CN114301552A - 一种数字调制信号测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种数字调制信号测试方法及系统，包括：获取数字调制信号；对数字调制信号依次进行定时恢复、载波恢复和相位修正后，进行星座点的判决，并且恢复比特流，得到测量信号，并基于比特流生成参考信号；通过最小化测量信号与参考信号之间的误差矢量幅度，得到残留定时误差、残留载波频偏和残留相位误差，并重新对数字调制信号依次进行定时恢复、载波恢复和相位修正，得到修正后的测量信号；基于修正后的测量信号，结合参考信号，计算测试指标。提高了数字调制信号的解调精度，实现了从多维度对发射数字调制信号进行测试。

Description

一种数字调制信号测试方法及系统

技术领域

本发明属于信号测试技术领域，尤其涉及一种数字调制信号测试方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

数字调制信号广泛应用于广播、卫星通信、电子对抗等众多领域，数字调制信号种类也涵盖了幅度调制、频率调制、相位调制等各种情况以及单载波、多载波等发送形式，数字调制信号的广泛应用必然涉及数字调制信号发射设备性能的衡量与测试，由于数字调制信号种类及形式多样，传统的时域测量及频域测量已不能满足对发射设备性能的测试需求。正因如此，信号分析仪等作为电子通信领域的重要测试仪表，已从基本的频谱测试、时域功率特性测试发展到复杂调制信号调制域测量的多功能仪表。

目前，现有数字调制信号分析方法主要针对采集的基带IQ信号数据通过锁相环同步的反馈式解调方案实现定时同步与载波同步，然后通过译码等实现信号的解调分析。具体的，如图2所示，其分析流程为：通过反馈式定时误差检测器实现定时误差检测，基于内插滤波器实现定时误差的恢复；通过鉴相器及低通滤波等实现对载波频率的跟踪同步，最终通过码元恢复，实现信号解调分析。

现有数字调制信号分析方法，一是侧重于实现信号的解调，只要不影响码元判决就不会影响信息的传输，不追求测量级的解调精度，因此解调精度不高，导致后续不能精确进行误差矢量幅度等调制参数的计算；二是侧重于码元恢复及译码功能，不关注发射设备性能的分析，缺乏对发射设备信号产生性能的测量。因此，现有数字调制信号分析方法多应用于接收机，并不适用于信号分析仪等测量设备。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种数字调制信号测试方法及系统，提高了数字调制信号的解调精度，实现了从多维度对发射数字调制信号进行测试。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种数字调制信号测试方法，其包括：

获取数字调制信号；

对数字调制信号依次进行定时恢复、载波恢复和相位修正后，进行星座点的判决，并且恢复比特流，得到测量信号，并基于比特流生成参考信号；

通过最小化测量信号与参考信号之间的误差矢量幅度，得到残留定时误差、残留载波频偏和残留相位误差，并重新对数字调制信号依次进行定时恢复、载波恢复和相位修正，得到修正后的测量信号；

基于修正后的测量信号，结合参考信号，计算测试指标。

进一步的，在获取数字调制信号时，如果数字调制信号为突发信号，需要计算突发信号的平均功率，并设置相应门限，检测突发的上升沿与下降沿，提取出上升沿与下降沿之间的中间部分数据，作为最终的数字调制信号。

进一步的，所述定时恢复的具体步骤为：

对所述数字调制信号进行离散采样，得到采样序列；

对采样序列中的每个采样点进行平方变换得平方变换后的采样序列；

基于平方变换后的采样序列，计算定时误差；

在得到定时误差之后，采用插值算法对平方变换后的采样序列重新插值，得到定时误差恢复后的信号。

进一步的，所述载波恢复的具体方法为采用载波频偏对所述定时误差恢复后的信号进行载波恢复，得到载波恢复后的信号。

进一步的，所述相位修正的具体方法为通过最小化相位误差对所述载波恢复后的信号进行相位修正，得到相位修正后的信号。

进一步的，所述测试指标包括误差矢量幅度、幅度误差、相位误差、原点偏移、增益不平衡和正交误差。

本发明的第二个方面提供一种数字调制信号测试系统，其包括：

信号获取模块，其被配置为：获取数字调制信号；

信号恢复模块，其被配置为：对数字调制信号依次进行定时恢复、载波恢复和相位修正后，进行星座点的判决，并且恢复比特流，得到测量信号，并基于比特流生成参考信号；

信号修正模块，其被配置为：通过最小化测量信号与参考信号之间的误差矢量幅度，得到残留定时误差、残留载波频偏和残留相位误差，并重新对数字调制信号依次进行定时恢复、载波恢复和相位修正，得到修正后的测量信号；

测试指标计算模块，其被配置为：基于修正后的测量信号，结合参考信号，计算测试指标。

本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的一种数字调制信号测试方法中的步骤。

本发明的第四个方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的一种数字调制信号测试方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种数字调制信号测试方法，其设计了一种基于代价函数的定时误差、频率误差及相位误差的精确估计方法，提高了测量精度及稳定性，使之更适合信号分析仪需求。

本发明提供了一种数字调制信号测试方法，其提出了一种误差矢量幅度、幅度误差、相位误差的误差展示方法，可以展现误差矢量幅度、幅度误差、相位误差随时间的变化关系，使技术人员更加清晰的观察误差产生的位置及原因。

本发明提供了一种数字调制信号测试方法，其通过分析IQ调制误差产生机理，基于最大似然模型提出了一种原点偏移、IQ不匹配的精确测量方法，使技术人员可定量分析数字调制信号发射设备IQ调制误差，实现了对数字调制信号发射设备性能的全面分析。

本发明提供了一种数字调制信号测试方法，其通过输入IQ信号数据，最终实现数字调制信号的全面精确分析，进而达到数字调制信号发射设备性能的精确测量。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例一的一种数字调制信号测试方法的流程图；

图2是现有数字调试信号测试方法的流程图；

图3是本发明实施例一的调制误差产生机理示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

本实施例提供了一种数字调制信号测试方法，直接对基带IQ信号数据进行处理，可实现对数字调制信号的调制特性分析，如图1所示，主要包括以下步骤：

步骤1、获取数字调制信号(基带IQ信号)。

具体的，若数字调制信号采用突发形式时，需先进行突发搜索，否则采集的数据为噪声，影响对信号的分析，即如果数字调制信号为突发信号，通过计算突发信号的平均功率，设置相应门限，检测出突发的上升沿与下降沿，提取上升沿与下降沿之间的中间部分数据，上升沿与下降沿之间数据便是需处理的突发调制信号，将其作为最终的数字调制信号输入步骤2，通过突发搜索可避免长时间仅仅分析噪声的问题。如果数字调制信号为连续信号，直接将其输入步骤2。

步骤2、定时恢复。定时恢复主要包括定时误差估计与定时修正两步。在采集到IQ信号数据之后，需对信号确定最佳采样点。在一段时间间隔内，可以认为定时误差不变，此时对采样信号进行平方操作，然后样本中包含一个频率为定时误差的频谱分量，该频谱分量可以通过计算一定长度数据的傅里叶系数提取出来，具体算法如下：

接收信号可表示为如下形式：

其中，t为时间，f_e为载波频差，τ为定时误差，S_i为发送的数据符号，i为循环变量，T为符号周期，θ为载波相位，g(t-iT-τ)为成形滤波函数，n(t)为噪声。

以N/T的速率对上式接收信号进行离散采样，并忽略噪声影响可得采样序列，采样序列中的第k个采样点表示为：

其中，N表示过采样倍数，对采样序列中的每个采样点进行平方变换并取模值，取模后

为1，平方变换后的采样序列中的第k个采样点表示为：

基于平方变换后的采样序列，计算定时误差。经过平方变换处理后，可以除去频差及相位误差信息，因此，该定时误差估计算法对载波频差不敏感，可以放置于载波同步之前。由于时域平方变换即频域的自卷积运算，因此，输出信号的频谱中必然包含符号时钟分量，该分量可以通过FFT变换处理并消除。该算法对应的定时误差估计式为

其中，L为采集处理符号个数，l为处理的第l段数据。

在得到定时误差之后，可采用插值算法对平方变换后的采样序列重新插值恢复出具有最佳采样值点的信号，得到定时误差恢复后的信号。其中，插值算法可以采用立方插值等，实现对定时误差的恢复。

步骤3、载波恢复。由于信号的发射端与接收端设备不共本振及多普勒因素等的影响，导致接收信号必然存在载波频偏，在消除定时误差后，需要对载波频偏进行估计，以消除接收信号的残留载波频偏，否则将严重恶化信号解调质量。载波频偏的计算目前有较多成熟方法，如M&M算法等，其通过延时进行相关运算，实现频偏计算，具体公式如下，

其中，M表示定时误差消除后接收信号的M次方，m表示延时m个样点，

其中，

由公式(3)得到，N₁用于调节加权系数ω_m，可取分析长度L的一半。

采用上述得到的载波频偏值对定时误差恢复后的信号进行载波恢复，得到载波恢复后的信号x'_k。

步骤4、相位修正。在消除定时误差及载波频偏后，星座图将出现收敛，但此时星座图是旋转的，不能进行符号的恢复及调制性能的测试。此时可利用通过计算测量所得信号相位与其该调制方式理想点相位误差，通过最小化相位误差进行相位修正。即，通过最小化相位误差对完成载波修正后的信号进行相位修正，得到相位修正后的信号。如下式所示：

其中，x'_k为载波恢复后的信号，

为该调制信号的理想相位。

步骤5：符号判决及参考信号生成。对数字调制信号依次进行定时恢复、载波恢复和相位修正后，得到相位修正后的信号，即在相位修正之后，可以对相位修正后的信号进行星座点的判决，并且恢复比特流，得到解调信号Meas(t)(即解调所得测量信号)。

为进行后续误差分析，在生成比特流之后，应当由比特流及匹配滤波器等生成解调信号对应的理想参考信号。

步骤6：定时误差及频率误差调整。对于正常通信来说，完成到步骤5就已经得到信息，但对于信号分析仪而言，上述测量过程的解调结果精度不够，会严重影响后续对发射设备的性能分析，因此需进行高精度优化，同时由于定时误差、频率误差与相位误差是影响解调精度的关键因素，为此本发明设计了一种基于代价函数的定时误差、频率误差及相位误差优化方法。当存在残留定时误差、频率误差与相位误差时，解调所得测量信号与理想参考信号之间关系可表示为如下关系

其中，Meas(t)表示测量信号，Ref_I、Ref_Q分别表示参考信号的I路与Q路，τ_d为残留的定时误差，f_d为残留载波频偏，

为残留相位误差，为此可通过构建代价函数，当测量信号与参考信号误差矢量幅度(EVM)最小时的定时误差、频率误差与相位误差即为需要的修正值：

其中，参考信号Ref(t)＝Ref_I(t)+jRef_Q(t)。

即，通过最小化测量信号与参考信号之间的误差矢量幅度，得到残留定时误差τ_d、残留载波频偏f_d和残留相位误差

并利用上述残留值可得针对采集IQ数据更为精确的定时误差估计

频偏估计

及相位估计

其中

分别由公式(4)、(5)、(8)得到，利用上述更为精确的估计值重新对采集IQ数据进行定时恢复、去载波频偏及相位修正，得到修正后的测量信号Meas'(kT)。由于比特流及参考信号前面已经得到，此处无需再利用修正后的测量信号进行星座点判决及比特流恢复。

步骤7、基于修正后的测量信号Meas'(kT)，结合参考信号计算测试指标(误差矢量幅度(EVM)、幅度误差、相位误差等)。

误差矢量幅度是数字通信系统中综合性衡量调制质量的重要指标，其计算是在得到测量信号及参考信号后，通过比较二者误差得到，作为反映整体调制性能的指标，其常用形式为均方根误差矢量幅度(RMS EVM)，公式如下：

其中，Meas'(kT)为修正后的测量信号，L如上文所述，为处理的数字调制信号符号个数。

除误差矢量幅度外，技术人员往往还分别关心信号幅度的变化及相位的变化，因此均方根幅度误差(RMS Magnitude Error)、均方根相位误差(RMS Phase Error)也是常关注指标：

以上指标反映了总体的误差矢量幅度、幅度误差、相位误差，但不能反映出这些误差的变化趋势，在有些场景误差矢量幅度、幅度误差、相位误差中的一项或几项会随着时间一直增大或变小，或某个时间点有突变，均方根误差矢量幅度、均方根幅度误差、均方根相位误差是不能反映出这些问题的，而这些现象往往非常有助于技术人员进行系统问题的定位，因此本发明提出了误差矢量幅度(EVM(kT))、幅度误差(Magnitude_Error(kT))和相位误差(Phase Error(kT))的计算，具体公式如下：

Phase Error(kT)＝|arg[Meas'(kT)]-arg[Ref(kT)]| (16)

步骤8：基于修正后的测量信号，结合参考信号，计算测试指标(原点偏移、增益不平衡和正交误差)。

原点偏移(IQ Offset)及IQ不匹配的分析。原点偏移反映的是载波直流的影响，IQ不匹配包括增益不平衡及正交误差，反映的是IQ两路调制的性能，但是这些误差项由于相互影响，往往难以进行测量。为此本发明首先分析误差产生机理，提出了一种原点偏移及IQ不匹配的联合计算方法。误差产生机理如图3所示，此时测量信号与参考信号的关系可用如下等式表示

Meas'(t)＝g_I×[Ref_I(t)+c_I]+j·g_Q×[Ref_Q(t)+c_Q]+n(t) (17)

其中，g_I、g_Q表示IQ不平衡的I路与Q路，c_I、c_Q表示原点偏移的实部与虚部，针对上述等式构建最大似然估计函数

F(g_I,g_Q,c_I,c_Q)＝min{|Meas'(t)-Ref(t)|²} (18)

将所有信号样本点代入，可得g_I、g_Q、c_I、c_Q的最优估计，在得到以上四个未知参数后，原点偏移计算为

增益不平衡计算为

正交误差计算为

由步骤7、8联合可以更加全面的实现对数字调制信号发射设备性能的衡量，丰富了测试的维度。

本发明通过输入IQ信号数据可实现数字调制信号发射设备性能的精确测量；基于代价函数的定时误差、频率误差及相位误差的精确估计方法，提高了测量精度及稳定性，使之更适合信号分析仪需求；提出了一种误差矢量幅度、幅度误差、相位误差的误差展示方法，可以展现EVM、幅度误差、相位误差随时间的变化关系，使技术人员更加清晰的观察误差产生的位置及原因，帮助技术人员进行测量及问题定位；基于最大似然模型提出了一种原点偏移、IQ不匹配的精确测量方法，使技术人员可定量分析数字调制信号发射设备IQ调制误差，实现了对数字调制信号发射设备性能的更全面分析。

本发明的解调精度高，可以满足后续误差参数精确测量的需求，进而可以真实反映发射设备性能；并具备丰富的性能评价功能，拓展了误差分析的维度，可以实现从多维度分析发射设备性能，同时设计了原点偏移及IQ不匹配的测量方法，进而实现帮助研发及生产人员进行指标测试及故障诊断的目的。

实施例二

本实施例提供了一种数字调制信号测试系统，其具体包括如下模块：

信号获取模块，其被配置为：获取数字调制信号；在获取数字调制信号时，如果数字调制信号为突发信号，需要计算突发信号的平均功率，并设置相应门限，检测突发信号的上升沿与下降沿，提取出上升沿与下降沿之间的中间部分数据，作为最终的数字调制信号；

信号恢复模块，其被配置为：对数字调制信号依次进行定时恢复、载波恢复和相位修正后，进行星座点的判决，并且恢复比特流，得到测量信号，并基于比特流生成参考信号；

信号修正模块，其被配置为：通过最小化测量信号与参考信号之间的误差矢量幅度，得到残留定时误差、残留载波频偏和残留相位误差，并重新对数字调制信号依次进行定时恢复、载波恢复和相位修正，得到修正后的测量信号；

测试指标计算模块，其被配置为：基于修正后的测量信号，结合参考信号，计算测试指标。

此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。

实施例三

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的一种数字调制信号测试方法中的步骤。

实施例四

本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的一种数字调制信号测试方法中的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种数字调制信号测试方法，其特征在于，包括：

获取数字调制信号；

对数字调制信号依次进行定时恢复、载波恢复和相位修正后，进行星座点的判决，并且恢复比特流，得到测量信号，并基于比特流生成参考信号；

通过最小化测量信号与参考信号之间的误差矢量幅度，得到残留定时误差、残留载波频偏和残留相位误差，并重新对数字调制信号依次进行定时恢复、载波恢复和相位修正，得到修正后的测量信号；

基于修正后的测量信号，结合参考信号，计算测试指标。

2.如权利要求1所述的一种数字调制信号测试方法，其特征在于，在获取数字调制信号时，如果数字调制信号为突发信号，需要计算突发信号的平均功率，并设置相应门限，检测突发信号的上升沿与下降沿，提取出上升沿与下降沿之间的中间部分数据，作为最终的数字调制信号。

3.如权利要求1所述的一种数字调制信号测试方法，其特征在于，所述定时恢复的具体步骤为：

对所述数字调制信号进行离散采样，得到采样序列；

对采样序列中的每个采样点进行平方变换得平方变换后的采样序列；

基于平方变换后的采样序列，计算定时误差；

在得到定时误差之后，采用插值算法对平方变换后的采样序列重新插值，得到定时误差恢复后的信号。

4.如权利要求3所述的一种数字调制信号测试方法，其特征在于，所述载波恢复的具体方法为采用载波频偏对所述定时误差恢复后的信号进行载波恢复，得到载波恢复后的信号。

5.如权利要求4所述的一种数字调制信号测试方法，其特征在于，所述相位修正的具体方法为通过最小化相位误差对所述载波恢复后的信号进行相位修正，得到相位修正后的信号。

6.如权利要求1所述的一种数字调制信号测试方法，其特征在于，所述测试指标包括误差矢量幅度、幅度误差、相位误差、原点偏移、增益不平衡和正交误差。

7.一种数字调制信号测试系统，其特征在于，包括：

信号获取模块，其被配置为：获取数字调制信号；

信号恢复模块，其被配置为：对数字调制信号依次进行定时恢复、载波恢复和相位修正后，进行星座点的判决，并且恢复比特流，得到测量信号，并基于比特流生成参考信号；

信号修正模块，其被配置为：通过最小化测量信号与参考信号之间的误差矢量幅度，得到残留定时误差、残留载波频偏和残留相位误差，并重新对数字调制信号依次进行定时恢复、载波恢复和相位修正，得到修正后的测量信号；

测试指标计算模块，其被配置为：基于修正后的测量信号，结合参考信号，计算测试指标。

8.如权利要求7所述的一种数字调制信号测试系统，其特征在于，所述信号获取模块，还被配置为：在获取数字调制信号时，如果数字调制信号为突发信号，需要计算突发信号的平均功率，并设置相应门限，检测突发信号的上升沿与下降沿，提取出上升沿与下降沿之间的中间部分数据，作为最终的数字调制信号。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的一种数字调制信号测试方法中的步骤。

10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6中任一项所述的一种数字调制信号测试方法中的步骤。

Images