CN111082834A - 一种基于啁啾信号正交解调的射频时延快速测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于啁啾信号正交解调的射频时延快速测量装置，包括啁啾信号发生器、待测器件、模数转换器、处理器以及存储器；本发明装置采用的啁啾信号发生器，发射出频率范围可调、啁啾率可调的啁啾信号，实现不同频率范围时延的快速测量，系统测量范围大；同时本发明测量变频器件时延时，不需要额外的参考信号，系统结构简单，抗干扰能力强；且本发明利用正交解调技术实现对时延的提取，避免了传统时延检测过程出现的相位模糊以及频谱泄露现象，极大的提高了时延检测的精度。

Description

一种基于啁啾信号正交解调的射频时延快速测量装置
技术领域
本发明属于射频延时测量技术领域，具体涉及一种基于啁啾信号正交解调的射频时延快速测量装置。
背景技术
对于任意通信系统，当信号通过一传输网络时，其输出的信号不可避免产生一定的失真，包括信号的幅度失真以及相位失真，相位的失真就直接决定了传输网络的时延特性。20世纪30年代，美国的H.Nyquist和S.Brand等人在《BSTJ》杂志上发表了关于时延测量的论文，文章论述了群时延的物理意义和测量方法。
随着现代通信的快速发展，人们对时延测量精度的要求也越来越严格，在航天领域中，时延特性对全球定位系统的测距进度有着直接的影响；在接下来的5G通信中，系统对时延的准确性也有了更高的要求，自动驾驶技术也是建立在非常高的系统时延精度上。因为时延直接决定系统的色散特性，即不同频率信号的时延不同，所以其会导致通信系统中误码恶化。
在通信系统中，信号的频率变换又是不可缺少的一部分，混频器作为最常用的变频器件，在信号的发射端、接收端都有着广泛的应用，其特性直接影响到整个电路性能，所以确切知道混频器的参数，有利于通信系统的设计与优化。
国内外近年来提出了不少时延测量的方法，目前常用的时延检测方法可分为两大类：一类是以矢量网络分析仪为基础的测量方法，包括标准混频器法、三混频器法、矢量校准混频器法；混频器的群时延测量属于相位测量，采用矢量网络分析仪测量混频器的群时延，为了确保测量精确度，需要对测量系统进行相位误差修正；目前采用的平行混频器法，进行误差修正时需要外加一个校准混频器/滤波器，其技术方案是通过对校准混频器/滤波器进行校准表征，然后将校准混频器/滤波器作为直通标准实现误差修正的；为了保证输入输出信号同频，测量过程中需要在矢量网络分析仪射频端口进行端口扩展，在扩展路径中外加参考混频器/滤波器；由于参考混频器的引入，还需要保证校准混频器和参考混频器的本振信号同步，因此需要外加功率分配器，将本振信号功分为两路，为混频器提供本振信号。
另一类是以非矢量网络分析仪为基础的测量方法，包括频梳信号法、双音信号法、调制法、傅里叶级数法。传统方法中由于需要参考信号导致测试系统过于复杂，以及由于相位模糊、频谱泄露问题导致测量精度不高。因此，如何准确快速测量的链路的时延参数，成为了工程实践中亟待解决的问题。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种基于啁啾信号正交解调的射频时延快速测量装置，其通过改变啁啾脉冲信号的啁啾率与频率范围，可以实现对不同频段射频链路进行检测，进而正交解调，实现射频时延的高精度快速检测。
一种基于啁啾信号正交解调的射频时延快速测量装置，包括啁啾信号发生器、待测器件、模数转换器、处理器以及存储器；其中：
所述处理器根据所需测量的初始频率、测量带宽以及频点数产生一系列频率控制字，依次输出至啁啾信号发生器；
所述啁啾信号发生器根据频率控制字产生一路频率线性的啁啾脉冲信号并输出至模数转换器；
所述模数转换器对啁啾脉冲信号进行AD采样，得到对应的数字信号并保存至存储器中；
所述处理器对存储器中的数字信号进行分析，提取出啁啾脉冲信号从啁啾信号发生器输出至中模数转换器的时延T1；
所述待测器件接入在啁啾信号发生器与模数转换器之间，其测量得到的时延为T2，且T2-T1的结果即为待测器件的时延。
进一步地，所述初始频率、测量带宽、频点数由具体测量场景确定，所述频率控制字为实际测量的频点，由初始频率开始递增且均匀覆盖测量带宽。
进一步地，所述啁啾信号发生器根据频率控制字计算出啁啾脉冲信号的相位信息，再根据相位信息计算啁啾脉冲信号幅度信息，经过D/A转换以及低通滤波后输出频率线性变化的啁啾脉冲信号。
进一步地，所述啁啾信号发生器产生的啁啾脉冲信号，其脉冲宽度根据频点数变化，频点数越大脉冲宽度越大，其啁啾率为测量带宽与脉冲宽度的比值，其频率在待测频率范围内，其相位具有连续性。
进一步地，所述啁啾信号发生器采用直接数字式频率合成器实现。
进一步地，所述模数转换器采用8～24位的模数转换器。
进一步地，所述处理器产生两路正交数字信号D1和D2，两路信号频率相等且略小于初始频率，D1和D2分别与数字信号D进行混频、滤波后生成两路正交的数字信号R1和R2，对两路数字信号R1和R2依次进行微分、交叉相乘后得到两路信号E1和E2，进而对信号E1和E2差分放大，放大倍数为1/2πk，E1与E2差分放大的结果即为所述时延T1，k为啁啾脉冲信号的啁啾率。
本发明装置采用的啁啾信号发生器，发射出频率范围可调、啁啾率可调的啁啾信号，实现不同频率范围时延的快速测量，系统测量范围大；同时本发明测量变频器件时延时，不需要额外的参考信号，系统结构简单，抗干扰能力强；且本发明利用正交解调技术实现对时延的提取，避免了传统时延检测过程出现的相位模糊以及频谱泄露现象，极大的提高了时延检测的精度。
附图说明
图1为本发明射频时延快速测量装置的结构示意图。
图2为本发明啁啾信号发生器的结构示意图。
图3为本发明处理器正交解调算法的示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明基于啁啾信号正交解调的视频时延快速测量装置，包括啁啾信号发生器1、待测器件2、模数转换器3、处理器4、存储器5，其中：
处理器4根据所需测量的初始频率、测量带宽以及频点数产生一系列频率控制字，依次输出至啁啾信号发生器1；初始频率、测量带宽、频点数由具体测量场景确定，频率控制字为实际测量的频点，由初始频率开始递增且均匀覆盖测量带宽。
啁啾信号发生器1根据频率控制字产生一路频率线性的啁啾脉冲信号并输出至模数转换器3；啁啾信号发生器1根据频率控制字计算出啁啾脉冲信号的相位信息，再根据相位信息计算啁啾脉冲信号幅度信息，经过D/A转换以及低通滤波后输出频率线性的啁啾脉冲信号。啁啾信号发生器1产生的啁啾脉冲信号，其脉冲宽度根据频点数变化，频点数越大脉冲宽度越大，其啁啾率为测量带宽与脉冲宽度的比值，其频率在待测频率范围内，其相位具有连续性。
模数转换器3对啁啾脉冲信号进行AD采样，得到对应的数字信号D1并保存至存储器5中。
处理器4对存储器5中的数字信号D1进行分析，提取出啁啾脉冲信号从啁啾信号发生器1输出至中模数转换器3的时延T1。
待测器件2接入在啁啾信号发生器1与模数转换器3之间，其测量得到的时延为T2，且T2-T1的结果即为待测器件2的时延。
如图2所示，啁啾信号发生器中包括相位累加器、波形存储区、D/A转换器、低通滤波器；其中：根据频率控制字，相位累加器计算啁啾信号的相位信息P1，输入到波形存储区，得到啁啾信号的幅度信息A1，输入到D/A转换器得到模拟信号S1，输入到低通滤波器4的到啁啾信号C1。
如图3所示，处理器产生两路正交数字信号D2与D3，分别与数字信号D1进行混频，滤波FIL得到两路正交的数字信号R1与R2，对于两路数字信号R1与R2进行微分DIFF得到信号R11与R21，再利用交叉相乘得到两路信号E1与E2，对信号E1与E2差分放大，提取信号D1中包含的相位信息P1，进行转换得到所测频段时延T1。
本实施方式中，啁啾信号发生器1产生的啁啾脉冲信号频率包括待测频率范围，其发生的啁啾脉冲信号啁啾率、脉宽可调，啁啾信号为频率线性啁啾信号，其相位具有连续性；模数转换器3采用8～24位的模数转换器，处理器4根据啁啾信号发生器产生信号的时间，控制模数转换器进行采样，并将数字信号存入处理器，采样完成后，进行数字处理。
本实施方式的工作原理如下：
由于啁啾信号的频率随时间线性变化，如式(1)所示：
F(t)＝f0+kt (1)
其中：f0为t＝0时刻频率即初始频率，k为啁啾系数。
所以啁啾信号不同频率的相位也在变化，对于线性啁啾信号而言，其相位变化满足以下关系式：
Figure BDA0002317460190000051
啁啾信号进行AD采样、正交混频后得到两路正交信号，再进行微分交叉相乘，其推导结果如下：
Figure BDA0002317460190000052
Figure BDA0002317460190000053
Figure BDA0002317460190000054
其中：
Figure BDA0002317460190000055
为待测器件所引入的相位变化，对公式(5)进行反正弦运算提取相位信息。
最终待测器件时延可表示为：
Figure BDA0002317460190000056
本发明装置采用的啁啾信号发生器，发射出频率范围可调、啁啾率可调的啁啾信号，实现不同频率范围时延的快速测量，系统测量范围大；同时本发明测量变频器件时延时，不需要额外的参考信号，系统结构简单，抗干扰能力强；且本发明利用正交解调技术实现对时延的提取，避免了传统时延检测过程出现的相位模糊以及频谱泄露现象，极大的提高了时延检测的精度。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于啁啾信号正交解调的射频时延快速测量装置，其特征在于，包括啁啾信号发生器、待测器件、模数转换器、处理器以及存储器；其中：
所述处理器根据所需测量的初始频率、测量带宽以及频点数产生一系列频率控制字，依次输出至啁啾信号发生器；
所述啁啾信号发生器根据频率控制字产生一路频率线性的啁啾脉冲信号并输出至模数转换器；
所述模数转换器对啁啾脉冲信号进行AD采样，得到对应的数字信号并保存至存储器中；
所述处理器对存储器中的数字信号进行分析，提取出啁啾脉冲信号从啁啾信号发生器输出至中模数转换器的时延T1；
所述待测器件接入在啁啾信号发生器与模数转换器之间，其测量得到的时延为T2，且T2-T1的结果即为待测器件的时延。
2.根据权利要求1所述的射频时延快速测量装置，其特征在于：所述初始频率、测量带宽、频点数由具体测量场景确定，所述频率控制字为实际测量的频点，由初始频率开始递增且均匀覆盖测量带宽。
3.根据权利要求1所述的射频时延快速测量装置，其特征在于：所述啁啾信号发生器根据频率控制字计算出啁啾脉冲信号的相位信息，再根据相位信息计算啁啾脉冲信号幅度信息，经过D/A转换以及低通滤波后输出频率线性变化的啁啾脉冲信号。
4.根据权利要求1所述的射频时延快速测量装置，其特征在于：所述啁啾信号发生器产生的啁啾脉冲信号，其脉冲宽度根据频点数变化，频点数越大脉冲宽度越大，其啁啾率为测量带宽与脉冲宽度的比值，其频率在待测频率范围内，其相位具有连续性。
5.根据权利要求1所述的射频时延快速测量装置，其特征在于：所述啁啾信号发生器采用直接数字式频率合成器实现。
6.根据权利要求1所述的射频时延快速测量装置，其特征在于：所述模数转换器采用8～24位的模数转换器。
7.根据权利要求1所述的射频时延快速测量装置，其特征在于：所述处理器产生两路正交数字信号D1和D2，两路信号频率相等且略小于初始频率，D1和D2分别与数字信号D进行混频、滤波后生成两路正交的数字信号R1和R2，对两路数字信号R1和R2依次进行微分、交叉相乘后得到两路信号E1和E2，进而对信号E1和E2差分放大，放大倍数为1/2πk，E1与E2差分放大的结果即为所述时延T1，k为啁啾脉冲信号的啁啾率。
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