CN112230191A - 一种耦合式实时校准的多通道相参信号模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种耦合式实时校准的多通道相参信号模拟装置，其包括若干个任意波形发生器、耦合式实时幅相校准模块、时钟同步模块和工控机，任意波形发生器与工控机通过数据线连接，用于在工控机的控制下产生多通道同步的相参信号；耦合式实时幅相校准模块，用于对所述多通道同步的相参信号进行校准并将校准数据上报给工控机；时钟同步模块，用于对任意波形发生器和耦合式实时幅相校准模块提供参考时钟并实现相位同步；工控机，用于根据耦合式幅相校准模块上报的校准数据修正各通道输出信号的幅度和相位。本发明能够同时进行多个通道的校准，提高了校准的效率。

Description

一种耦合式实时校准的多通道相参信号模拟装置及方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，尤其是涉及一种耦合式实时校准的多通道相参信号模拟装置及方法。

背景技术

在复杂电磁环境的半实物仿真构建、相控阵体制的雷达、测向定位雷达、多输入多输出(MIMO)通信的测试验证等应用场合中，都需要产生多通道的相参信号，每一路输出信号的相位和幅度都是经过严格控制的，否则就会对仿真效果的可信性及测试结果的精度产生重要影响。在实际应用中，频率参考、触发、采样时钟等因素都会影响多通道信号的相参性，甚至连接线缆、信号的频率以及设备使用环境的温度都会对信号造成影响。为了减少上述因素的影响，需要对产生相参信号的各通道的幅度和相位偏差进行校准和补偿，提高幅度和相位一致性。通常采用数字示波器或矢量网络分析仪对通道间固有相位和幅度偏差进行准确测量，然后再通过信号预失真的方式对偏差进行补偿，以达到各通道信号严格相参的目的。

中国专利申请“多通道宽频带信号相参特性快速校准系统”（专利申请号CN201910391423.3）公开了一种基于射频开关矩阵和多通道数采的多通道相参信号校准系统，其通过快速切换通道的多组射频开关的组合，将被测多通道相参信号分时输出至射频前端&信号调理模块，将射频信号多次变频至中频，再送入多通道数采&信号处理板卡进行相参特性测量，最后再由内置软件完成相参特性的上报，最终实现多通道相参信号的快速校准。该方法的实质仍是选择一路通道作为参考通道，其他通道作为待校准通道，由射频开关矩阵对待校准通道进行快速切换，对待校准通道和参考通道进行幅相参数比较从而实现校准，虽然降低了校准时间，但是校准时只有一个通道工作，其他通道断开，不能实现实时校准。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种耦合式实时校准的多通道相参信号模拟装置，其能够实时、动态测试并校准输出的多通道相参信号。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种耦合式实时校准的多通道相参信号模拟装置，其包括若干个任意波形发生器、耦合式实时幅相校准模块、时钟同步模块和工控机，任意波形发生器与工控机通过数据线连接，用于在工控机的控制下产生多通道同步的相参信号；耦合式实时幅相校准模块，用于对所述多通道同步的相参信号进行校准并将校准数据上报给工控机；时钟同步模块，用于对任意波形发生器和耦合式实时幅相校准模块提供参考时钟并实现相位同步；工控机，用于根据耦合式幅相校准模块上报的校准数据修正各通道输出信号的幅度和相位；其中，

所述耦合式实时幅相校准模块包括本振模块、功分器和若干个耦合校准模块，若干个耦合校准模块分别与若干个任意波形发生器的输出端一一对应连接；所述每个耦合校准模块由定向耦合器、下变频模块和中频接收模块组成，定向耦合器的输入端连接与之相对应的任意波形发生器的输出端，所述下变频模块包括信号调理模块、混频器和低通滤波器，信号调理模块的射频端口与定向耦合器的输出端连接，信号调理模块的输出端与混频器的射频输入端连接，混频器的本振端与功分器的输出端连接，中频端与低通滤波器的输入端连接；所述中频接收模块包括信号调理模块和A/D转换器，信号调理模块的输入端与低通滤波器的输出端连接，输出端与A/D转换器的输入端连接，A/D转换器的输出端输出一个通道的幅相数据；所述本振模块的输入端与时钟同步模块的输出端连接，输出端与功分器的输入端连接。

进一步地，上述的功分器为一个或两个以上，两个以上功分器采用级联结构。

一种耦合式实时校准的多通道相参信号模拟方法，其通过上述耦合式实时校准的多通道相参信号模拟装置实现，包括以下步骤：

S1、工控机根据预先设定的需求，生成幅度、相位、频率等控制指令并传给对应通道的任意波形发生器；

S2、各个任意波形发生器由同一个时钟同步模块提供参考实现时钟同步，各个任意波形发生器根据工控机的指令生成多通道相参射频信号；

S3、本振模块的本振源与外部参考时钟信号同步，并经本振环输出本振信号，再经功分器功分后输入若干个耦合校准模块中，为各通道的下变频模块提供本振信号；

S4、各端口射频信号输入耦合式实时幅相校准模块中，分别经相应的耦合校准模块中的定向耦合器的直通端口直接输出，少量沿“直通”路径行进的信号由耦合端口测量，测得耦合端口信号的幅值和相位能够反映其直通端口输出信号的幅值和相位；射频信号由定向耦合器的耦合端口输出后经过信号调理模块的衰减、低噪声放大调理，然后与本振信号经混频器进行混频，再经过低通滤波器实现下变频；经过多次下变频后将信号变为中频信号，中频信号输入中频接受模块中，经信号调理模块进行衰减、低噪声放大调理，最后经由A/D转换器进行ADC采样，将射频信号转换成数字信号，获得各通道信号的幅度、相位实时信息并传输至工控机；

S5、工控机对采集的各个通道射频信号的幅度、相位信息进行计算处理，获取其幅度、相位的相对值，与预设的幅值和相位进行比较并进行补偿，重新生成幅度、相位控制指令，调整任意波形发生器产生信号的幅度和相位，从而实现输出多通道相参信号的实时、动态校准，确保各通道输出信号的幅度和相位一致性。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

该耦合式实时校准的多通道相参信号模拟装置，其无需切换工作模式，能够在工作状态时校准，实现动态实时校准，确保输出信号的质量，能够同时进行多个通道的校准，而不是单个通道切换，提高了校准的效率；传统的采用射频通道切换方法由于不是物理意义上断开其它端口，射频开关通道隔离度指标较差时会有一部分信号会从其他端口泄露进来，影响校准精度，而本发明多通道相参信号模拟装置的通道之间无射频信号串扰，校准精度高，具有良好的推广应用价值。

附图说明

图1是本发明耦合式实时校准的多通道相参信号模拟装置的结构框图；

图2是图1中的耦合式实时幅相校准模块的结构框图；

图3是图2中的单个耦合校准模块的信号流图；

图4是定向耦合器的测试耦合端与输出端幅相差原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1～2所示，该耦合式实时校准的多通道相参信号模拟装置，其包括若干个任意波形发生器、耦合式实时幅相校准模块、时钟同步模块和工控机，任意波形发生器与工控机通过数据线连接，用于在工控机的控制下产生多通道同步的相参信号；耦合式实时幅相校准模块，用于对所述多通道同步的相参信号进行校准并将校准数据上报给工控机；时钟同步模块，用于对任意波形发生器和耦合式实时幅相校准模块提供参考时钟并实现相位同步；工控机，用于根据耦合式幅相校准模块上报的校准数据修正各通道输出信号的幅度和相位；其中，

所述耦合式实时幅相校准模块包括本振模块、功分器和若干个耦合校准模块，若干个耦合校准模块分别与若干个任意波形发生器的输出端一一对应连接；所述每个耦合校准模块由定向耦合器、下变频模块和中频接收模块组成，定向耦合器的输入端连接与之相对应的任意波形发生器的输出端，所述下变频模块包括信号调理模块、混频器和低通滤波器，信号调理模块由Π型衰减器和放大器相串联组成，信号调理模块的射频端口，即Π型衰减器的输入端，与定向耦合器的输出端连接，信号调理模块的输出端，即放大器的输出端，与混频器的射频输入端连接，混频器的本振端与功分器的输出端连接，中频端与低通滤波器的输入端连接；所述中频接收模块包括信号调理模块和A/D转换器，信号调理模块由Π型衰减器和放大器相串联组成，信号调理模块的射频端口，即Π型衰减器的输入端，与低通滤波器的输出端连接，信号调理模块的输出端，即放大器的输出端，与A/D转换器的输入端连接，A/D转换器的输出端输出一个通道的幅相数据；所述本振模块的输入端与时钟同步模块的输出端连接，输出端与功分器的输入端连接。

上述的功分器为一个或两个以上，两个以上功分器采用级联结构。

上述的时钟同步模块由恒温晶振（OXCO）及锁相电路输出频率为10MHz、频率精度为0.1ppm的高稳信号，作为各任意波形发生器、混频器本振和ADC采集模块的参考时钟信号，确保各通道信号产生、下变频及数字采集的相参和同步。

本发明耦合式实时校准的多通道相参信号模拟方法，其通过上述耦合式实时校准的多通道相参信号模拟装置实现，包括以下步骤：

工控机根据预先设定的需求，生成幅度、相位、频率等控制指令并传给对应通道的任意波形发生器；各个任意波形发生器由同一个时钟同步模块提供参考实现时钟同步，以保证输出信号的相参性，各个任意波形发生器根据工控机的指令生成多通道相参射频信号；为保证各通道的相参性，本振模块的本振源与外部参考时钟信号同步，并经本振环输出本振信号，再经功分器功分后输入若干个耦合校准模块中，为各通道的下变频模块提供本振信号；如图3所示，各端口射频信号输入耦合式实时幅相校准模块中，分别经相应的耦合校准模块中的定向耦合器的直通端口直接输出，少量沿“直通”路径行进的信号可由耦合端口测量，经直通端口输出的信号与输入信号的功率损耗（插入损耗）比较小，因此不会对输出信号的幅值产生较大影响；定向耦合器是无源器件，视为耦合端口的信号与输出信号的成线性关系，因此测得耦合端口信号的幅值和相位能够反映其直通端口输出信号的幅值和相位；射频信号由定向耦合器的耦合端口输出后经过信号调理模块的衰减、低噪声放大调理，然后与本振信号经混频器进行混频，再经过低通滤波器实现下变频；经过多次下变频后将信号变为中频信号，中频信号输入中频接受模块中，经信号调理模块进行衰减、低噪声放大调理，最后经由A/D转换器进行ADC采样，将射频信号转换成数字信号，获得各通道信号的幅度、相位实时信息并传输至工控机；工控机对采集的各个通道射频信号的幅度、相位信息进行计算处理，获取其幅度、相位的相对值，与预设的幅值和相位进行比较并进行补偿，重新生成幅度、相位控制指令，调整任意波形发生器产生信号的幅度和相位，从而实现输出多通道相参信号的实时、动态校准，确保各通道输出信号的幅度和相位一致性。

工控机对采集的各通道波形数据在频率域进行处理（FFT运算），通过搜索其频谱的最大值获取其耦合端口输出信号的幅值AMP ₁、相位φ ₁。必须先测得耦合端口与直通端口幅度、相位的相对值，才能利用这些信息进行补偿，进而得到直通端口的幅值和相位。测试方法如图4所示，利用四端口矢量网络分析仪的一个端口（例如端口3）作为激励源，并连接定向耦合器的输入端口，定向耦合器的输出端口和耦合端口分别接矢量网络分析仪的端口2和端口4，测量参数设置为波量（Wave Quantity），包括b4（P3s）和b2（P3s）。如果测试幅度差异，将显示格式Format改为Magnitude（dB）；如果测试相位差值，将显示格式Format改为Phase；最后，使用Trace Math功能，求得差异：Math=b4（P3s）/b2（P3s）。根据测得的输出端口与耦合端口的幅度差ΔAMP、相位差值Δφ，以及测得的耦合端口幅值AMP ₁、相位数据φ ₁，便可获得输出端口的幅值（AMP _out）及相位（φ _out）信息，即：AMP _out= AMP ₁+ΔAMP、φ _out =φ ₁ +Δφ。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明的专利保护范围之内。

Claims (3)

1.一种耦合式实时校准的多通道相参信号模拟装置，其特征是：其包括若干个任意波形发生器、耦合式实时幅相校准模块、时钟同步模块和工控机，任意波形发生器与工控机通过数据线连接，用于在工控机的控制下产生多通道同步的相参信号；耦合式实时幅相校准模块，用于对所述多通道同步的相参信号进行校准并将校准数据上报给工控机；时钟同步模块，用于对任意波形发生器和耦合式实时幅相校准模块提供参考时钟并实现相位同步；工控机，用于根据耦合式幅相校准模块上报的校准数据修正各通道输出信号的幅度和相位；其中，

所述耦合式实时幅相校准模块包括本振模块、功分器和若干个耦合校准模块，若干个耦合校准模块分别与若干个任意波形发生器的输出端一一对应连接；所述每个耦合校准模块由定向耦合器、下变频模块和中频接收模块组成，定向耦合器的输入端连接与之相对应的任意波形发生器的输出端，所述下变频模块包括信号调理模块、混频器和低通滤波器，信号调理模块的射频端口与定向耦合器的输出端连接，信号调理模块的输出端与混频器的射频输入端连接，混频器的本振端与功分器的输出端连接，中频端与低通滤波器的输入端连接；所述中频接收模块包括信号调理模块和A/D转换器，信号调理模块的输入端与低通滤波器的输出端连接，输出端与A/D转换器的输入端连接，A/D转换器的输出端输出一个通道的幅相数据；所述本振模块的输入端与时钟同步模块的输出端连接，输出端与功分器的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的耦合式实时校准的多通道相参信号模拟装置，其特征是：其功分器为一个或两个以上，两个以上功分器采用级联结构。

3.一种耦合式实时校准的多通道相参信号模拟方法，通过上述权利要求1或2所述的耦合式实时校准的多通道相参信号模拟装置实现，其特征是：其包括以下步骤：

S1、工控机根据预先设定的需求，生成幅度、相位、频率等控制指令并传给对应通道的任意波形发生器；

S2、各个任意波形发生器由同一个时钟同步模块提供参考实现时钟同步，各个任意波形发生器根据工控机的指令生成多通道相参射频信号；

S3、本振模块的本振源与外部参考时钟信号同步，并经本振环输出本振信号，再经功分器功分后输入若干个耦合校准模块中，为各通道的下变频模块提供本振信号；

S4、各端口射频信号输入耦合式实时幅相校准模块中，分别经相应的耦合校准模块中的定向耦合器的直通端口直接输出，少量沿“直通”路径行进的信号由耦合端口测量，测得耦合端口信号的幅值和相位能够反映其直通端口输出信号的幅值和相位；射频信号由定向耦合器的耦合端口输出后经过信号调理模块的衰减、低噪声放大调理，然后与本振信号经混频器进行混频，再经过低通滤波器实现下变频；经过多次下变频后将信号变为中频信号，中频信号输入中频接受模块中，经信号调理模块进行衰减、低噪声放大调理，最后经由A/D转换器进行ADC采样，将射频信号转换成数字信号，获得各通道信号的幅度、相位实时信息并传输至工控机；

S5、工控机对采集的各个通道射频信号的幅度、相位信息进行计算处理，获取其幅度、相位的相对值，与预设的幅值和相位进行比较并进行补偿，重新生成幅度、相位控制指令，调整任意波形发生器产生信号的幅度和相位，从而实现输出多通道相参信号的实时、动态校准，确保各通道输出信号的幅度和相位一致性。

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