CN114531164B - 一种发射机、接收机和信号收发机以及与其对应的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种接收机，其包括：信号接收模块，其用于接收第一测试信号以获得第一测试接收信号，并且在完成接收所述第一测试信号后的预定时间段后接收第二测试信号以获得第二测试接收信号；以及计算模块，其基于所述第一测试接收信号和所述第二测试接收信号计算校准参数，以用于校准接收的射频通信信号。
Description
技术领域
本发明涉及数控技术领域，尤其涉及一种发射机、接收机和信号收发机以及与其对应的方法。
背景技术
为了消除在射频接收机中由于IQ两路混频器失配而产生的镜像干扰信号，需要使用射频发射机向射频接收机发送测试信号，以便由射频接收机估计校准参数并且基于校准参数来校准射频通信信号。在本文中，射频通信信号是指由射频接收机在利用测试信号校准后接收的、用于承载实际通信信息的射频信号。
然而，射频发射机始终存在着一定的残余误差。这些残余误差会产生一定的干扰信号并掺杂在测试信号中。现有技术无法有效消除掺杂在测试信号中的干扰信号造成的不利影响，从而在射频接收机端对与IQ两路混频器失配相关的失配参数进行估计时造成估计精度的明显下降，进而无法在射频通信信号中高精度地消除由于IQ两路混频器失配而产生的镜像干扰信号。
发明内容
为有效解决相关技术问题，本发明的实施例提供了一种高精度地消除因射频接收机IQ两路混频器失配而产生的镜像干扰信号的信号收发机及方法。
本发明的一个方面公开了一种接收机，其可以包括：信号接收模块，其用于接收第一测试信号以获得第一测试接收信号，并且在完成接收所述第一测试信号后的预定时间段后接收第二测试信号以获得第二测试接收信号；以及计算模块，其基于所述第一测试接收信号和所述第二测试接收信号计算校准参数，以用于校准接收的射频通信信号。
计算模块可以用于：分别对所述第一测试接收信号和所述第二测试接收信号进行平方运算和求均值运算以分别获得第一均值和第二均值；分别计算所述第一测试接收信号的两倍的实部和所述第二测试接收信号的两倍的实部以分别获得第一实部和第二实部，并且分别对所述第一实部和所述第二实部进行平方运算和求均值运算以分别获得第三均值和第四均值；将所述第一均值和所述第二均值的总和除以所述第三均值和所述第四均值的总和，以获得中间校准参数；以及基于以下公式计算所述校准参数：
其中，β/α*为所述校准参数，αβ为所述中间校准参数。
计算模块还可以用于：在分别对所述第一测试接收信号和所述第二测试接收信号进行平方运算和求均值运算以分别获得第一均值和第二均值之前，将所述第一测试接收信号和所述第二测试接收信号的直流分量去除；在分别计算所述第一测试接收信号的两倍的实部和所述第二测试接收信号的两倍的实部以分别获得第一实部和第二实部，并且分别对所述第一实部和所述第二实部进行平方运算和求均值运算以分别获得第三均值和第四均值之前，将所述第一测试接收信号和所述第二测试接收信号的直流分量去除。
接收机还可以包括校准模块，其用于基于所述校准参数来校准所述接收机接收到的射频通信信号以获得经校准的射频通信信号。
校准模块还用于在所述射频通信信号中去除所述校准参数与所述射频通信信号的共轭的乘积，以获得所述经校准的射频通信信号。
第一测试信号和第二测试信号的区别可以在于：在所述第一测试信号和所述第二测试信号之间存在相位差，所述相位差优选为90度。
本发明的另一个方面公开了一种发射机，其包括：信号发射模块，其用于发送第一测试信号，并且在完成发送所述第一测试信号后的预定时间段后发送第二测试信号。
本发明的另一个方面公开了一种信号收发机，其包括根据本发明实施例的接收机和根据本发明实施例的发射机，所述接收机与所述发射机通过开关连接，当所述开关接通所述接收机和所述发射机时，将所述发射机发送的第一测试信号作为所述接收机接收的第一测试信号，且将所述发射机发送的第二测试信号作为所述接收机接收的第二测试信号。
本发明的又一个方面公开了一种用于接收信号的方法，包括：通过接收机接收第一测试信号以获得第一测试接收信号，并且在完成接收所述第一测试信号后的预定时间段后接收第二测试信号以获得第二测试接收信号；以及基于所述第一测试接收信号和所述第二测试接收信号计算校准参数，以用于校准接收的射频通信信号。
基于所述第一测试接收信号和所述第二测试接收信号计算校准参数可以包括：(1)分别对所述第一测试接收信号和所述第二测试接收信号进行平方运算和求均值运算，以分别获得第一均值和第二均值；(2)分别计算所述第一测试接收信号的两倍的实部和所述第二测试接收信号的两倍的实部以分别获得第一实部和第二实部，并且分别对所述第一实部和所述第二实部进行平方运算和求均值运算，以分别获得第三均值和第四均值；(3)将所述第一均值和所述第二均值的总和除以所述第三均值和所述第四均值的总和，以获得中间校准参数；(4)基于以下公式计算所述校准参数：
其中，β/α*为所述校准参数，αβ为所述中间校准参数。
基于所述第一测试接收信号和所述第二测试接收信号计算校准参数还可以包括：(5)在所述步骤(1)和所述步骤(2)之前，将所述第一测试接收信号和所述第二测试接收信号的直流分量去除。
该用于接收信号的方法还可以包括：基于所述校准参数来校准所述接收机接收到的射频通信信号以获得经校准的射频通信信号。
该基于所述校准参数来校准所述接收机接收到的射频通信信号以获得经校准的射频通信信号可以包括：在所述射频通信信号中去除所述校准参数与所述射频通信信号的共轭的乘积，以获得所述经校准的射频通信信号。
本发明的又一个方面公开了一种用于发送信号的方法，其包括：通过发射机发送第一测试信号，并且在完成发送所述第一测试信号后的预定时间段后发送第二测试信号。
第一测试信号和第二测试信号的区别可以在于：在所述第一测试信号和所述第二测试信号之间存在相位差，所述相位差优选为90度。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
图1示出了根据本发明一个实施例的用于消除镜像干扰信号的信号收发机的示意性框图。
图2示出了根据本发明一个实施例的在射频接收机端处执行的用于接收信号的方法的示意性流程图。
图3示出了根据本发明一个实施例的用于消除镜像干扰信号的方法的示意性总体流程图。
具体实施方式
下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在通信的过程中，在接收机端接收到的射频信号在复数域(I/Q平面)可以用以下复函数表示：
上式中s(t)是复基带信号，f0是本地振荡器频率，fIF是中频信号频率。
相应的，会造成干扰的镜像干扰信号可以表示为：
包含了射频接收机I路混频器及Q路混频器失配影响的模拟本地振荡器信号可以表示为：
上式中g代表I路混频器及Q路混频器的幅度失配，θ代表相位失配。经过混频及低通滤波后，中频信号可以表示为：
现做如下定义：
公式(4)可以改写为：
中频信号通过模拟数字转换器转化为数字信号后，再经过数字混频及数字低通滤波转化为基带信号后，得到的基带信号可以表示为：
rBB(n)＝αs(n)+βi*(n). (8)
上式中βi*(n)是因射频接收机I路混频器及Q路混频器失配而产生的镜像干扰信号。如果接收机采用零中频技术，得到的基带信号可以表示为：
rBB(n)＝αs(n)+βs*(n). (9)
也就是说，对于零中频接收机，因射频接收机I路混频器及Q路混频器失配而产生的镜像干扰信号就是原信号的共轭乘以β。无论采用低中频接收机还是零中频接收机，因射频接收机IQ两路混频器失配而产生的镜像干扰信号都可以通过以下公式(10)体现的校准操作予以消除：
为了估计校准参数β/α*，需要从射频发射机向射频接收机发送以下复数单频基带测试信号：
上式中fb是射频发射机所发射的复数单频基带测试信号的频率，fs是射频接收机对单频基带信号的采样频率。这样，经过射频发射机的IQ两路混频器后，我们会得到这样的射频单频测试信号：
b(t)＝cos[2π(f0+fb)t]. (12)
上式中b(t)的幅度和相位不会影响我们估计β/α*，所以我们可以假设其幅度是1，相位是0度。但在我们得到b(t)的同时，由于射频发射机存在着校准后的残余误差，我们也会得到另一个射频单频干扰信号：
q(t)＝Aqcos[2π(f0-fb)t+φ]. (13)
上式中由于残余误差造成的干扰信号的幅度Aq是一个很小的常数，但不等于零；残余误差造成的干扰信号的相位φ对估计β/α*没有影响。
当测试信号b(t)和干扰信号q(t)一起被送到射频接收机，根据公式(8)，我们会得到以下基带信号：
如果将r(n)平方，并求平方后信号的均值(即提取平方后信号的直流分量)，将们会得到：
同时，如果我们平方2r(n)的实部，并求平方后信号的均值，我们会得到：
根据公式(5)和(6)，
α+β*＝α*+β＝1. (17)
所以，公式(16)可简化为：
如果Aq＝0，公式(15)和(18)可以简化为：
因此，可以获得中间校准参数αβ：
最后，β/α*的值可以从下式中得到。
然而，因为Aq不为零，按公式(21)得到的αβ的精度受到限制，使估计β/α*的精度无法提高，进而使按公式(10)进行的消除因射频接收机IQ两路混频器失配而产生的镜像干扰信号的校准操作很难满足某些高标准应用场景下对高精度的需求。
对此，本发明提出了一种基于数字信号处理技术的新方法来提高计算αβ的精度，即使Aq不为零，中间校准参数αβ的计算精度也不会下降。在这个新方法中，除了生成和发送测试信号b(n)以外，我们还生成并发送了另一个复数单频基带测试信号：
在一些实施例中，这个复数单频基带测试信号与b(n)有90度的相位差(相位差是正90度还是负90度对本方法没有影响，这里仅以负90度为例)。当ba(n)经过射频发射机的IQ两路混频器后，我们会得到这样的射频单频测试信号：
在得到ba(t)的同时，由于射频发射机存在着校准后的残余误差，也会得到另一个射频单频干扰信号：
当测试信号ba(t)和干扰信号qa(t)一起被送到射频接收机，根据公式(8)，将会得到以下基带信号：
如果将ra(n)平方，并求在平方运算后信号的均值，将会得到：
同时，如果对2ra(n)的实部进行平方，并求在平方运算后信号的均值，将会得到：
将公式(15)和(27)加在一起，将会得到：
将公式(18)和公式(28)加在一起，将会得到：
这样，从以下公式我们能够准确计算中间校准参数αβ的值，即使Aq不为零，αβ的计算精度也不会下降：
以上内容是本发明所提出的用于消除镜像干扰信号的方案的原理。
本发明提出了一种用于消除镜像干扰信号的信号收发机。图1示出了该信号收发机的示意性框图。如图1所示，该信号收发机包括射频发射机(也称“发射机”)100和射频接收机(也称“接收机”)200。如图1所示，在执行校准操作时，发射机100与接收机200通过开关切换而直接连接，从而接收机200能够从发射机100接收测试信号。
发射机100可以包括信号发射模块101。信号发射模块101可以用于发送第一测试信号，并且在完成发送第一测试信号后的预定时间段后第二测试信号。在一些实施例中，在第一测试信号和第二测试信号之间可以存在相位差。优选地，相位差为90度。
接收机200可以包括信号接收模块201。信号接收模块201可以用于接收第一测试信号以获得第一测试接收信号，并且在完成接收第一测试信号后的预定时间段后接收第二测试信号以获得第二测试接收信号。在一些实施例中，在第一测试信号和第二测试信号之间可以存在相位差。优选地，相位差为90度。
接收机200还可以包括计算模块202。计算模块202可以基于第一测试接收信号和第二测试接收信号计算校准参数，以用于校准接收的射频通信信号。在一些实施例中，计算模块可以用于：分别对第一测试接收信号和第二测试接收信号进行平方运算和求均值运算以分别获得第一均值和第二均值；分别计算第一测试接收信号的两倍的实部和第二测试接收信号的两倍的实部以分别获得第一实部和第二实部，并且分别对第一实部和第二实部进行平方运算和求均值运算以分别获得第三均值和第四均值；将第一均值和第二均值的总和除以第三均值和第四均值的总和，以获得中间校准参数；以及基于上述公式(22)计算校准参数。在一些实施例中，计算模块还可以用于：在分别对第一测试接收信号和第二测试接收信号进行平方运算和求均值运算以分别获得第一均值和第二均值之前，将所述第一测试接收信号和所述第二测试接收信号的直流分量去除；以及在分别计算第一测试接收信号的两倍的实部和第二测试接收信号的两倍的实部以分别获得第一实部和第二实部，并且分别对第一实部和第二实部进行平方运算和求均值运算以分别获得第三均值和第四均值之前，将第一测试接收信号和第二测试接收信号的直流分量去除。
接收机200还可以包括校准模块203。校准模块203可以用于基于校准参数来校准接收机200接收到的射频通信信号以获得经校准的射频通信信号。具体而言，校准模块203可以用于在所述射频通信信号中去除所述校准参数与所述射频通信信号的共轭的乘积，以获得所述经校准的射频通信信号。
图2示出了根据本发明的一个实施例的在射频接收机端处执行的用于接收信号的方法的示意性流程图。如图2所示，该方法包括如下步骤：
步骤S301：通过接收机200接收第一测试信号以获得第一测试接收信号，并且在完成接收第一测试信号后的预定时间段后接收第二测试信号以获得第二测试接收信号。
步骤S302：通过计算模块202将第一测试接收信号和第二测试接收信号的直流分量去除。
步骤S303：通过计算模块202分别对第一测试接收信号和第二测试接收信号进行平方运算和求均值运算，以分别获得第一均值和第二均值。
步骤S304：通过计算模块202分别计算第一测试接收信号的两倍的实部和第二测试接收信号的两倍的实部以分别获得第一实部和第二实部，并且对所述第一实部和第二实部进行平方运算和求均值运算，以分别获得第三均值和第四均值。
步骤S305：通过计算模块202将第一均值和第二均值的总和除以第三均值和第四均值的总和，以获得中间校准参数αβ。
步骤S306：通过计算模块202基于公式(22)计算校准参数β/α*。
步骤S307：通过校准模块203在射频通信信号中去除校准参数β/α*与射频通信信号的共轭的乘积，以获得经校准的射频通信信号。
图3示出了根据本发明一个实施例的用于消除镜像干扰信号的方法的示意性总体流程图。该方法的总体流程具体包括如下步骤：
步骤S401：射频发射机可以生成复数单频基带测试信号并从t＝0时刻开始射频发射机向射频接收机发送该复数单频基带测试信号。
步骤S402：待射频接收机收到的信号稳定后，射频接收机可以从t＝τ1时刻开始采集KN个复数单频基带测试信号采样点r(n)。这里N＝fs/fb，K是一个正整数。K越大抗随机噪声能力越强，但校准时间也就越长。在一些实施例中，K的取值可以为1至100。优选地，K可以为1至10。
步骤S403：射频接收机可以消除r(n)中因射频接收机的非理想因素产生的直流分量：
步骤S404：射频接收机可以在消除直流分量后，计算的值：
及的值：
步骤S405：射频发射机可以生成并例如从t＝τ1+KNTs时刻开始向射频接收机发送该信号。
步骤S406：待射频接收机收到的信号稳定后，射频接收机可以例如从t＝2τ1+KNTs时刻开始采集KN个复数单频基带测试信号采样点ra(n)。
步骤S407：射频接收机可以消除ra(n)中因射频接收机的非理想因素产生的直流分量：
步骤S408：射频接收机可以在消除直流分量后，计算的值：
及的值：
步骤S409：射频接收机可以根据公式(31)计算αβ并且根据公式(22)计算β/α*。
步骤S410：射频接收机可以根据公式(10)校准在射频接收机中消除因为IQ两路混频器失配而产生的镜像干扰信号。
本发明还相应地提出了一种消除镜像干扰信号的信号收发机。该信号收发机包括能实现消除镜像干扰信号的方法的各步骤的不同构成模块/组件。该信号收发机能够在射频发射机端先后发送多个不同的测试信号。这些测试信号的幅度相同，但相位不同，且有固定的相位关系，例如，b(n)和ba(n)之间的相位关系是相差90度。
该信号收发机还能够在射频接收机端将多个不同的测试信号的处理结果按一定的数学运算组合在一起(例如，将多个不同的测试信号的处理结果加在一起)，以便达到准确估计IQ两路混频器的失配参数(包括幅度失配参数和相位失配参数)并消除掺杂在测试信号中的干扰信号的效果，从而进一步高精度地消除在射频接收机中因为IQ两路混频器失配而产生的镜像干扰信号。
本发明所提出的方案能够在不改变或不显著改变射频发射机和射频接收机的结构的情况下，高精度地消除由于IQ两路混频器失配而产生的镜像干扰信号。相对于传统的消除镜像干扰信号的方法，本发明的方法能够将消除镜像干扰信号的精度提高至少一个数量级。例如，幅度失配可以精确到0.998至1.002之间甚至更好，相位失配可以精确到±0.2度甚至更好。
根据需要，本发明各实施例的系统、方法和装置可以实现为纯粹的软件(例如用Java来编写的软件程序)，也可以根据需要实现为纯粹的硬件(例如专用ASIC芯片或FPGA芯片)，还可以实现为结合了软件和硬件的系统(例如存储有固定代码的固件系统或者带有通用存储器和处理器的系统)。
此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
应当注意，尽管在上文的详细描述中提及了实现上述方法的若干软件装置/模块及子装置/模块，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多装置的特征和功能可以在一个装置/模块中具体化。反之，上文描述的一个装置/模块的特征和功能可以进一步划分为由多个装置/模块来具体化。
虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合以进行受益，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。
Claims (15)
1.一种接收机，其包括：
信号接收模块，其用于接收第一测试信号以获得第一测试接收信号，并且在完成接收所述第一测试信号后的预定时间段后接收第二测试信号以获得第二测试接收信号；和
计算模块，其基于所述第一测试接收信号和所述第二测试接收信号计算校准参数，以用于校准接收的射频通信信号，
其中，所述计算模块用于：
(a)对所述第一测试接收信号先进行平方运算、再将经平方运算获得的第一结果进行求均值运算以获得第一均值，并且，对所述第二测试接收信号先进行平方运算、再将经平方运算获得的第二结果进行求均值运算以获得第二均值；
(b)分别计算所述第一测试接收信号的两倍的实部和所述第二测试接收信号的两倍的实部以分别获得第一实部和第二实部，并且对所述第一实部先进行平方运算、再将经平方运算获得的第三结果进行求均值运算以获得第三均值且对所述第二实部先进行平方运算、再将经平方运算获得的第四结果进行求均值运算以获得第四均值；
(c)将所述第一均值和所述第二均值的总和除以所述第三均值和所述第四均值的总和，以获得中间校准参数；和
(d)基于以下公式计算所述校准参数：
其中，β/α*为所述校准参数，αβ为所述中间校准参数。
2.根据权利要求1所述的接收机，所述计算模块还用于：
在执行操作(a)之前，将所述第一测试接收信号和所述第二测试接收信号的直流分量去除；和
在执行操作(b)之前，将所述第一测试接收信号和所述第二测试接收信号的直流分量去除。
3.根据权利要求1所述的接收机，其还包括校准模块，其用于基于所述校准参数来校准所述接收机接收到的射频通信信号以获得经校准的射频通信信号。
4.根据权利要求3所述的接收机，其中，所述校准模块用于在所述接收到的射频通信信号中去除所述校准参数与所述接收到的射频通信信号的共轭的乘积，以获得所述经校准的射频通信信号。
5.根据权利要求1所述的接收机，其中，所述第一测试信号和所述第二测试信号的区别在于：在所述第一测试信号和所述第二测试信号之间存在相位差，所述相位差为90度。
6.一种发射机，其包括：
信号发射模块，其用于向根据权利要求1至5中任一项所述的接收机发送第一测试信号，并且在完成发送所述第一测试信号后的预定时间段后向所述接收机发送第二测试信号。
7.根据权利要求6所述的发射机，其中，所述第一测试信号和所述第二测试信号的区别在于：在所述第一测试信号和所述第二测试信号之间存在相位差，所述相位差为90度。
8.一种信号收发机，其包括根据权利要求1-5中任一项所述的接收机和根据权利要求6-7中任一项所述的发射机，所述接收机与所述发射机通过开关连接，当所述开关接通所述接收机和所述发射机时，将所述发射机发送的第一测试信号作为所述接收机接收的第一测试信号，且将所述发射机发送的第二测试信号作为所述接收机接收的第二测试信号。
9.一种用于接收信号的方法，包括：
通过接收机接收第一测试信号以获得第一测试接收信号，并且在完成接收所述第一测试信号后的预定时间段后接收第二测试信号以获得第二测试接收信号；和
基于所述第一测试接收信号和所述第二测试接收信号计算校准参数，以用于校准接收的射频通信信号，
其中，所述基于所述第一测试接收信号和所述第二测试接收信号计算校准参数包括：
(1)对所述第一测试接收信号先进行平方运算、再将经平方运算获得的第一结果进行求均值运算以获得第一均值，并且对所述第二测试接收信号先进行平方运算、再将经平方运算获得的第二结果进行求均值运算以获得第二均值；
(2)分别计算所述第一测试接收信号的两倍的实部和所述第二测试接收信号的两倍的实部以分别获得第一实部和第二实部，并且对所述第一实部先进行平方运算、再将经平方运算获得的第三结果进行求均值运算以获得第三均值且对所述第二实部先进行平方运算、再将经平方运算获得的第四结果进行求均值运算以获得第四均值；
(3)将所述第一均值和所述第二均值的总和除以所述第三均值和所述第四均值的总和，以获得中间校准参数；和
(4)基于以下公式计算所述校准参数：
其中，β/α*为所述校准参数，αβ为所述中间校准参数。
10.根据权利要求9所述的用于接收信号的方法，其中，所述基于所述第一测试接收信号和所述第二测试接收信号计算校准参数还包括：
(5)在所述步骤(1)和所述步骤(2)之前，将所述第一测试接收信号和所述第二测试接收信号的直流分量去除。
11.根据权利要求9所述的用于接收信号的方法，其还包括：
基于所述校准参数来校准所述接收机接收到的射频通信信号以获得经校准的射频通信信号。
12.根据权利要求11所述的用于接收信号的方法，其中，基于所述校准参数来校准所述接收机接收到的射频通信信号以获得经校准的射频通信信号包括：
在所述接收到的射频通信信号中去除所述校准参数与所述接收到的射频通信信号的共轭的乘积，以获得所述经校准的射频通信信号。
13.根据权利要求9所述的用于接收信号的方法，其中，所述第一测试信号和所述第二测试信号的区别在于：在所述第一测试信号和所述第二测试信号之间存在相位差，所述相位差为90度。
14.一种用于发送信号的方法，包括：
通过发射机向采用根据权利要求9至13中任一项所述方法的接收机发送第一测试信号，并且在完成发送所述第一测试信号后的预定时间段后向所述接收机发送第二测试信号。
15.根据权利要求14所述的用于发送信号的方法，其中，所述第一测试信号和所述第二测试信号的区别在于：在所述第一测试信号和所述第二测试信号之间存在相位差，所述相位差为90度。
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