CN110554259B - 适用于调制域的一体化矢量网络分析仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于调制域的一体化矢量网络分析仪及测量方法，矢量网络分析仪包括频率参考单元、本振信号发生单元、激励信号发生单元和信号分离与开关单元，频率参考单元分别与本振信号发生单元和激励信号发生单元相连，激励信号发生单元和信号分离与开关单元相连。本发明公开的调制域网络参数的顺序测量与拼接技术，对于矢量调制分析带宽在接收机带宽以内的信号，可以一次性的获取整个带宽内的网络参数；对于分析带宽大于接收机带宽的调制信号，本发明采用频段拼接的技术，实现调制域网络参数顺序测量，最终实现调制域分析带宽达GHz的网络参数分析能力。

Description

适用于调制域的一体化矢量网络分析仪及测量方法

技术领域

本发明涉及矢量网络分析仪领域，具体涉及适用于调制域的一体化矢量网络分析仪及测量方法。

背景技术

传统的矢量网络分析仪主要以正弦波信号作为被测网络的激励信号，采用窄带锁相跟踪滤波方式接收被测网络的响应信号，通过逐点扫频测量方式，获得被测网络的静态S参数。

矢量网络分析仪应用对象统称为“被测网络”，被测网络小到二极管、三极管、MMIC等半导体芯片，以及电阻、电容和电感等器件，大到放大器、混频器、倍频器、滤波器、衰减器等部件，以及电缆组件、开关组件、T/R组件、MIMO阵列等多功能组件和模块，通过S参数测量，获得被测半导体器件、电真空器件、多功能组件、多功能模块的性能特性，是相控阵雷达、宽带移动通信、卫星通信和卫星导航、电子侦察与电子对抗、空间探测等电子设备科研和生产测试必备的关键核心测试仪器。

随着无线技术的快速发展，人们对信息传输速率的要求不断提升，实际通信信号的复杂度和调制带宽也因此越来越高。在3G时期，WCDMA的载波间隔为200kHz、带宽达到5MHz、峰均比3.5dB，指标已经远高于GSM信号。当前，4G无线通信的TD-LTE载波间隔进一步减少到15kHz，同时带宽拓展到最高20MHz，峰均比提高到7.5dB。对于未来5G通信而言，百MHz或GHz的调制带宽将成为主流，峰均比甚至达到10dB以上。正是因为通信系统的实际工作状态越来越复杂，脉冲调制连续波状态的测量手段逐渐无法满足研究需要，宽带复杂调制激励信号对功放、混频器等核心射频微波器件的测试和表征提出了新的要求。面对新的测试需求，传统矢量网络分析仪主要存在以下问题：一是激励信号样式单一，无法准确表征工作于复杂调制状态的被测网络性能特性；二是测量带宽有限，无法准确表征大实时带宽被测网络的动态性能特性。

总体来看，国内外调制信号激励的网络参数分析技术更多偏重于单频脉冲调制的网络参数的测试及分析，进一步通过基于矢量网络分析仪的频谱分析功能对输入输出谱进行测试，对于宽带复杂调制信号作用下，微波器部件的网络参数表征及提取的方案尚未见到。

如果使用矢量信号发生器和矢量网络分析仪的方式构建测试系统，系统的成本和复杂度均非常高，同时需要二次开发测试程序；通过系统的方式完成测试，消耗时间测试效率低。

构建测试系统的方案无法完成调制信号带宽大于接收机带宽的网络参数测试。

发明内容

针对现有的矢量网络分析仪存在的问题，本发明的第一目的是提供了一种适用于调制域的一体化矢量网络分析仪。

本发明采用以下的技术方案：

适用于调制域的一体化矢量网络分析仪，包括频率参考单元、本振信号发生单元、激励信号发生单元和信号分离与开关单元，频率参考单元分别与本振信号发生单元和激励信号发生单元相连，激励信号发生单元和信号分离与开关单元相连；

激励信号发生单元包括可编程任意波形发生单元和两个激励信号合成通路，每个激励信号合成通路均包括合成源，合成源连接有倍频源，倍频源连接有调制器，调制器连接有上变频器；所述可编程任意波形发生单元与调制器相连；

所述信号分离与开关单元包括两个同轴开关和同轴合路器，两个同轴开关均与同轴合路器相连；

每个上变频器与一个同轴开关相连；

所述本振信号发生单元通过功分器连接有混频单元，混频单元连接有宽度采集与中频处理单元，宽度采集与中频处理单元连接有数据处理及显示控制单元。

优选地，频率参考单元与合成源和可编程任意波形发生单元均相连，频率参考单元为本振信号发生单元、合成源和可编程任意波形发生单元提供统一的时基信号。

优选地，所述本振信号发生单元包括本振合成源模块，本振合成源模块连接有本振源模块；

所述频率参考单元与本振合成源模块相连。

优选地，可编程任意波形发生单元能产生精准正交度的复杂样式的I/Q基带信号，I/Q基带信号能进入调制器内。

优选地，所述调制器包括调制芯片，调制芯片连接有滤波器，滤波器连接有微波开关；

所述I/Q基带信号进入调制芯片中。

优选地，上变频器通过稳幅电路与同轴开关相连。

优选地，还包括两个端口；

每个同轴开关连接有一个定向耦合器，定向耦合器与端口相连；当需要输出单音激励信号时，激励信号合成通路输出的激励信号经过同轴开关后输入到定向耦合器，两路激励信号经各个端口分别输出；

当双音信号激励时，同轴合路器将两个同轴开关合路，激励信号合成通路输出的激励信号合成一路从一个端口输出。

本发明的第二目的是提供了适用于调制域的一体化矢量网络分析仪的调制域网路参数的测量方法。

适用于调制域的一体化矢量网络分析仪的调制域网路参数的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：宽度采集与中频处理单元输出的参考通道和测量通道的中频数据进行ADC采样；

步骤2：判断矢量调制分析带宽是否在接收机带宽范围内，若矢量调制分析带宽在接收机宽度范围内，则直接采样完成测量数据的获取；若矢量调制分析带宽超过接收机宽度时，则进行步骤3；

步骤3：通过激励信号发生单元周期性输出相同的宽带调制信号，并控制本振信号发生单元的输出频率和ADC的采样触发时刻，对调制信号进行重复采样；

步骤4：接着对ADC采样数据进行数字下变频获得基带的IQ数据，然后使用FFT变换技术对基带的IQ数据进行傅里叶变换得到离散频点的频域IQ数据，对于矢量调制分析带宽超过接收机带宽的多次IQ数据，分别进行FFT变换并按照本振的输出频率计算得到宽带离散频点的频域IQ数据；

步骤5：将参考通道和测量通道的频域IQ数据进行比值运算得到网络参数并送入后续处理单元。

优选地，步骤4具体为：

ADC采样数据首先使用数字正交IQ解调变换，将宽带的调制信号解调到基带上，然后将数据进行重排并进行归一化处理，为防止频谱泄露，对数据进行加窗操作，随后使用FFT变换得到各个频点的IQ数据，为了保证测试结果的正确性，使用中频增益校准数据对IQ结果进行补偿，最终得到用于调制域网络参数计算使用的频域IQ数据。

本发明具有的有益效果是：

1)本发明提出了一种用于数据域分析的一体化矢量网络分析仪，单台仪器可以同时完成单频正弦波信号、脉冲调制信号和大带宽复杂调制信号激励下网络参数多功能综合测试；减少测试的复杂度，降低了使用者成本，同时降低被测件连接次数，避免了重复连接误差。

2)本发明在进行调制域网络参数特性测试时，可利用矢量网络分析仪的先进校准算法对仪器的误差和测试夹具进行补偿，减少测试误差，提高测试精度。

3)本发明可完成调制信号带宽大于接收机带宽的网络参数测试，通过本发明采用频段拼接的技术，实现调制域网络参数顺序测量，最终实现调制域分析带宽达GHz的网络参数分析能力。

附图说明

图1为适用于调制域的一体化矢量网络分析仪的结构框图。

图2为实施例2进行大功率测试时的矢量网络分析仪的结构框图。

图3为调制域网路参数的测量方法的流程图。

图4为大带宽调制域网络参数测量拼接流程图。

图5为中频数据的数字信号处理框图。

图6为适用于调制域的一体化矢量网络分析仪数据处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

实施例1

结合图1，适用于调制域的一体化矢量网络分析仪，包括频率参考单元、本振信号发生单元、激励信号发生单元和信号分离与开关单元，频率参考单元分别与本振信号发生单元和激励信号发生单元相连，激励信号发生单元和信号分离与开关单元相连。

还包括电源模块和接口控制单元，电源模块为其它单元供电。

激励信号发生单元包括可编程任意波形发生单元和两个激励信号合成通路，每个激励信号合成通路均包括合成源，合成源连接有倍频源，倍频源连接有调制器，调制器连接有上变频器。

可编程任意波形发生单元与调制器相连。

信号分离与开关单元包括两个同轴开关和同轴合路器，两个同轴开关均与同轴合路器相连。

每个上变频器与一个同轴开关相连。

本振信号发生单元通过功分器连接有混频单元，混频单元连接有宽度采集与中频处理单元，宽度采集与中频处理单元连接有数据处理及显示控制单元。

频率参考单元与合成源和可编程任意波形发生单元均相连。频率参考单元使用内部的晶体振荡器或外部输入的10MHz频率参考信号为基准，频率参考单元为本振信号发生单元、合成源和可编程任意波形发生单元提供50MHz时基信号，使整机的工作同步。

本振信号发生单元包括本振合成源模块，本振合成源模块连接有本振源模块。

频率参考单元与本振合成源模块相连。

本振合成源模块首先产生2～4GHz的射频信号，再通过多次倍频、分频、分波段带通滤波和自动电平控制电路，本振合成源模块最后产生10MHz～20GHz稳幅的本振信号。

本振信号功分为两路进入混频单元。

激励信号发生单元也以频率参考模块提供的50MHz参考时基为基准，由于要进行双频激励，激励信号发生单元必须具有两个独立的激励信号源，单独进行锁相。要达到67GHz的频率，首先产生2～4GHz的射频信号，进行多级的倍频、滤波和放大，以达到功率、谐波抑制等指标要求。可编程任意波形发生单元具有精准正交度的复杂样式的I/Q基带信号，是整机50MHz实时带宽调制信号的主要提供单元，I/Q基带信号能进入调制器内。

研制频率范围达到67GHz I/Q调制器，以现有技术很难突破，所以本发明中的调制器在满足调制带宽指标的基础上，频率范围覆盖20GHz，对于频段高于20GHz矢量调制信号，采用把矢量调制的信号上混频产生。这里要研制的3.2GHz～20GHz频段微波矢量调制器是采用基波调制方式。

所述调制器包括调制芯片，调制芯片连接有滤波器，滤波器连接有微波开关。

I/Q基带信号进入调制芯片中。

对于低于20GHz的调制信号由调制芯片直接调制产生，通过滤波器后，经微波开关切换输出到67GHz上变频器，上变频器直接旁路输出到稳幅电路；当工作频率大于20GHz时，倍频源输出的3.2GHz～20GHz信号进入调制芯片产生矢量信号，通过滤波器后，经微波开关切换输出到67GHz上变频器，矢量信号和20GHz～67GHz本振信号混频产生20GHz～67GHz矢量调制信号。

上变频器通过稳幅电路与同轴开关相连。

该矢量网络分析仪还包括两个端口。

每个同轴开关连接有一个定向耦合器，定向耦合器与端口相连；当需要输出单音激励信号时，激励信号合成通路输出的激励信号经过同轴开关后输入到定向耦合器，两路激励信号经各个端口分别输出。

当双音信号激励时，同轴合路器将两个同轴开关合路，激励信号合成通路输出的激励信号合成一路从一个端口输出。其它端口可用于接收散射信号以及参考信号。

在混频单元中，含有被测件幅度和相位信息的入射、反射和传输信号与本振信号进行混频，分段采用基波混频和谐波混频方式产生频率较低的宽带中频信号，以便送入宽度采集与中频处理单元作进一步的处理。

在宽度采集与中频处理单元中，将模拟中频信号按后级所需的中频信号功率进行调节，并转换为数字信号，再经过高速数字信号处理模块，得到被测件幅度和相位信息，并将测量结果通过高速PCIe总线传给主CPU。

运行于嵌入式计算机平台上的系统测控软件将被测件幅相信息做各种格式变换处理后，将结果送入显示模块。此外，系统软件模块还要负责各种接口的管理和整机各种进程的调度。

实施例2

在进行大功率测试时，矢量网络分析仪的结构如图2。

将一个端口串接功率放大器，使激励被测件的信号功率能够达到大功率测试要求。大功率定向耦合器将信号送入被测件，通过耦合分离入射信号与反射的信号，得到的反射互调信号由跳线进入主机接收机进行测试。通过耦合器的耦合度和主机内部衰减器降低测试信号功率，达到接收机线性范围以内。传输测试定向耦合器主要用于传输互调信号的测试，信号通过接收机接收，直通信号由直通通路连接负载，由负载吸收。

实施例3

适用于调制域的一体化矢量网络分析仪数据处理流程如图6所示，其中调制域网络参数顺序测量与拼接技术是本发明的关键技术点之一，对于矢量调制分析带宽在接收机带宽以内的信号，可以一次性的获取整个带宽内的网络参数；对于分析带宽大于接收机带宽的调制信号，本发明采用频段拼接的技术，实现调制域网络参数顺序测量，最终实现调制域分析带宽达GHz的网络参数分析能力。

利用以上实施例的适用于调制域的一体化矢量网络分析仪进行调制域网路参数的测量方法，如图3-5所示，包括以下步骤：

步骤1：宽度采集与中频处理单元输出的参考通道和测量通道的中频数据进行ADC采样；

步骤2：判断矢量调制分析带宽是否在接收机带宽范围内，若矢量调制分析带宽在接收机宽度范围内，则直接采样完成测量数据的获取；若矢量调制分析带宽超过接收机宽度时，则进行步骤3；

步骤3：通过激励信号发生单元周期性输出相同的宽带调制信号，并控制本振信号发生单元的输出频率和ADC的采样触发时刻，对调制信号进行重复采样；

步骤4：接着对ADC采样数据进行数字下变频获得基带的IQ数据，然后使用FFT变换技术对基带的IQ数据进行傅里叶变换得到离散频点的频域IQ数据，对于矢量调制分析带宽超过接收机带宽的多次IQ数据，分别进行FFT变换并按照本振的输出频率计算得到宽带离散频点的频域IQ数据；

步骤5：将参考通道和测量通道的频域IQ数据进行比值运算得到网络参数并送入后续处理单元。

如图4所示，可以看到整体的算法实现过程是在频域和时域二维进行的，时间轴上向前进行代表ADC分时多次采集同一个调制信号，频率轴上的变化代表了对分时采集的重复的调制信号的不同频段按照图的流程进行数字信号处理。为了提高测试精度，本发明采用重叠频段的方法，对同一频段多次分析平均后得到频域的IQ数据。

如图5所示，步骤4具体为：

ADC采样数据首先使用数字正交IQ解调变换，将宽带的调制信号解调到基带上，然后将数据进行重排并进行归一化处理，为防止频谱泄露，对数据进行加窗操作，随后使用FFT变换得到各个频点的IQ数据，为了保证测试结果的正确性，使用中频增益校准数据对IQ结果进行补偿，最终得到用于调制域网络参数计算使用的频域IQ数据。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.适用于调制域的一体化矢量网络分析仪，其特征在于，包括频率参考单元、本振信号发生单元、激励信号发生单元和信号分离与开关单元，频率参考单元分别与本振信号发生单元和激励信号发生单元相连，激励信号发生单元和信号分离与开关单元相连；

激励信号发生单元包括可编程任意波形发生单元和两个激励信号合成通路，每个激励信号合成通路均包括合成源，合成源连接有倍频源，倍频源连接有调制器，调制器连接有上变频器；所述可编程任意波形发生单元与调制器相连；

所述信号分离与开关单元包括两个同轴开关和同轴合路器，两个同轴开关均与同轴合路器相连；

每个上变频器与一个同轴开关相连，还包括两个端口；

每个同轴开关连接有一个定向耦合器，定向耦合器与端口相连；当需要输出单音激励信号时，激励信号合成通路输出的激励信号经过同轴开关后输入到定向耦合器，两路激励信号经各个端口分别输出；

当双音信号激励时，同轴合路器将两个同轴开关合路，激励信号合成通路输出的激励信号合成一路从一个端口输出；所述本振信号发生单元通过功分器连接有混频单元，混频单元连接有宽度采集与中频处理单元，宽度采集与中频处理单元连接有数据处理及显示控制单元。

2.根据权利要求1所述的适用于调制域的一体化矢量网络分析仪，其特征在于，频率参考单元与合成源和可编程任意波形发生单元均相连，频率参考单元为本振信号发生单元、合成源和可编程任意波形发生单元提供统一的时基信号。

3.根据权利要求1所述的适用于调制域的一体化矢量网络分析仪，其特征在于，所述本振信号发生单元包括本振合成源模块，本振合成源模块连接有本振源模块；

所述频率参考单元与本振合成源模块相连。

4.根据权利要求1所述的适用于调制域的一体化矢量网络分析仪，其特征在于，可编程任意波形发生单元能产生精准正交度的复杂样式的I/Q基带信号，I/Q基带信号能进入调制器内。

5.根据权利要求4所述的适用于调制域的一体化矢量网络分析仪，其特征在于，所述调制器包括调制芯片，调制芯片连接有滤波器，滤波器连接有微波开关；

所述I/Q基带信号进入调制芯片中。

6.根据权利要求1所述的适用于调制域的一体化矢量网络分析仪，其特征在于，上变频器通过稳幅电路与同轴开关相连。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的适用于调制域的一体化矢量网络分析仪的调制域网路参数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：宽度采集与中频处理单元输出的参考通道和测量通道的中频数据进行ADC采样；

步骤2：判断矢量调制分析带宽是否在接收机带宽范围内，若矢量调制分析带宽在接收机宽度范围内，则直接采样完成测量数据的获取；若矢量调制分析带宽超过接收机宽度时，则进行步骤3；

步骤3：通过激励信号发生单元周期性输出相同的宽带调制信号，并控制本振信号发生单元的输出频率和ADC的采样触发时刻，对调制信号进行重复采样；

步骤4：接着对ADC采样数据进行数字下变频获得基带的IQ数据，然后使用FFT变换技术对基带的IQ数据进行傅里叶变换得到离散频点的频域IQ数据，对于矢量调制分析带宽超过接收机带宽的多次IQ数据，分别进行FFT变换并按照本振的输出频率计算得到宽带离散频点的频域IQ数据；

步骤5：将参考通道和测量通道的频域IQ数据进行比值运算得到网络参数并送入后续处理单元。

8.根据权利要求7所述的适用于调制域的一体化矢量网络分析仪的调制域网路参数的测量方法，其特征在于，步骤4具体为：

ADC采样数据首先使用数字正交IQ解调变换，将宽带的调制信号解调到基带上，然后将数据进行重排并进行归一化处理，为防止频谱泄露，对数据进行加窗操作，随后使用FFT变换得到各个频点的IQ数据，为了保证测试结果的正确性，使用中频增益校准数据对IQ结果进行补偿，最终得到用于调制域网络参数计算使用的频域IQ数据。

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