带测试误码测试原理和多普勒效应,提供一种高速数传基带测试设备校准装置,以实现对解调损耗参数、多普勒频率参数的校准。
为解决解调损耗参数校准问题,本发明采用误码率参数的间接验证和解调损耗的直接测量。
本发明实施例提供的一种高速数传基带测试设备校准装置100,其特征在于,包括误码率参数的验证单元110、解调损耗参数校准单元120以及多普勒频率校准单元130,其中,所述误码率参数的验证单元110用于获取误码率测试结果以及对误码率进行验证;所述解调损耗参数校准单元120通过对信号功率的测量和噪声功率的测量,分别对信号能量的标定和噪声能量的标定得到信噪比的测量结果;所述多普勒频率校准单元130用于对多普勒频率的快速捕获,通过计算机软件控制采样时序,实时动态跟踪最大频率值,并计算得到最大频率偏移。
在本发明的一个实施例中,所述误码率参数的验证单元110采用示波器和矢量信号分析软件以及宽带噪声源,对被测设备的中频调制单元、中频接收单元进行误码率测试与验证。
所述误码率参数的间接验证基于误码率和信噪比关系和EVM和信噪比的关系,所述误码率验证单元包含宽带示波器和矢量信号分析软件。先将高斯白噪声加入被校准高速数传设备,通过调节噪声衰减量,得到该装置误码率测试结果。在此状态下,用示波器加矢量信号分析软件对误码率进行验证。
在本发明的一个实施例中,所述解调损耗参数校准单元120包括频谱分析仪、计算机以及噪声源,对被测设备的中频调制单元、中频接收单元进行解调损耗校准。
所述解调损耗的直接测量包含信号功率的测量和噪声功率的测量两部分。信号功率和噪声功率的测量均通过信道功率测量法完成,所述信道功率测量法是基于功率密度积分算法获取信道宽带内的平均功率,包含信号转换、包络检波和信号处理三部分。首先将射频输入信号转换为中频信号,然后通过包络检波器使信号产生视频电压(包络检波器主要用于检测信号功率的峰值)。通过对数放大,将信号的幅度参数变为对数单位;通过视频滤波处理,对包络电压信号进行低通平滑处理,减小包络电压信号的变化抖动范围;最后通过检波处理的方式,对包络电压进行参数提取,提取参数结果对应显示的信号幅度。通过信道功率测量方法分别对信号能量的标定和噪声能量的标定得到信噪比的测量结果。所述解调损耗直接测量单元由频谱分析仪和计算机信息处理单元。
在本发明的一个实施例中,所述多普勒频率校准单元130包括频谱分析仪和计算机,对被测设备的中频调制单元进行多普勒频率校准。
为解决多普勒频率参数校准问题,本发明采用的FFT算法实现对多普勒频率的快速捕获,通过计算机软件控制采样时序,实时动态跟踪最大频率值,并计算得到最大频率偏移。提供的用于多普勒频率参数校准的装置由频谱分析仪+计算机信息处理单元组成。
本发明的另一个实施例还提供了一种高速数传基带测试设备校准方法,其特征在于,至少包括对被测设备的解调损耗参数校准以及多普勒频率校准。
其中,所述对被测设备的解调损耗参数校准的步骤包括:
步骤1:误码率参数的验证单元进行误码测试。具体的,所述步骤1具体包括:中频调制单元产生宽带调制信号,设置信号的调制方式、信号输出电平、码速率、PN码类型;将中频调制单元射频信号输出端连接到宽带噪声源信号输入端,宽带噪声源信号输出端连接到高速数传基带测试设备的通道1的信号输入端;调节宽带噪声源的内部衰减器,直到高速数传基带测试设备的误码测试结果满足要求。
步骤2:误码率参数的验证单元进行误码率验证;具体的,所述步骤2具体包括:通过误差矢量幅度EVM参数的测量,衡量信号幅度误差和相位误差的指标;所述EVM为平均误差矢量功率与平均参考功率之比的平方根,按最远符号的幅度和平均符号功率的平方根值来确定。
步骤3:解调损耗参数校准单元进行解调损耗校准。其中,所述步骤3包括:
保持中频调制单元的状态不变,先对输出的信号功率进行定标;用微波电缆将调制信号输出端连至校准装置频谱分析仪射频信号输入端,利用通道功率测量功能,设置载波频率、通道带宽、分辨率带宽、积分时间和参考电平等系统参数;将被校准的中频调制信号开关关闭,基于直接测量法用校准装置中的频谱分析仪测量此时的噪声功率;关闭宽带噪声源的信号输出,打开被校准中频调制信号输出开关,用校准装置中的频谱分析仪测量此时的信号功率;计算输入到中频接收单元的载噪比,获取解调损耗。
本发明提供的高速数传基带测试设备校准方法,所述多普勒频率校准为采用多普勒频率校准单元进行多普勒频率校准获得最大多普勒频率偏移,具体包括步骤:
设置被校高速数传基带测试设备单载波输出,设置多普勒模拟频率;
将被校高速数传基带测试设备的中频输出信号直接输入到频谱分析仪射频输入端,在计算机多普勒频率校准软件操作界面点击“校准”,计算机控制频谱分析仪锁定载波频率,设置频谱宽度和分辨率带宽,并自动跟踪幅度最大值点;
通过软件控制读取频率点的时序,并计算最大和最小频率偏移值,从而得到多普勒频率的测量结果。
下面以具体实施例对本发明的方法进行说明。
第一步:误码测试。具体如图2所示。
中频调制单元产生宽带调制信号,设置信号的调制方式、信号输出电平、码速率、PN码类型等。将中频调制单元射频信号输出端连接到宽带噪声源信号输入端,宽带噪声源信号输出端连接到高速数传基带测试设备的通道1的信号输入端。调节宽带噪声源的内部衰减器,直到高速数传基带测试设备的误码测试结果满足要求。
以QPSK为例,在AWGN信道下QPSK信号相干解调的误码率理论值为:
其中r为信噪比,我们通常指的信噪比SNR是基带信号中有用信号功率与噪声功率的比值,载噪比指的是在解调(进入解调器的)前的射频信号频谱中有用信号功率与噪声功率的比值。在大信噪比条件下,上式可近似为:
设Eb/N0为单位码元的信噪比。在数传系统的误码率为1×10-6的条件下,对于QPSK等调制信号Eb/N0的理论值为10.55dB。这意味着输入到高速基带测试设备接收单元的Eb/N0的实际值必须达到10.55dB,才能满足解调信号的误码率达到1×10-6。
第二步:误码率验证。具体如图2所示。
在此状态下,将宽带噪声源信号输出端连接到示波器信号输入端,进行误码率的验证。
对已调制信号质量的衡量,采用误码率的校准方法是不容易定位的,因此需要另外一种可以全面衡量信号幅度误差和相位误差的指标。本发明通过误差矢量幅度EVM参数的测量,既能很好地解决这个问题,又能解决解调损耗的定标问题,可以实现对数字调制信号的性能进行十分全面的考察。EVM定义为平均误差矢量功率与平均参考功率之比的平方根,通常是按最远符号的幅度和平均符号功率的平方根值来确定的,用百分比表示或者用dB表示。
EVM可由下式计算得到:
M(n)为接收到的无频率误差和初始相位影响的测量矢量,R(n)为参考(理想)矢量,E(n)为测量矢量与参考矢量的误差矢量。EVM计算方法也可以表示为I路、Q路误差合成的形式:
其中I和Q为被测信号的两路正交分量,Iref和Qref为由码元序列求得的理想I/Q分量。
所以,误差矢量的估计值为:
在假定EVM测试软件算法误差可忽略的前提下,即最佳采样时刻估计、频率估计、初始相位估计值和幅度增益因子估计与其真值相等,上式可化简为:
由以上公式可知,EVM测量结果和信噪比存在一定关系,而误码率也和信噪比存在一定关系,因此对于数字系统而言,EVM和误码率是相关的,误码率取决于波形、编码及滤波,因此误码率就和特定SNR相关,通过EVM和SNR转换,就能得到误码率的值。
SNR=-20log(EVM)
(10)
对于特定的调制方式、编码、滤波,SNR对应了特定的误码率,所以测出EVM就能算出SNR。
根据以上理论计算,误码率为1×10-6的条件下,对于QPSK调制信号Eb/N0的理论值为10.55dB,对应的EVM的理论值为29.7%,同理可以计算出其他调制信号的EVM理论值。
在矢量信号分析软件上设置信号载波频率、带宽、码速率、滤波器类型等参数,根据上述原理计算得到Eb/N0和EVM的测量结果,从而可以验证误码率参数的测量结果。
第三步:解调损耗校准。如图3和图5所示。
保持中频调制单元的状态不变,先对输出的信号功率进行定标。用微波电缆将调制信号输出端连至校准装置频谱分析仪射频信号输入端,利用通道功率测量功能,设置载波频率、通道带宽、分辨率带宽、积分时间和参考电平等系统参数。
将被校准的中频调制信号开关关闭,基于直接测量法用校准装置中的频谱分析仪测量此时的噪声功率,记为Pn;关闭宽带噪声源的信号输出,打开被校准中频调制信号输出开关,用校准装置中的频谱分析仪测量此时的信号功率,记为Ps;则输入到中频接收单元的载噪比
[Eb/N0]=Ps-Pn (11)
解调损耗
PL=[Eb/N0]-10.55(dB) (12)
第四步:多普勒频率校准获得最大多普勒频率偏移。具体如图4所示。
设置被校高速数传基带测试设备单载波输出,信号电平为-10dBm,设置多普勒模拟频率。将被校高速数传基带测试设备的中频输出信号直接输入到频谱分析仪射频输入端,在计算机多普勒频率校准软件操作界面点击“校准”,计算机控制频谱分析仪锁定载波频率,设置频谱宽度和分辨率带宽,并自动跟踪幅度最大值点。通过软件控制读取频率点的时序,并计算最大和最小频率偏移值,从而得到多普勒频率的测量结果。
下面以具体实施例进行本发明所述方法的说明。
具体系统硬件组成清单如表1所示。
表1高速基带测试设备校准装置硬件组成清单
以被校准高速数传设备的重要参数解调损耗的校准为例,如图6所示,为解调损耗软件界面示意图。选用keysight公司的DSOX6002A示波器(带宽4GHz)结合89601B矢量信号分析软件构成了矢量信号分析仪,利用R/S公司的FSW26用来对宽带信号功率进行定标。被校准设备:704所生产的YG1-171A基带测试设备(编号:651412000705)。
被校准设备参数设置:信号形式QPSK,载波频率720MHz,信号电平:-10dBm,码速率10MHz,数据形式:PN15序列,滚降系数:0.35。调整宽带噪声源的的衰减,使高速基带设备的误码率测量结果在1×10-6量级,如图7所示,此时,宽带噪声源衰减参数设置为0.7dB。
矢量信号分析仪设置与中频调制单元相应参数匹配,得到的星座图以及EVM和信噪比测量结果如图8(1)和8(2)所示。
矢量信号分析仪监测结果表明,中频调制信号加入噪声以后的EVM为29.1%,与理论值相差0.6%,信噪比为10.7dB,与理论值相差0.15dB,并在此状态下进行解调损耗的校准。
校准装置频谱分析仪参数设置:通道带宽:10MHz,RBW:10kHz,积分时间:1s,参考电平:-10dBm。
如图9(1)所示,噪声功率测量结果:-27.20dBm;如图9(2)所示,信号功率测量结果:-16.24dBm。
因此,系统信噪比测量结果为10.96dB,解调损耗校准结果为0.41dB,满足被校准设备解调损耗<0.5dB的指标要求。
表2为中频输出为720MHz和1500MHz,调制方式为(QPSK和8PSK)、码速率为5MHz~1500MHz的高速数传基带测试设备解调损耗测量结果。
表2高速数传基带测试设备多普勒频率和解调损耗测量结果
本发明采用基于FFT算法实现对多普勒频率的快速捕获,具体实现过程是:首先本地的载波数控振荡器对准初始频率估计值,使产生的信号对准一个频率搜索单元,启动FFT捕获环路,找出其最大值,并使用计算机软件控制采样时序,实时动态跟踪最大频率值,并计算得到最大频率偏移。为实现对数字调制信号的性能进行全面的考察,本文以载噪比为桥梁,利用误差矢量幅度EVM参数,采用间接的方法不但能对系统误码率进行监测,而且可以通过直接测量法能很好地解决对基带测试设备解调损耗的校准问题。
本发明的优点在于:为高速数传基带测试设备两个最重要的电性能参数(解调损耗和多普勒频率)的校准提供方法,校准装置由通用测试设备组成,具有溯源性,可以满足码速率最高为1500MHz的高速数传基带测试设备的校准需求。
显然,本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (3)
1.一种高速数传基带测试设备校准装置(100),其特征在于,包括误码率参数的验证单元(110)、解调损耗参数校准单元(120)以及多普勒频率校准单元(130),其中,所述误码率参数的验证单元(110)用于获取误码率测试结果以及对误码率进行验证;所述解调损耗参数校准单元(120)通过对信号功率的测量和噪声功率的测量,分别对信号能量的标定和噪声能量的标定得到信噪比的测量结果;所述多普勒频率校准单元(130)用于对多普勒频率的快速捕获,通过计算机软件控制采样时序,实时动态跟踪最大频率值,并计算得到最大频率偏移;所述误码率参数的验证单元(110)采用示波器和矢量信号分析软件以及宽带噪声源,对被测设备的中频调制单元、中频接收单元进行误码率测试与验证;所述解调损耗参数校准单元(120)包括频谱分析仪、计算机以及噪声源,对被测设备的中频调制单元、中频接收单元进行解调损耗校准;所述多普勒频率校准单元(130)包括频谱分析仪和计算机,对被测设备的中频调制单元进行多普勒频率校准。
2.一种高速数传基带测试设备校准方法,其特征在于,至少包括对被测设备的解调损耗参数校准以及多普勒频率校准;所述对被测设备的解调损耗参数校准的步骤包括:
步骤1:误码率参数的验证单元进行误码测试;
步骤2:误码率参数的验证单元进行误码率验证;
步骤3:解调损耗参数校准单元进行解调损耗校准;
所述步骤1具体包括:
中频调制单元产生宽带调制信号,设置信号的调制方式、信号输出电平、码速率、PN码类型;
将中频调制单元射频信号输出端连接到宽带噪声源信号输入端,宽带噪声源信号输出端连接到高速数传基带测试设备的通道1的信号输入端;
调节宽带噪声源的内部衰减器,直到高速数传基带测试设备的误码测试结果满足要求;所述步骤2具体包括:
通过误差矢量幅度EVM参数的测量,衡量信号幅度误差和相位误差的指标;
所述EVM为平均误差矢量功率与平均参考功率之比的平方根,按最远符号的幅度和平均符号功率的平方根值来确定;所述步骤3包括:
保持中频调制单元的状态不变,先对输出的信号功率进行定标;用微波电缆将调制信号输出端连至校准装置频谱分析仪射频信号输入端,利用通道功率测量功能,设置系统参数:载波频率、通道带宽、分辨率带宽、积分时间和参考电平;
将被校准的中频调制信号开关关闭,基于直接测量法用校准装置中的频谱分析仪测量此时的噪声功率;
关闭宽带噪声源的信号输出,打开被校准中频调制信号输出开关,用校准装置中的频谱分析仪测量此时的信号功率;
计算输入到中频接收单元的载噪比,获取解调损耗。
3.如权利要求2所述的一种高速数传基带测试设备校准方法,其特征在于,所述多普勒频率校准为采用多普勒频率校准单元进行多普勒频率校准获得最大多普勒频率偏移,具体包括步骤:
设置被校高速数传基带测试设备单载波输出,设置多普勒模拟频率;
将被校高速数传基带测试设备的中频输出信号直接输入到频谱分析仪射频输入端,在计算机多普勒频率校准软件操作界面点击“校准”,计算机控制频谱分析仪锁定载波频率,设置频谱宽度和分辨率带宽,并自动跟踪幅度最大值点;
通过软件控制读取频率点的时序,并计算最大和最小频率偏移值,从而得到多普勒频率的测量结果。
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