CN111555995B - 一种宽带采集系统的相频响应测量及补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带采集系统的相频响应测量及补偿方法，首先利用示波器校准仪产生标准快沿信号，并被待测采集系统和参考系统采样，两个系统的采样时间均不少于一个快沿信号周期；再利用插值和抽取调整采样结果，使两个系统的采样率一致，并使该采样率满足：大于等于待测系统的采样率，且为快沿信号频率的整数倍；然后利用平滑后的系统相频差计算群延时，并依此对齐数据，再利用对齐后的数据计算需要补偿的相频，并进行平滑处理；最后设计全通滤波器逼近该相频或对应该相频的群延时，并将后续采样结果通过该全通滤波器即可完成对该系统相频响应的补偿。

Description

一种宽带采集系统的相频响应测量及补偿方法

技术领域

本发明属于通信处理技术领域，更为具体地讲，涉及一种宽带采集系统的相频响应测量及补偿方法。

背景技术

随着材料工艺的发展和信号处理技术研究的深入，采集系统带宽也在日益增加。根据实际工程中要求的不同，按照系统允许输入信号的带宽进行分类，采集系统可以大致分为宽带采集系统和窄带采集系统。对于目前的宽带采集系统，其一般都能够采集从直流到GHz级别的信号。宽带采集系统中所定义的“带宽”，一般情况下专指-3dB带宽f_B，即假设在0Hz时的信号幅度为A₀，则随着输入信号频率的增加，第一次信号幅度下降3dB时的频率即为f_B，此时的信号幅度约为0.707A₀。

在宽带系统中，分析的往往不仅仅是简单的单一频率信号，而是包含各种频率成分的信号，典型的如方波(多音信号)、快沿、脉冲(宽带信号)等。这些信号包含有丰富的频率分量，并且这些频率分量之间在幅度、相位上都满足一定的关系。只有用宽带采集系统才可以尽可能多地获取它们的频率分量，保证采集后还原出的信号尽可能接近真实的输入信号。

然而宽带采集系统存在的一个很大的问题在于整个系统对于不同频率的信号响应并不相同。具体表现在两个方面：(1)对相同幅度不同频率的输入，宽带采集系统会有不同幅度的输出；(2)对不同频率同时输入的信号，宽带采集系统对不同频率的信号有不同的延时。这种差异体现在采集系统的频响中，即(1)带宽内的幅频响应非平坦；(2)带宽内的相频响应非线性(或群延时非常数)。这种对不同频率信号响应不同的特性导致了宽带采集系统对信号的分析往往会产生幅度和相位上的失真，无法获得真实的输入信号。为了能够得到输入信号的精确分析，必须要进行系统频响的补偿。

然而在现有的专利中，无论是基于硬件电路(CN201110448977)或者数字滤波(CN201810496002，CN201310686849)的频响补偿方法均只对幅频响应进行了补偿，并没有对相频响应进行补偿。而在CN200910048198中虽然提到了相频的补偿，但是该系统并不是一般的宽带采集系统，其方法也无法应用于宽带采集系统的频响补偿。

综上，目前尚未有方法能够对宽带采集系统的相频进行测量和补偿。为了保证在宽带系统中能够无失真地分析多频率成分的信号，亟需设计一种方法能够对宽带采集系统的相频进行测量和补偿。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种宽带采集系统的相频响应测量及补偿方法，以实现对该宽带采集系统相频的测量与校正，使其相频响应在整个带宽内趋于线性。

为实现上述发明目的，本发明一种宽带采集系统的相频响应测量及补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、数据采集及预处理

(1.1)、待测系统和参考系统分别对示波器校准仪产生的快沿信号进行采样，并获得足够多的采样点数，使采样的总点数至少包含有一个快沿信号的完整周期；

(1.2)、利用插值和抽取的方式调整待测系统与参考系统的采样数据，使两个系统的采样率均变为N*f_slope，且满足N*f_slope≥f_sDUT：其中，N为插值和抽取后的采样点数，f_slope为快沿信号的频率，f_sDUT为待测系统的采样率；

(1.3)、经过步骤(1.2)处理后，将待测系统的采样数据记为y_DUT[n]，参考系统的采样数据为y_ref[n]，n＝0，1,2,…,N-1；

(2)、将待测系统的采样数据和参考系统的采样数据对齐

(2.1)、利用离散傅里叶变换分别计算y_DUT[n]与y_ref[n]的离散频谱，分别记为Y_DUT(k)和Y_ref(k)；

其中，Y_DUT(k)和Y_ref(k)也为N点序列，即k＝0，1,2,…,N-1；

(2.2)、计算Y_DUT(k)和Y_ref(k)的相频响应，分别记为P_DUT(k)和P_ref(k)；

P_DUT(k)＝∠Y_DUT(k)

P_ref(k)＝∠Y_ref(k)

其中，符号“∠”表示求相角；

(2.3)、计算数据对齐前待测系统与参考系统的原始相频差值P_d(k)，并进行解缠操作；

P_d(k)＝unwrap(P_ref(k)-P_DUT(k))

其中，“unwrap”为解缠操作；

(2.4)、通过曲线拟合方式对P_d(k)进行平滑处理，得到平滑后的曲线P_fit(k)；

(2.5)、计算P_fit(k)的群延时，得到群延时函数τ_shift(k)；

τ_shift(N-1)＝τ_shift(0)

(2.6)、计算待测系统带宽内群延时均值τ_shm及移位量D；

D＝round(abs(τ_shm))

其中，B_DUT为待测系统的带宽，“round”表示取整数，“abs”表示取绝对值；

(2.7)、调整参考系统的采样数据y_ref[n]，使调整后参考系统的采样数据y_refadj[n]与待测系统采样数据y_DUT[n]对齐；

(3)、计算补偿相频

(3.1)、利用离散傅里叶变换计算y_refadj[n]的离散频谱，记为Y_refadj(k)，再计算Y_refadj(k)的相频响应，记为P_refadj(k)；

P_refadj(k)＝∠Y_refadj(k)；

(3.2)、计算数据对齐后待测系统与参考系统的相频差值P_dadj(k)，并进行解缠操作；

P_dadj(k)＝unwrap(P_refadj(k)-P_DUT(k))；

(3.3)、通过曲线拟合方式对P_dadj(k)进行平滑处理，得到平滑后的曲线P_fitdesign(k)；

(3.4)、计算P_fitdesign(k)的群延时，得到群延时函数τ_fitdesign(k)；

τ_fitdesign(N-1)＝τ_fitdesign(0)

(4)、设计补偿滤波器

利用全通滤波器的设计方法设计补偿滤波器H_allpass(jω)，使补偿滤波器的相频响应逼近P_fitdesign(k)或者群延时响应逼近τ_fitdesign(k)+M，其中，M为常数延时；

(5)、采样数据的实时补偿

在待测的宽带采集系统的后续采样中，将其采样结果通过补偿滤波器进行滤波处理，从而获得经过相频响应补偿后的采样数据。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种宽带采集系统的相频响应测量及补偿方法，首先利用示波器校准仪产生标准快沿信号，并被待测采集系统和参考系统采样，两个系统的采样时间均不少于一个快沿信号周期；再利用插值和抽取调整采样结果，使两个系统的采样率一致，并使该采样率满足：大于等于待测系统的采样率，且为快沿信号频率的整数倍；然后利用平滑后的系统相频差计算群延时，并依此对齐数据，再利用对齐后的数据计算需要补偿的相频，并进行平滑处理；最后设计全通滤波器逼近该相频或对应该相频的群延时，并将后续采样结果通过该全通滤波器即可完成对该系统相频响应的补偿。

同时，本发明一种宽带采集系统的相频响应测量及补偿方法还具有以下有益效果：

(1)、通过设计宽带系统的相频补偿滤波器，补偿了宽带系统中的相位非线性，使宽带采集系统在采集宽带或多音信号时不仅能精确还原其幅度关系，还能准确还原其相位关系，使采集得到的数字信号更逼近真实的模拟输入；

(2)、该方法中利用了整数倍快沿频率的采样率，使快沿信号在进行离散傅里叶变换时没有频谱泄露，减小了参考系统和待测系统由频谱泄露带来的频响计算误差；

(3)、在求群延时之前进行平滑处理，减小了环境噪声对群延时计算带来的误差。

附图说明

图1是典型宽带采集系统功能划分图；

图2是示波器校准仪产生的快沿信号示意图；

图3是一种宽带采集系统的相频响应测量及补偿原理图；

图4是本发明一种宽带采集系统的相频响应测量及补偿方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是典型宽带采集系统功能划分图。

一个典型宽带采集系统按功能可以分成四个主要模块，分别是信号调理模块、模数转换模块、数据处理模块和控制模块，如图1所示。在数据采集时，控制模块首先按照用户的要求配置信号调理模块中的电路参数。信号调理模块在不同电路参数的配置下对输入信号进行放大或衰减，使其满足模数转换模块的输入要求。模数转换模块将输入的模拟信号转化为数字量并发送至数据处理模块。数据处理模块对数字量进行数据分析、滤波等操作，或将数据进行显示。在四个主要模块中，决定系统频响的是信号调理模块，而校正则在数据处理模块中进行。

在进行校正之前，首先需要进行频响的测量。频响的测量除了待测系统外，还需要用到两种仪器：其一是一个性能更高的参考仪器，用于产生理想采样结果的参考，其采样率和带宽应不小于待测系统，并且已经经过了相频的补偿。因此可以选用一个高带宽等效取样示波器，或者一个高采样率高带宽实时示波器。其二是示波器校准仪，它用于产生校正用的快沿信号，这个信号可以看作是一个下降沿较缓，上升沿陡峭，占空比极大的周期信号，其周期为T_slope，频率f_slope＝1/T_slope，如图2所示。

设待测系统的带宽为B_DUT，采样率为f_sDUT，参考系统的带宽为B_ref，实时采样率(实时示波器)或等效采样率(等效示波器)为f_sref。

在实际工程中相频响应测量与补偿时，如图3所示，示波器校准仪产生标准快沿信号的频率f_slope为1MHz；参考系统使用的是一个采样率f_sref为50GSPS，带宽B_ref为13GHz的数字示波器，并且该数字示波器无相频响应误差；待测系统为一宽带采集系统，其中模拟前端为信号调理模块，模数转换器为模数转换模块，现场可编程门阵列(FPGA)和计算机既是数据处理模块又是控制模块。该宽带采集系统的采样率f_sDUT为10GSPS，带宽B_DUT为4GHz。下面依步骤说明本发明一种宽带采集系统的相频响应测量及补偿方法，具体包括以下步骤：

S1、数据采集及预处理

S1.1、首先将示波器校准仪和计算机均连接至数字示波器(数据通路a)。利用示波器校准仪输出1MHz的快沿信号，经过数字示波器采样，并将采样数据传给计算机存储。连续采样点数为f_sref/f_slope＝50000。采样过程应利用数字触发功能进行多次平均以减小噪声，在本次测量中平均次数为500。

再将示波器校准仪和计算机均连接至宽带采集系统(数据通路b)。利用示波器校准仪输出1MHz的快沿信号，依次经过模拟前端进行信号调理，模数转换器将模拟信号转为数字量，FPGA执行数字触发和平均操作，在本次测量中平均次数为500。将平均后的采样数据传给计算机。连续采样点数为f_sDUT/f_slope＝10000。这样获得足够多的采样点数，使采样的总点数至少包含有一个快沿信号的完整周期；

S1.2、利用插值和抽取的方式调整待测系统与参考系统的采样数据，使两个系统的采样率均变为N*f_slope＝f_sDUT＝10GSPS，其中，N＝10000为插值和抽取后的采样点数，f_slope为快沿信号的频率，f_sDUT为待测系统的采样率；

S1.3、经过步骤S1.2处理后，待测系统的采样结果无需进行任何处理，其采样结果记为y_DUT[n]；对数字示波器的采样结果进行5倍的抽取，使参考系统的采样数据记为y_ref[n]，n＝0，1,2,…,9999；

S2、将待测系统的采样数据和参考系统的采样数据对齐

S2.1、利用离散傅里叶变换分别计算y_DUT[n]与y_ref[n]的离散频谱，分别记为Y_DUT(k)和Y_ref(k)；

其中，Y_DUT(k)和Y_ref(k)也为10000点序列，即k＝0，1,2,…,9999；

S2.2、计算Y_DUT(k)和Y_ref(k)的相频响应，分别记为P_DUT(k)和P_ref(k)；

P_DUT(k)＝∠Y_DUT(k)

P_ref(k)＝∠Y_ref(k)

其中，符号“∠”表示求相角；

S2.3、计算数据对齐前待测系统与参考系统的原始相频差值P_d(k)，并进行解缠操作；

P_d(k)＝unwrap(P_ref(k)-P_DUT(k))

其中，“unwrap”为解缠操作；

S2.4、利用光滑样条拟合(Smoothing spline)算法对P_d(k)进行平滑处理，得到平滑后的曲线P_fit(k)；

S2.5、计算P_fit(k)的群延时，得到群延时函数τ_shift(k)；

τ_shift(9999)＝τ_shift(0)

S2.6、计算待测系统带宽内群延时均值τ_shm及移位量D；

D＝round(abs(τ_shm))

其中，“round”表示取整数，“abs”表示取绝对值；

S2.7、调整参考系统的采样数据y_ref[n]，使调整后参考系统的采样数据y_refadj[n]与待测系统采样数据y_DUT[n]对齐；

其中，采样数据y_refadj[n]与采样数据y_DUT[n]对齐的方法为：

给定群延时调整阈值τ_th＝5；

若τ_shm＜-τ_th，则对齐的方法为：

若τ_shm＞τ_th，则对齐的方法为：

若-τ_th≤τ_shm≤τ_th，则对齐的方法为：y_refadj[n]＝y_ref[n]。

S3、计算补偿相频

S3.1、利用离散傅里叶变换计算y_refadj[n]的离散频谱，记为Y_refadj(k)，再计算Y_refadj(k)的相频响应，记为P_refadj(k)；

P_refadj(k)＝∠Y_refadj(k)；

S3.2、计算数据对齐后待测系统与参考系统的相频差值P_dadj(k)，并进行解缠操作；

P_dadj(k)＝unwrap(P_refadj(k)-P_DUT(k))；

S3.3、利用光滑样条拟合算法对P_dadj(k)进行平滑处理，得到平滑后的曲线P_fitdesign(k)；

S3.4、计算P_fitdesign(k)的群延时，得到群延时函数τ_fitdesign(k)；

τ_fitdesign(9999)＝τ_fitdesign(0)

S4、设计补偿滤波器

利用复倒谱系数的设计方法设计补偿全通滤波器H_allpass(jω)，使补偿滤波器的群延时响应逼近τ_fitdesign(k)+M，其中，M为常数延时；

S5、采样数据的实时补偿

在待测的宽带采集系统的后续采样中，将其采样结果通过补偿滤波器进行滤波处理，从而获得经过相频响应补偿后的采样数据。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种宽带采集系统的相频响应测量及补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、数据采集及预处理

(1.1)、待测系统和参考系统分别对示波器校准仪产生的快沿信号进行采样，使采样的总点数至少包含有一个快沿信号的完整周期；

(1.2)、利用插值和抽取的方式调整待测系统与参考系统的采样数据，使两个系统的采样率均变为N*f_slope，且满足N*f_slope≥f_sDUT：其中，N为插值和抽取后的采样点数，f_slope为快沿信号的频率，f_sDUT为待测系统的采样率；

(1.3)、经过步骤(1.2)处理后，将待测系统的采样数据记为y_DUT[n]，参考系统的采样数据为y_ref[n]，n＝0，1,2,…,N-1；

(2)、将待测系统的采样数据和参考系统的采样数据对齐

(2.1)、利用离散傅里叶变换分别计算y_DUT[n]与y_ref[n]的离散频谱，分别记为Y_DUT(k)和Y_ref(k)；

其中，Y_DUT(k)和Y_ref(k)也为N点序列，即k＝0，1,2,…,N-1；

(2.2)、计算Y_DUT(k)和Y_ref(k)的相频响应，分别记为P_DUT(k)和P_ref(k)；

P_DUT(k)＝∠Y_DUT(k)

P_ref(k)＝∠Y_ref(k)

其中，符号“∠”表示求相角；

(2.3)、计算数据对齐前待测系统与参考系统的原始相频差值P_d(k)，并进行解缠操作；

P_d(k)＝unwrap(P_ref(k)-P_DUT(k))

其中，“unwrap”为解缠操作；

(2.4)、通过曲线拟合方式对P_d(k)进行平滑处理，得到平滑后的曲线P_fit(k)；

(2.5)、计算P_fit(k)的群延时，得到群延时函数τ_shift(k)；

τ_shift(N-1)＝τ_shift(0)

(2.6)、计算待测系统带宽内群延时均值τ_shm及移位量D；

D＝round(abs(τ_shm))

其中，B_DUT为待测系统的带宽，“round”表示取整数，“abs”表示取绝对值；

(2.7)、调整参考系统的采样数据y_ref[n]，使调整后参考系统的采样数据y_refadj[n]与待测系统采样数据y_DUT[n]对齐；

(3)、计算补偿相频

(3.1)、利用离散傅里叶变换计算y_refadj[n]的离散频谱，记为Y_refadj(k)，再计算Y_refadj(k)的相频响应，记为P_refadj(k)；

P_refadj(k)＝∠Y_refadj(k)；

(3.2)、计算数据对齐后待测系统与参考系统的相频差值P_dadj(k)，并进行解缠操作；

P_dadj(k)＝unwrap(P_refadj(k)-P_DUT(k))；

(3.3)、通过曲线拟合方式对P_dadj(k)进行平滑处理，得到平滑后的曲线P_fitdesign(k)；

(3.4)、计算P_fitdesign(k)的群延时，得到群延时函数τ_fitdesign(k)；

τ_fitdesign(N-1)＝τ_fitdesign(0)

(4)、设计补偿滤波器

利用全通滤波器的设计方法设计补偿滤波器H_allpass(jω)，使补偿滤波器的相频响应逼近P_fitdesign(k)或者群延时响应逼近τ_fitdesign(k)+M，其中，M为常数延时；

(5)、采样数据的实时补偿

在待测的宽带采集系统的后续采样中，将其采样结果通过补偿滤波器进行滤波处理，从而获得经过相频响应补偿后的采样数据。

2.根据权利要求1所述的一种宽带采集系统的相频响应测量及补偿方法，其特征在于，所述步骤(2.7)中，采样数据y_refadj[n]与采样数据y_DUT[n]对齐的方法为：

给定群延时调整阈值τ_th，τ_th＞0；

若τ_shm＜-τ_th，则对齐的方法为：

若τ_shm＞τ_th，则对齐的方法为：

若-τ_th≤τ_shm≤τ_th，则对齐的方法为：y_refadj[n]＝y_ref[n]。

Images