CN114509972A - 一种模拟信号接收通道延迟测量装置及测量方法 - Google Patents

一种模拟信号接收通道延迟测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟信号接收通道延迟测量装置及测量方法，属于射频接收记录领域。本发明装置包括信号发生器和射频记录仪；信号发生器与射频记录仪通过一根电缆进行连接。本发明测量精度高，测量误差在1个采样周期时间内；满足通用射频记录仪通道延迟时间测量，不针对特定接收机，无需特定信号发生器；测试连接简单，同时消除外部触发电缆连接带来的误差，只有一个射频连接；满足可变带宽通道的延迟时间测量。

Description

一种模拟信号接收通道延迟测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于射频接收记录领域，具体涉及一种模拟信号接收通道延迟测量装置及测量方法。
背景技术
在射频记录仪中，模拟信号从射频记录仪输入端口输入后经过模拟信号调理、模数转换后转变为数字信号，数字信号加上对应的信号接收时间，形成完整的接收信号记录数据。我们可以直接获得数字信号记录时刻对应的时间，在大部分场合，可以直接使用数字信号记录时刻对应的时间作为信号接收的时间，而忽略射频记录仪调理通道以及模数转换器的延迟。为了满足记录数据更广泛的应用要求，数字信号必须使用模拟信号到达输入端口的时间，但是我们只能获得数字信号记录时刻对应的时间，而不是信号到达射频记录仪输入端口的时间，因而通过测量模拟信号到达输入端口至数字信号记录时刻的延迟，再根据数字信号记录时刻对应的时间计算出模拟信号到达输入端口的时间。
现有技术方案如图1所示，所述接收机包括FPGA、数字信号处理器和内置的时钟脉冲器，FPGA用于对基带数字信号进行同步和解调输出IQ数据，数字信号处理器用于对IQ数据进行信号处理，时钟脉冲源为FPGA以及外部信号信号发生器提供时钟脉冲。到达WiMAX接收机输入端口的信号要经过RXD才能达到FPGA，WiMAX无线信号帧头在5ms脉冲时送到WiMAX接收机输入端口，则FPGA好在5ms脉冲后延迟RXD的时刻收到帧头数据，测量得到的FPGA接收帧头数据的采样点位置，然后将该采样点位置再除以FPGA采样频率就能计算得到RXD。
现有技术存在以下几个方面的问题：
1)必须使用具有帧格式的调制信号，且接收机内部FPGA能够解调相应的信号，如WiMAX无线信号帧头起始时刻送到WiMAX接收机输入端口，只有解调后才能得到WiMAX无线信号帧头到达FPGA的时刻。
2)内部测量精度不足，误差达到百ns级，如触发信号电缆误差，信号源的触发到输出端口的时间，采样点判别误差等累积后，误差在400ns内。
3)适应于带宽固定的信号通道延迟时间测量，不能适应信号带宽的变化，如信号发生器输出信号带宽大于接收通道带宽，会导致无法测量。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种模拟信号接收通道延迟测量装置及测量方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种模拟信号接收通道延迟测量装置，包括信号发生器和射频记录仪；信号发生器与射频记录仪通过一根电缆进行连接；
信号发生器，被配置为用于产生不同频率的射频信号，射频信号无需调制，为正弦连续波，频率对应射频记录仪的接收频率；
射频记录仪，包括调制信号发生单元、开关调制单元以及FPGA；
调制信号发生单元，被配置为用于产生调制信号，能够产生模拟信号与数字信号，模拟信号进入开关调制单元，数字信号进入FPGA；
开关调制单元，被配置为用于对射频记录仪的输入端口进入的射频信号进行幅度调制，模拟信号为高电平时开关调制导通，模拟信号为低电平时开关调制关断；
FPGA，被配置为用于对输入的数字信号和IQ数据进行处理，得到延迟时间。
优选地，FPGA用于进行数字信号处理，内部信号全部为数字格式信号；FPGA包括幅度解调单元、数字鉴相单元、数字滤波单元、误差修正单元和定标单元；
幅度解调单元对输入的IQ数据取模后输出，与数字调制信号同步进入数字鉴相单元进行数字鉴相，数字鉴相后的数字鉴相输出信号进入数字滤波单元进行数字滤波，数字滤波后的数字滤波输出信号进入定标单元进行定标，定标后的量化延迟时间定标输出信号进入误差修正单元进行误差修正，误差修正后输出即为延迟时间。
此外，本发明还提到一种模拟信号接收通道延迟测量方法，该方法采用如上所述的一种模拟信号接收通道延迟测量装置，具体包括如下步骤；
步骤1：通过信号发生器产生不同频率的射频信号；
步骤2：通过调制信号发生单元，产生模拟信号与数字信号，模拟信号进入开关调制单元，数字信号进入FPGA；
步骤3：通过开关调制单元，对射频信号进行幅度调制，模拟信号为高电平时开关调制导通，模拟信号为低电平时开关调制关断；
步骤4：通过幅度解调单元对输入的IQ数据取模后输出幅度解调输出信号；
步骤5：幅度解调输出信号与数字调制信号同步进入数字鉴相单元进行数字鉴相；
步骤6：数字鉴相后的数字鉴相输出信号进入数字滤波单元进行数字滤波；
步骤7：数字滤波后的数字滤波输出信号进入定标单元进行定标；
步骤8：定标后的量化延迟时间定标输出信号进入误差修正单元进行误差修正；
步骤9：得到最终的延迟时间测量值。
本发明所带来的有益技术效果：
1)测量精度高，测量误差在1个采样周期时间内；
2)满足通用射频记录仪通道延迟时间测量，不针对特定接收机，无需特定信号发生器；
3)测试连接简单，同时消除外部触发电缆连接带来的误差，只有一个射频连接；
4)满足可变带宽通道的延迟时间测量；
5)采用调制信号发生器电路替代原来的脉冲触发方式，测试信号连续输入，可适应射频记录仪可变带宽的测量通道；
6)调制信号发生器电路产生的调制信号周期可控，通过控制调制信号周期可实现不同测量范围与测量精度的延迟时间测量；
7)采用内置调制信号发生器电路和开关调制电路，无需外部信号发生器输出特定格式的信号，以及内部对特定格式信号的解调要求，满足对通用射频记录仪的通道延迟时间测量要求；
8)采用数字鉴相与数字滤波对延时时间进行量化测量，而不是直接记录采样点进行计数测试，其测量精度大大提升。
附图说明
图1为现有技术方案图；
图2为本发明装置的连接示意图；
图3为射频记录仪的内部原理图；
图4为FPGA的内部原理图；
图5为本发明各信号之间的关系图；
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
本发明针对通用射频记录仪的延迟时间测量，连接简单，如图2所示。信号发生器与射频记录仪通过一根电缆进行连接，信号发生器用于产生不同频率的射频信号，射频信号无需调制，为正弦连续波，频率对应射频记录仪的接收频率。
射频记录仪的内部原理如图3所示。
射频记录仪主要包括三个电路单元，分别是调制信号发生、开关调制、FPGA。调制信号发生主要产生调制信号，可产生模拟信号与数字信号两路信号，模拟信号进入开关调制，数字信号进入FPGA。开关调制对射频记录仪输入端口进入的射频信号进行幅度调制，模拟信号高电平时开关调制导通，模拟信号低电平时开关调制关断。FPGA主要对输入的数字信号和IQ数据进行处理，得到延迟时间。
FPGA的内部原理如图4所示。
FPGA主要为数字信号处理，内部信号全部为数字格式信号。FPGA内部主要包括幅度解调、数字鉴相、数字滤波、误差修正、定标5个处理单元。幅度解调单元对输入的IQ数据取模后输出，与数字调制信号同步进入数字鉴相单元进行数字鉴相，数字鉴相后的数字鉴相输出信号进入数字滤波单元进行数字滤波，数字滤波后的数字滤波输出信号进入定标单元进行定标，定标后的量化延迟时间定标输出信号进入误差修正单元进行误差修正，误差修正后输出即为延迟时间。
图3的模拟调制信号①、数字调制信号②与图4中的幅度解调输出信号③、数字鉴相输出信号④、数字滤波输出信号⑤之间的关系如图5所示。
如图5，模拟调制信号①和数字调制信号②为完全同步的信号，模拟调制信号为模拟格式信号，数字调制信号为数字格式信号。开关调制的输出信号经过射频记录仪模拟通道，再经过模数转换等转换为IQ数据，IQ数据为数字格式的信号，进入FPGA后经过幅度解调单元解调输出幅度解调输出信号③，幅度解调输出信号③与数字调制信号之间的延迟即为延迟时间。数字调制信号②与幅度解调输出信号③同步进入数字鉴相单元，数字鉴相输出信号④如图5中，延迟时间决定数字鉴相输出信号④脉冲的宽度，延迟时间越长，数字鉴相输出信号④脉冲的宽度越宽。数字鉴相输出信号④再进入数字滤波单元，进行平滑滤波，数字滤波输出信号⑤经过一段时间后输出信号接近固定值，该固定值即为量化延迟时间，延迟时间越长，量化延迟时间电压值越大，量化延迟时间与延迟时间具有线性关系。
数字滤波输出的量化延迟时间并不是真实的延迟时间，定标单元主要根据量化延迟时间和延时时间的线性关系进行转换，得到对应的延迟时间数值。
从图3中可以看出开关调制单元的调制时间、模拟调制信号与数字调制信号传输的时间差会引入系统误差，图4中幅度解调单元的解调时间也会引入系统误差，因此需要对上述系统误差进行修正，即图4中的误差修正单元，在定标单元输出的信号上加上误差值，即得到最终的延迟时间测量值。误差修正后测量精度在1个采样周期时间内。
上述调制信号发生器的调制信号周期可设置，调制信号周期越大，测量的范围越大，调制信号周期越小，测量的分辨率越高。
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 (3)

1.一种模拟信号接收通道延迟测量装置，其特征在于：包括信号发生器和射频记录仪；信号发生器与射频记录仪通过一根电缆进行连接；
信号发生器，被配置为用于产生不同频率的射频信号，射频信号无需调制，为正弦连续波，频率对应射频记录仪的接收频率；
射频记录仪，包括调制信号发生单元、开关调制单元以及FPGA；
调制信号发生单元，被配置为用于产生调制信号，能够产生模拟信号与数字信号，模拟信号进入开关调制单元，数字信号进入FPGA；
开关调制单元，被配置为用于对射频记录仪的输入端口进入的射频信号进行幅度调制，模拟信号为高电平时开关调制导通，模拟信号为低电平时开关调制关断；
FPGA，被配置为用于对输入的数字信号和IQ数据进行处理，得到延迟时间。
2.根据权利要求1所述的模拟信号接收通道延迟测量装置，其特征在于：FPGA用于进行数字信号处理，内部信号全部为数字格式信号；FPGA包括幅度解调单元、数字鉴相单元、数字滤波单元、误差修正单元和定标单元；
幅度解调单元对输入的IQ数据取模后输出，与数字调制信号同步进入数字鉴相单元进行数字鉴相，数字鉴相后的数字鉴相输出信号进入数字滤波单元进行数字滤波，数字滤波后的数字滤波输出信号进入定标单元进行定标，定标后的量化延迟时间定标输出信号进入误差修正单元进行误差修正，误差修正后输出即为延迟时间。
3.一种模拟信号接收通道延迟测量方法，其特征在于：采用如权利要求2所述的一种模拟信号接收通道延迟测量装置，具体包括如下步骤；
步骤1：通过信号发生器产生不同频率的射频信号；
步骤2：通过调制信号发生单元，产生模拟信号与数字信号，模拟信号进入开关调制单元，数字信号进入FPGA；
步骤3：通过开关调制单元，对射频信号进行幅度调制，模拟信号为高电平时开关调制导通，模拟信号为低电平时开关调制关断；
步骤4：通过幅度解调单元对输入的IQ数据取模后输出幅度解调输出信号；
步骤5：幅度解调输出信号与数字调制信号同步进入数字鉴相单元进行数字鉴相；
步骤6：数字鉴相后的数字鉴相输出信号进入数字滤波单元进行数字滤波；
步骤7：数字滤波后的数字滤波输出信号进入定标单元进行定标；
步骤8：定标后的量化延迟时间定标输出信号进入误差修正单元进行误差修正；
步骤9：得到最终的延迟时间测量值。
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