CN116208224B - 一种高速基带设备多普勒频率变化率的校准装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高速基带设备多普勒频率变化率的校准装置和方法。本发明基于多普勒频率产生原理和卫星运动轨迹具有周期性的特点，通过分别对最大多普勒频偏和多普勒频率扫描周期(以下简称扫描周期)校准后，再通过计算合成得到多普勒频率变化率参数。本发明提供的多普勒频率变化率的校准装置包含最大多普勒频偏校准单元、扫描周期校准单元及多普勒频率变化率合成单元，硬件组成包含频谱分析仪、示波器和计算机。本发明解决了动态多普勒频率参数的准确校准以及量值溯源问题，算法简单、校准效率高，误差小，测量结果准确度高、测量设备可溯源性好，校准流程清晰，校准方法的可操作性强。
Description
技术领域
本发明涉及无线电电子学技术领域，特别涉及一种高速基带设备多普勒频率变化率的校准装置和方法。
背景技术
卫星沿轨道绕地球高速运动，如图1所示。卫星通信在高速环境中，由相对运动速度引起多普勒效应，产生多普勒频率偏移。低轨卫星对于地面静止目标本身存在极高的相对运动速度，对于高动态通信链路，较高的相对运动速度反映到信号层面则表现为强多普勒效应，即接收信号存在较大的载波频率偏移。另一方面，由于通信卫星绕地心作圆周运动，故其与通信目标载体的径向速度是时变的，随之产生的载波多普勒频偏也具有时变特性，即载波频偏具有一定的高阶变化的特点，通常用多普勒频率变化率来表示。被校准的高速基带设备可以根据卫星运动特点模拟或者仿真卫星多普勒频率变化情况。如图2所示，卫星刚从地面升起时，有最大正值多普勒频率，但多普勒变化率较小；卫星通过最大仰角点时，多普勒频率为零，但有最大的多普勒变化率；卫星消失时，有最大负值多普勒频率，但同样多普勒的变化率较小。相应地，在信号频域内多普勒频率偏移的大小对应于卫星运动的速度，多普勒频率变化率的大小对应于卫星运动的加速度，这两个参数是反映卫星运动特性的重要参数。
为真实模拟卫星通信链路的上述动态特性，卫星地面测试系统中的高速基带设备通过模拟多普勒最大频偏和多普勒频率变化率实现对卫星多普勒频率的仿真功能，高速基带设备验收过程中，仿真单元加入多普勒频移以后，载波频率的偏移会导致接收单元I/Q星座图上出现左右不对称现象，因为目前没有校准手段，也没有统一的对多普勒频率变化率校准的规程和规范，无法准确判断出是高速基带设备的多普勒仿真单元的问题还是接收单元的问题。如果忽略多普勒频移参数的影响，使发射端和接收机端存在频率偏差，将会破坏信号的载波间正交性，导致系统性能恶化，影响卫星传输系统的实时通信。因此，在高速环境中，有必要开展对多普勒仿真单元多普勒频率相关参数的校准，保证该参数的准确可靠，从而为卫星地面测试系统性能的判断提供准确可靠的依据。
多普勒频率变化率校准的难点在于多普勒频率的变化导致载波的频率随时间不断变化，相比较于传统的静态校准，对多普勒频率变化率的捕捉非常困难，常规方法难以实现，可以通过计算机直接采集频谱数据的算法跟踪时刻变化的多普勒频率，但是这种方法基于FFT傅里叶变换计算量太大，效率低，而且时间参数很难用校准，该设备出厂验收时往往只能简单用肉眼识别频率变化情况并用秒表计时统计，这种方法虽然简单，但是误差太大，直接影响到多普勒频率变化率的测量结果。因此，有必要研究一种准确、高效的校准方法来解决该参数的量值溯源问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高速基带设备多普勒频率变化率的校准装置和方法，以解决现有技术中存在的问题。
本发明的技术方案是：提供一种高速基带设备多普勒频率变化率的校准装置，包括最大多普勒频偏校准单元、扫描周期校准单元和多普勒频率变化率合成单元；
所述最大多普勒频偏校准单元包括频谱分析仪，所述扫描周期校准单元包括频谱分析仪和示波器，所述多普勒频率变化率合成单元包括计算机；
待校准的高速基带设备输出多普勒仿真信号，所述频谱分析仪接收到所述多普勒仿真信号后，输出两路信号：一路信号为射频信号，输入所述示波器；另一路直接测量得到的最大多普勒频偏输入所述计算机；所述示波器接收到所述射频信号后，输出扫描周期至所述计算机中；
所述多普勒频率变化率合成单元在准确获取最大多普勒频偏和扫描周期后，进行多普勒频率变化率合成。
进一步的，待校准的高速基带设备多普勒仿真单元输出的多普勒频率加载到中频载波上相当于实现对载波信号的副载波调制，校准过程中应综合考虑扫描精度和扫描时间的影响，选择合适的分辨力带宽；
在迹线扫描模式下，利用频谱分析的最大保持功能，将多次扫描的频谱迹线保留下来，每个频点只取最大值保存和显示，从而可以实现对调制信号最大值的捕捉。
进一步的，所述频谱分析仪扫描范围设置为其频谱范围的两倍，分辨力带宽小于被校准信号的多普勒频率变化率最小值。
进一步的，扫描周期校准单元的频谱分析仪用于保留并输出滤波器带宽内的信号包络特性，及被校信号扫频周期的变化情况；
通过设置和高速基带设备相同的载波频率作为频谱分析中频滤波器的中心频率，从而得到中频滤波器幅频特性的形状，同时保留了被校准信号多普勒频率变化的情况；
所述示波器用于标定多普勒信号的扫描周期参数，通过设置合适的时基参数及垂直刻度，示波器可不间断地显示出随时间变化的信号包络特性，通过示波器的时间标记功能可以标定信号的包络周期，从而得到多普勒信号的扫描周期参数。
进一步的，针对被校高速基带设备设定的多普勒频率变化率，在计算机上将最大多普勒频偏除以扫描周期即为多普勒频率变化率，依据高速基带设备技术指标规定的测量范围改变多普勒频率变化率，即可以测量得到每一个多普勒频率变化率。
本发明的另一个技术方案提供一种高速基带设备多普勒频率变化率的校准方法，应用于上述的高速基带设备多普勒频率变化率的校准装置，包括如下步骤：
S1、被校高速基带设备多普勒频率仿真信号产生；
S2、最大多普勒频偏校准；
S3、扫描周期校准；
S4、多普勒频率变化率合成。
进一步的，所述步骤S1中，被校高速基带设备多普勒频率仿真信号产生：
校准前，被校高速基带设备预热后，将载波信号输出端连接到校准装置频谱分析仪的射频信号输入端，设置高速基带设备为中频闭环自检模式，不加宽带矢量调制信号，设置高速基带设备中频模拟源的输出信号电平；
被校高速基带设备的多普勒仿真单元分别设置需要校准的最大多普勒频偏和多普勒频率变化率参数范围，并调制到中频载波上，输出多普勒频率仿真信号；
高速基带设备输出信号为以载波频率为中心，以对应多普勒频率变化率的速度，在对应最大多普勒频偏的范围来回扫描的周期信号，输入到校准装置，并由校准装置完成对多普勒频率变化率参数的校准；由校准装置对最大多普勒频偏和扫描周期分别校准，并合成计算可以得到多普勒频率变化率的校准值。
进一步的，所述步骤S2中，最大多普勒频偏校准：
用射频电缆将被校高速基带设备输出的多普勒信号连接到频谱分析的射频信号输入端，被校高速基带设备多普勒仿真单元输出的多普勒频率加载到中频载波上相当于实现对载波信号的副载波调制；
设置频谱分析仪的中心频率与被校高速基带设备的载波频率相同，打开频谱分析仪的最大保持功能，在迹线模式最大保持状态下可以输出动态扫描信号的频谱特性，直到多普勒频率扫描运行完一个周期，在频谱分析仪上通过标记功能读取多普勒频率最大频偏的测量结果fm；通过标记频谱最大频率和最小频率并计算两者的差值可以获取最大多普勒频偏参数。
进一步的，所述步骤S3中，扫描周期校准：
设置和高速基带设备相同的载波频率作为频谱分析中频滤波器的中心频率，从而到中频滤波器幅频特性的形状，同时保留了被校准信号多普勒频率变化的情况；
将示波器测量模式设置为滚动模式，示波器输入阻抗设置为50Ω；调整被校准高速基带设备的输出信号电平、示波器垂直刻度，观测多普勒频率信号输出情况，直到示波器能从右到左示波器可以不失真、不间断地显示出随时间变化的信号完整的包络特性；调整时基，并计算示波器一共能显示的时间长度，通过调整示波器时基，使示波器能实时显示出至少一个完整周期多普勒频率变化情况；通过示波器的时间标记功能可以标定信号的包络周期，从而得到多普勒信号的扫描周期参数；
将示波器设置为单次触发模式，使用标记功能测量单个周期的运行时间，或者多个周期的扫描时间的平均值，即扫描周期Δt。
进一步的，所述步骤S4中，多普勒频率变化率合成：
对于高速基带设备设定的每个多普勒频率变化率，可以通过公式(3)计算得出：
式中，Yd为多普勒频率变化率，fm为最大多普勒频偏，Δt为到达最大多普勒频偏所用的扫描时间，即扫描周期；
在计算机上，根据频谱分析仪获取的最大多普勒频偏数据和示波器获取的扫描周期数据，结合公式计算多普勒频率变化率。
本发明提供的高速基带设备多普勒频率变化率的校准装置和方法取得的有益效果是：
本发明实现了利用标准仪器仪表进行多普勒频率变化率参数的校准，解决了动态多普勒频率参数的准确校准以及量值溯源问题。算法简单、校准效率高，误差小，测量结果准确度高、测量设备可溯源性好，校准流程清晰，校准方法的可操作性强。本发明成果也可扩展应用于舰载、弹载、机载等领域涉及多普勒频偏、多普勒频率变化率以及动态周期信号时域参数的校准。本发明优势具体体现在：(1)解决了多普勒频率变化率动态参数的校准难题。测量过程中，被校准高速基带设备输出的信号频率和幅度是随时间不断变化的，传统的校准方法只针对静态参数的校准，解决不了该动态参数的量值溯源问题。本发明在频域上基于超外差频谱分析仪的扫频工作原理以及零中频滤波输出原理，时域上基于示波器的滚动测量原理，既能获取信号频率随时间变化情况，又能得到动态信号的包络随时间变化信息。(2)校准用设备性能稳定、可靠，可溯源性好。频谱分析仪和示波器分别在频域和时域领域占据“频域第一仪器”和“时域第一仪器”的地位，本发明充分发挥其在各自领域的优势，并通过“零中频”法将两者有效结合，频谱分析仪的频率参数和示波器的时间参数均可以溯源到时间频率参数最高标准。(3)校准方法合理、高效。基于示波器的快斜波与慢斜波比较法采样原理，多普勒信号的包络变化趋势可以实时显示，而且这种方法不存在死区，不会丢失数据。通过频谱分析仪对扫描频谱宽度(频域参数)的准确标定，示波器对中频信号包络周期(时域参数)的准确标定，可以获得最大多普勒频偏和扫描周期两个参数，再通过计算即可得到多普勒频率变化率计算结果。(4)校准结果准确可靠，测量精度高。发明所提供的频谱分析测量频率偏移误差能达到到±5×10-8，示波器的时基准确度能达到±5×10-6，完全满足多普勒频率变化率参数校准需求(±100kHz/s)。经过试验验证，本发明所提供的校准装置最大多普勒频偏和多普勒频率变化率测量结果的最大允许误差能达到±5‰。(5)本发明应用范围广泛、可扩展性强。无论是航天、航空还是航海装备中，几乎每一个运动目标运动轨迹的模拟和测量都离不开多普勒频率这个动态参数。本发明所提供的校准装置和校准方法还可以拓展应用于雷达、无人机、导弹等领域的各类动态信号模拟设备及用频接收装备中。
附图说明
下面结合附图对发明作进一步说明：
图1是本发明所涉及的地面接收机和卫星的几何关系示意图；
图2是本发明所涉及的多普勒频率变化曲线示意图；
图3是本发明所提供的多普勒频率变化率校准装置硬件组成示意图；
图4是本发明所提供的多普勒频率变化率校准过程示意图；
图5是本发明所提供的最大多普勒频偏校准单元(频谱分析仪)获取扫频频偏示意图；
图6是本发明所提供的扫描周期校准单元(频谱分析仪)输出扫频信号包络示意图；
图7-1是本发明所涉及的扫描周期校准单元(示波器)滚动测量原理图；
图7-2是本发明所涉及的扫描周期校准单元(示波器)快斜波与慢斜波(阶梯波)比较法采样原理图；
图8是本发明所提供的扫描周期校准单元(示波器)获取扫频信号包络示意图；
图9是本发明所涉及的多普勒频率变化率校准流程示意图；
图10为本发明所述高速基带设备多普勒频率变化率校准试验验证硬件连接实物图；
图11为被校设备高速基带设备模拟源参数设置(Yd：10kHz/s，fm：2MHz)；
图12为最大多普勒频偏校准结果图(2MHz)；
图13为扫描周期校准单元(频谱分析仪)显示的扫频信号包络结果图；
图14为扫描周期校准单元(频谱分析仪)零中频数字滤波图；
图15为扫描周期测量结果图(扫描周期标称值200s)；
图16为被校设备高速基带设备模拟源参数设置(Yd：30kHz/s，fm：1.2MHz)；
图17为最大多普勒频偏校准结果图(1.2MHz标称值)；
图18为扫描周期测量结果图(扫描周期标称值40s)；
图19为被校设备高速基带设备模拟源参数设置(Yd：75kHz/s，fm：5MHz)；
图20为最大多普勒频偏校准结果图(5MHz标称值)；
图21为扫描周期测量结果图(扫描周期标称值66.7s)。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的高速基带设备多普勒频率变化率的校准装置和方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例1
本实施例提出一种高速基带设备多普勒频率变化率的校准装置和方法。本实施例基于多普勒频率产生原理和卫星运动轨迹具有周期性的特点，通过分别对最大多普勒频偏和多普勒频率扫描周期(以下简称扫描周期)校准后，再通过计算合成得到多普勒频率变化率参数。本发明提供的多普勒频率变化率的校准装置包含最大多普勒频偏校准单元、扫描周期校准单元及多普勒频率变化率合成单元，硬件组成包含频谱分析仪、示波器和计算机，如图3所示。所述最大多普勒频偏校准单元主要包含频谱分析仪，所述扫描周期校准单元主要包含频谱分析仪和示波器(带滚动扫描功能)，所述多普勒频率变化率合成单元主要包含计算机。
最大多普勒频偏校准单元基于频谱分析仪超外差扫频的工作原理。被校高速基带设备多普勒仿真单元输出的多普勒频率加载到中频载波上相当于实现对载波信号的副载波调制。为了显示完整的被校准信号的频谱图，频谱分析仪扫描范围应覆盖被校准信号的多普勒频偏范围，一般设置为其频谱范围的两倍，分辨力带宽(RBW)应小于被校准信号的多普勒频率变化率最小值，否则将无法分辨出两个间隔最近的多普勒频率变化情况，实际校准过程中应综合考虑扫描精度和扫描时间的影响，选择合适的分辨力带宽。在迹线扫描模式下，利用频谱分析的最大保持功能，将多次扫描的频谱迹线保留下来，每个频点只取最大值保存和显示，从而可以实现对调制信号最大值的捕捉。
扫描周期校准单元综合了频谱分析仪零中频数字滤波器原理和示波器滚动模式测量原理。扫描周期校准单元的频谱分析仪主要用于保留并输出滤波器带宽内的信号包络特性，及被校信号扫频周期的变化情况。频谱分析仪混频以后的中频频率是固定的，一般为20MHz或者400MHz左右，通过仪器内部软件来控制本振频率的变化，从而实现本底振荡器的频率从低频按照一定规律步进扫描递进到高频，再重新从低频开始扫描下一个周期，本振频率变化等同于输入被校准信号频率的变化。基于该原理，可以通过设置和高速基带设备相同的载波频率(720MHz)作为频谱分析中频滤波器的中心频率，从而得到中频滤波器幅频特性的形状，同时保留了被校准信号多普勒频率变化的情况。
扫描周期校准单元的示波器主要用于标定多普勒信号的扫描周期参数。利用示波器滚动模式测量原理，当采样率低于示波器显示的刷新率时，示波器能将采样到的每一个点都显示到屏幕上。示波器在阻抗条件下，通过调整示波器垂直刻度和时基，使示波器能实时显示出至少一个完整周期多普勒频率变化情况。通过设置合适的时基参数及垂直刻度，示波器可以不间断地显示出随时间变化的信号包络特性，通过示波器的时间标记功能可以标定信号的包络周期，从而得到多普勒信号的扫描周期参数。
多普勒频率变化率合成单元是在准确获取最大多普勒频偏和扫描周期的基础上实现的。针对被校高速基带设备设定的多普勒频率变化率，在计算机上将最大多普勒频偏除以扫描周期即为多普勒频率变化率。依据高速基带设备技术指标规定的测量范围改变多普勒频率变化率，即可以测量得到每一个多普勒频率变化率。
图4是本发明所提供的多普勒频率变化率校准过程示意图。校准装置中的频谱分析仪以载波频率为中心，通过设置合适的测量频率带宽和分辨率带宽，在最大轨迹保持测量模式下获取最大多普勒频偏，再将频谱分析仪切换到零中频输出模式，并将频谱分析仪中频滤波器输出信号连接到校准装置中的示波器。此方案将保留信号完整的频率变化信息以及多普勒频率包络信息，通过设置合适的时基和垂直刻度，在示波器滚动测量模式下获取扫描周期，最后在计算机中通过最大多普勒频偏和扫描周期的比值合成多普勒频率变化率。
校准实现过程为：将被校高速基带设备的载波信号(一般为720MHz)输出端连接到校准装置频谱分析仪的射频信号输入端，被校高速基带设备的多普勒仿真单元分别设置需要校准的最大多普勒频偏(一般不超过±2.5MHz)和多普勒频率变化率参数范围(一般不超过±100kHz/s)，并调制到中频载波上。高速基带设备输出信号为以载波频率为中心，一定速度(对应多普勒频率变化率)，在一定范围内(对应最大多普勒频偏)来回扫描的周期信号，输入到校准装置，并由校准装置完成对多普勒频率变化率参数的校准。校准装置中的频谱分析仪基于超外差扫频的工作原理实现对动态参数的捕获，通过设置和高速基带设备相同的载波频率(720MHz)，在迹线模式最大保持状态下可以输出动态扫描信号的频谱特性，通过标记频谱最大频率和最小频率并计算两者的差值可以获取最大多普勒频偏参数，图5是最大多普勒频偏校准单元获取扫频频偏示意图。当RBW足够小的情况下，信号的频谱才能近似于一根直线，因此校准过程中要注意设置合适的分辨力带宽，否则将会影响最大多普勒频偏的校准结果；基于零中频数字滤波器原理，当中频滤波器的中心频率对准被校信号的载波频率以后，通过设置合适的频谱分析仪零中频带宽(一般略大于被校准信号的扫频带宽)，带宽以外的频率分量被滤除。再经过视频滤波器平滑噪声以后，可以保留并输出滤波器带宽内的信号包络特性(如图6所示)；频谱分析输出信号的包络具有周期变化的特点，扫频周期跟扫描速度和最大频率偏移有关。扫描周期校准单元(示波器)基于滚动测量原理(如图7-1所示)，利用快斜波与慢斜波(阶梯波)比较法进行采样(如图7-2所示)，通过设置合适的时基参数及垂直刻度，示波器可以从右往左不间断地显示出随时间变化的信号包络特性，而且扫描周期校准单元实际显示的信号波形会具有阶梯量化的特点。通过示波器的时间标记功能可以标定信号的包络周期，从而得到多普勒信号的扫描周期参数(如图8所示)。最后通过计算最大多普勒频偏与扫描周期的比值就可以得到多普勒频率变化率参数。
图9是本发明提供的多普勒频率变化率校准流程示意图。被校准信号输入到频谱分析仪，设置合适的频谱分析仪跨度(SPAN)和分辨率带宽(RBW)，利用扫描轨迹最大保持功能获取最大多普勒频偏；基于零中频接收原理，通过调整频谱分析仪中心频率的方法使之与被校设备输出信号的中心频率相对应，从而实现最大频偏带宽范围内的射频信号的接收。设置频谱分析仪的中心频率，利用频谱分析仪的扫频功能跟踪捕捉输入信号多普勒频率变化的情况，利用频谱分析仪的中频滤波器输出中频滤波器幅频特性和输入被校准信号的卷积，得到信号的包络变化情况。频谱分析仪的中频输出信号给示波器，调节被校单元的输出电平，利用示波器的滚动测量模式获取扫描周期，再利用计算机通过最大多普勒频偏和扫描周期的比值合成多普勒频率变化率。
实施例2
本实施例将详细描述本发明提出的高速基带设备多普勒频率变化率的校准方法，包括如下步骤：
第一步：被校高速基带设备多普勒频率仿真信号产生。
多普勒频率仿真信号由被校高速基带设备产生。卫星与地面接收机之间存在相对运动如图1所示。由余弦定理可以得到接收机到卫星的距离S(t)为：
其中rE为地球平均半径，h为卫星的轨道高度，γ(t)为任意时刻P点和S点对应于地心的夹角。
多普勒频率变化曲线如图2所示。卫星刚从地面升起时，有最大正值多普勒频率，但多普勒变化率较小；卫星通过最大仰角点时，多普勒频率为零，但有最大的多普勒变化率；卫星消失时，有最大负值多普勒频率，但同样多普勒的变化率较小，可见，多普勒频率变化率也是随时间变化的。
在信号频域内多普勒频率的大小对应于卫星运动的速度，多普勒频率变化率的大小对于卫星运动的加速度。卫星与地面接收机之间相对运动产生的多普勒频率可以表示为：
式中，fD多普勒频率，fc为载波频率，vD是径向相对速度，c为光速。
根据以上原理，高速基带设备通过设置最大多普勒频偏和多普勒频率变化率，可以模拟卫星多普勒频率的时变特性。根据卫星轨道高度，高速基带设备模拟的最大多普勒频偏范围为0～±2.5MHz。多普勒频率变化率范围为0～±100kHz/s。
校准前，被校高速基带设备按照说明书预热一段时间。将被校高速基带设备的载波信号(一般为720MHz)输出端连接到校准装置频谱分析仪的射频信号输入端，设置高速基带设备为中频闭环自检模式，不加宽带矢量调制信号，设置高速基带设备中频模拟源的输出信号电平。被校高速基带设备的多普勒仿真单元分别设置需要校准的最大多普勒频偏(一般不超过±2.5MHz)和多普勒频率变化率参数范围(一般不超过±100kHz/s)，并调制到中频载波上，输出多普勒频率仿真信号。
高速基带设备输出信号为以载波频率为中心，一定速度(对应多普勒频率变化率)，在一定范围内(对应最大多普勒频偏)来回扫描的周期信号，输入到校准装置，并由校准装置完成对多普勒频率变化率参数的校准，多普勒频率变化率校准装置硬件组成示意图如图3所示。由校准装置对最大多普勒频偏和扫描周期分别校准，并合成计算可以得到多普勒频率变化率的校准值。
第二步：最大多普勒频偏校准。
最大多普勒频偏校准单元基于频谱分析仪超外差扫频的工作原理，由校准装置中的频谱分析仪实现。按照图4连接设备，用射频电缆将被校高速基带设备输出的多普勒信号连接到频谱分析的射频信号输入端。被校高速基带设备多普勒仿真单元输出的多普勒频率加载到中频载波上相当于实现对载波信号的副载波调制，被校高速基带设备输出的多普勒信号频率是时刻变化的，输入到频谱分析仪以后，信号载波频率也是随着多普勒信号频率的改变不断变化的。
为了显示完整的被校准信号的频谱图，频谱分析仪扫描范围应覆盖被校准信号的多普勒频偏范围，分辨力带宽(RBW)应小于被校准信号的多普勒频率变化率最小值，否则将无法分辨出两个间隔最近的多普勒频率变化情况，实际校准过程中应综合考虑扫描精度和扫描时间的影响，选择合适的分辨力带宽。在迹线扫描模式下，利用频谱分析的最大保持功能，将多次扫描的频谱迹线保留下来，每个频点只取最大值保存和显示，从而可以实现对调制信号最大值的捕捉。图5是本发明所提供的最大多普勒频偏校准单元(频谱分析仪)获取扫频频偏示意图。
设置频谱分析仪的中心频率与被校高速基带设备的载波频率(720MHz)相同，频带宽度一般不低于两倍多普勒频率最大频偏，根据频带宽度设置合适的分辨率带宽，当RBW越小，信号的频谱分辨力越高，因此校准过程中要注意设置合适的分辨力带宽，一般不大于1kHz，否则将会影响最大多普勒频偏的校准结果；
打开频谱分析仪的最大保持功能，在迹线模式最大保持状态下可以输出动态扫描信号的频谱特性，直到多普勒频率扫描运行完一个周期，在频谱分析仪上通过标记(Mark)功能读取多普勒频率最大频偏的测量结果fm。通过标记频谱最大频率和最小频率并计算两者的差值可以获取最大多普勒频偏参数。
第三步：扫描周期校准。
扫描周期校准单元综合了频谱分析仪零中频数字滤波器原理和示波器滚动模式测量原理。扫描周期校准单元的频谱分析仪主要用于保留并输出滤波器带宽内的信号包络特性，及被校信号扫频周期的变化情况。频谱分析仪混频以后的中频频率是固定的，一般为20MHz或者400MHz左右，通过仪器内部软件来控制本振频率的变化，从而实现本底振荡器的频率从低频按照一定规律步进扫描递进到高频，再重新从低频开始扫描下一个周期，本振频率变化等同于输入被校准信号频率的变化。基于该原理，可以通过设置和高速基带设备相同的载波频率(720MHz)作为频谱分析中频滤波器的中心频率，从而到中频滤波器幅频特性的形状，同时保留了被校准信号多普勒频率变化的情况。图6是本发明所提供的扫描周期校准单元(频谱分析仪)输出扫频信号包络示意图。
扫描周期校准单元的示波器主要用于标定多普勒信号的扫描周期参数。利用示波器滚动模式测量原理，当采样率低于示波器显示的刷新率时，示波器能将采样到的每一个点都显示到屏幕上。图7-1是本发明所涉及的扫描周期校准单元(示波器)滚动测量原理图。频谱分析仪的视频输出信号输入到扫描周期校准单元示波器的触发电路，示波器产生与触发信号同步的脉冲，此脉冲启动快斜波发生器，产生线性良好的快斜波(快速锯齿波)。快斜波与被校准的多普勒信号阶梯波在比较器进行比较，当快斜波幅度达到多普勒信号阶梯波电平时，比较器产生取样指令信号，控制取样器对信号进行取样。同时，此信号使阶梯波上升一个阶梯，为下一次与快斜波比较作好准备。由于阶梯波每上升一个阶梯，比较器产生的取样指令信号就迟后一段时间，故取样指令信号又称步进延迟脉冲。快斜波一个周期对应阶梯波一个阶梯，阶梯波比快斜波重复频率低得多，因此又称为慢斜波。
图7-2是本发明所涉及的扫描周期校准单元(示波器)快斜波与慢斜波(阶梯波)比较法采样原理图，表示加到比较器的一个快斜波与慢斜波。设快斜波起始电平为0V，幅度达到一定值后限幅。慢斜波起始电平为U0，幅度为Us，快斜波的扫描线性决定了取样示波器的扫描线性。阶梯波由U0到Us完成一次扫描，相应的取样指令信号总的延迟时间为T，这是一次扫描对应的示波器等效扫描时间，称为示波器的“时窗”，阶梯波的这段时间称为被校准的扫描周期Δt。
将示波器测量模式设置为滚动模式，示波器输入阻抗设置为50Ω。调整被校准高速基带设备的输出信号电平、示波器垂直刻度，观测多普勒频率信号输出情况，直到示波器能从右到左示波器可以不失真、不间断地显示出随时间变化的信号完整的包络特性。调整时基，并计算示波器一共能显示的时间长度，通过调整示波器时基，使示波器能实时显示出至少一个完整周期多普勒频率变化情况。通过示波器的时间标记功能可以标定信号的包络周期，从而得到多普勒信号的扫描周期参数。图8是本发明所提供的扫描周期校准单元(示波器)获取扫频信号包络示意图。
将示波器设置为单次触发模式，使用标记功能测量单个周期的运行时间，或者多个周期的扫描时间的平均值，即扫描周期Δt。
第四步：多普勒频率变化率合成。
对于高速基带设备设定的每个多普勒频率变化率，可以通过公式(3)计算得出。
式中，Yd为多普勒频率变化率，fm为最大多普勒频偏，Δt为到达最大多普勒频偏所用的扫描时间，即扫描周期。
在计算机上，根据频谱分析仪获取的最大多普勒频偏数据和示波器获取的扫描周期数据，结合公式计算多普勒频率变化率。
实施例3
图10为本发明所述高速基带设备多普勒频率变化率校准试验验证硬件连接实物图。
校准选用的具体系统硬件组成清单如表1所示。
表1高速基带设备多普勒频率变化率校准硬件组成清单
将被校高速基带设备中频输出端连接到校准装置频谱分析仪射频信号输入端，将频谱分析仪中频信号输出端连接到校准装置示波器信号输入端。
(一)多普勒频率变化率校准结果验证试验
试验验证过程分别选取多普勒频率变化率的低、中、高，三个点进行验证，覆盖被校准设备的全部多普勒频率变化率校准范围。
(1)多普勒频率变化率产生
多普勒频率变化率的产生用被校设备高速基带设备实现。被校设备高速基带设备设置为中频自检模式，进入系统参数设置界面，如图11所示，被校设备高速基带设备模拟源设置如下：
多普勒动态模拟：启扫；
中频载波频率：720MHz(系统默认)；
输出电平：-35dBm；
多普勒频率变化范围：-1MHz～+1MHz；(对应最大多普勒频偏fm＝2MHz)
多普勒频率变化率Yd：10kHz/s。
(2)最大多普勒频偏校准
最大多普勒频偏校准用最大多普勒频偏校准单元的频谱分析仪实现。保持连接状态不变，打开频谱分析仪的最大保持功能，在迹线模式最大保持状态下可以输出动态扫描信号的频谱特性，直到多普勒频率扫描运行完一个周期。为了显示完整的被校准信号的频谱图，频谱分析仪扫描范围应覆盖被校准信号的多普勒频偏范围，为分辨出两个间隔最近的多普勒频率变化情况，分辨力带宽(RBW)应小于被校准信号的多普勒频率最小值(10kHz)，同时应综合考虑扫描精度和扫描时间的影响，视频带宽一般设置为小于等于分辨力带宽。
最大多普勒频偏校准单元(频谱分析仪FSP)参数设置如下：
中心频率：720MHz，SPAN：5MHz，RBW：1kHz，VBW：300Hz；
测量模式：轨迹扫描最大保持。
如图12所示，在频谱分析仪上通过标记(Mark)功能读取多普勒频率最大频偏的测量结果fm。通过标记频谱最大频率和最小频率并计算两者的差值可以获取最大多普勒频偏参数。
最大多普勒频偏范围校准结果：fm＝2MHz。
(3)扫描周期校准
1)扫频信号包络获取
扫频信号包络获取的用扫描周期校准单元的频谱分析仪来实现。该频谱分析仪混频以后的中频频率为20.4MHz，通过仪器内部软件来控制本振频率的变化，从而实现本底振荡器的频率从低频按照一定规律步进扫描递进到高频，再重新从低频开始扫描下一个周期，本振频率变化等同于输入被校准信号频率的变化。基于该原理，通过设置和高速基带设备相同的载波频率(720MHz)作为频谱分析中频滤波器的中心频率，从而保留并输出滤波器带宽内的信号包络特性，及被校信号扫频周期的变化情况。
扫描周期校准单元(频谱分析仪)设置如下：
中心频率：720MHz；
频率宽度(SPAN)：10MHz；
分辨力带宽(RBW)：3MHz；
视频带宽(VBW)：3MHz；
扫描周期校准单元(频谱分析仪)显示的扫频信号包络结果图如图13所示。
利用频谱分析仪零中频数字滤波器原理，保持频谱分析仪中心频率不变，将频谱分析仪扫频带宽设置为0Hz，如图14所示。
每次扫描跟踪到载波以后，扫描周期校准单元(频谱分析仪)将输出图13中以载波频率为中心的信号包络结果图。该信号从频谱分析仪的中频输出端传输到示波器的信号输入端。
2)扫描周期获取
多普勒信号的扫描周期参数的校准用扫描周期校准单元的示波器实现。利用示波器滚动模式测量原理，当采样率低于示波器显示的刷新率时，示波器能将采样到的每一个点都显示到屏幕上。示波器默认输入阻抗为1MΩ，在与输入阻抗匹配条件下通过调整示波器垂直刻度和时基，使示波器能实时显示出至少一个完整周期多普勒频率变化情况，如图15所示。示波器设置如下：
示波器工作模式：滚动模式；
示波器输入阻抗设置：50Ω；
示波器时基设置：50s/格；
示波器垂直刻度设置：100mV/格；
测量过程中，调整被校准高速基带设备的输出信号电平、示波器垂直刻度，观测多普勒频率信号输出情况，直到示波器能从右到左示波器可以不失真、不间断地显示出随时间变化的信号完整的包络特性。
多普勒信号出现以后，调整时基，并计算示波器一共能显示的时间长度，通过调整示波器时基，使示波器能实时显示出至少一个完整周期多普勒频率变化情况。
将示波器设置为单次触发模式，使用标记功能测量单个周期的运行时间，或者多个周期的扫描时间的平均值，即扫描周期Δt。
扫描周期校准结果：Δt＝200s。
(4)计算多普勒频率变化率
多普勒频率变化率在计算机上实现。对于被校准设备设定的每个多普勒频率变化率，在计算机上，根据频谱分析仪获取的最大多普勒频偏数据和示波器获取的扫描周期数据，结合公式(3)计算得到多普勒频率变化率。
多普勒频率变化率校准结果：
多普勒频率变化率误差：
(5)改变被校设备多普勒频率变化率标称值
1)将高速基带设备模拟源设置修改为：
如图16所示，改变高速基带设备模拟源输出的多普勒频率变化范围和多普勒频率变化率两个参数。具体设置为：
多普勒频率变化范围：-600kHz～+600kHz；(对应最大多普勒频偏fm＝1.2MHz)
多普勒频率变化率Yd：30kHz/s。
对应的最大多普勒频偏测量结果和示波器获取的扫描周期校准结果分别如图17和图18所示。
多普勒频率变化率校准结果：
多普勒频率变化率误差：
2)如图19所示，改变高速基带设备模拟源输出的多普勒频率变化范围和多普勒频率变化率两个参数。具体设置为：
多普勒频率变化范围：-2.5MHz～+2.5MHz；(对应最大多普勒频偏fm＝5MHz)
多普勒频率变化率Yd：75kHz/s。
对应的最大多普勒频偏测量结果和示波器获取的扫描周期校准结果分别如图20和图21所示。
最大多普勒频偏范围校准结果：fm＝4.9800000MHz。
扫描周期校准结果：Δt＝200s/3＝66.7s。
多普勒频率变化率校准结果：＝4.98000000MHz/66.7s＝74.7kHz/s。
多普勒频率变化率误差：
(二)多普勒频率相关参数重复性测量结果统计
表2最大多普勒频偏重复性测量结果数据
表3多普勒频率变化率重复性测量结果数据
试验结论：试验结果表明，本发明不仅能提供获取最大多普勒频偏、多普勒频率变化率的校准装置和校准方法，而且最大多普勒频偏和多普勒频率变化率测量结果最大允许误差均不大于5‰，测量方法简单、不需要复杂的计算，测量结果具有较好的重复性，最大多普勒频偏测量结果均方差小于1‰，多普勒频率变化率测量结果均方差小于2‰。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
Claims (6)
1.一种高速基带设备多普勒频率变化率的校准装置，其特征在于，包括最大多普勒频偏校准单元、扫描周期校准单元和多普勒频率变化率合成单元；
所述最大多普勒频偏校准单元包括频谱分析仪，所述扫描周期校准单元包括频谱分析仪和示波器，所述多普勒频率变化率合成单元包括计算机；
待校准的高速基带设备输出多普勒仿真信号，所述频谱分析仪接收到所述多普勒仿真信号后，输出两路信号：一路信号为射频信号，输入所述示波器；另一路直接测量得到的最大多普勒频偏输入所述计算机；所述示波器接收到所述射频信号后，输出扫描周期至所述计算机中；
所述多普勒频率变化率合成单元在准确获取最大多普勒频偏和扫描周期后，进行多普勒频率变化率合成；
待校准的高速基带设备多普勒仿真单元输出的多普勒频率加载到中频载波上相当于实现对载波信号的副载波调制，校准过程中应综合考虑扫描精度和扫描时间的影响，选择合适的分辨力带宽；
在迹线扫描模式下，利用频谱分析的最大保持功能，将多次扫描的频谱迹线保留下来，每个频点只取最大值保存和显示，从而可以实现对调制信号最大值的捕捉；
所述频谱分析仪扫描范围设置为其频谱范围的两倍，分辨力带宽小于被校准信号的多普勒频率变化率最小值；
扫描周期校准单元的频谱分析仪用于保留并输出滤波器带宽内的信号包络特性，及被校信号扫频周期的变化情况；
通过设置和高速基带设备相同的载波频率作为频谱分析中频滤波器的中心频率，从而得到中频滤波器幅频特性的形状，同时保留了被校准信号多普勒频率变化的情况；
所述示波器用于标定多普勒信号的扫描周期参数，通过设置合适的时基参数及垂直刻度，示波器可不间断地显示出随时间变化的信号包络特性，通过示波器的时间标记功能可以标定信号的包络周期，从而得到多普勒信号的扫描周期参数；
针对被校高速基带设备设定的多普勒频率变化率，在计算机上将最大多普勒频偏除以扫描周期即为多普勒频率变化率，依据高速基带设备技术指标规定的测量范围改变多普勒频率变化率，即可以测量得到每一个多普勒频率变化率。
2.一种高速基带设备多普勒频率变化率的校准方法，应用于如权利要求1所述的高速基带设备多普勒频率变化率的校准装置，其特征在于，包括如下步骤：
S1、被校高速基带设备多普勒频率仿真信号产生；
S2、最大多普勒频偏校准；
S3、扫描周期校准；
S4、多普勒频率变化率合成。
3.如权利要求2所述的高速基带设备多普勒频率变化率的校准方法，其特征在于，所述步骤S1中，被校高速基带设备多普勒频率仿真信号产生：
校准前，被校高速基带设备预热后，将载波信号输出端连接到校准装置频谱分析仪的射频信号输入端，设置高速基带设备为中频闭环自检模式，不加宽带矢量调制信号，设置高速基带设备中频模拟源的输出信号电平；
被校高速基带设备的多普勒仿真单元分别设置需要校准的最大多普勒频偏和多普勒频率变化率参数范围，并调制到中频载波上，输出多普勒频率仿真信号；
高速基带设备输出信号为以载波频率为中心，以对应多普勒频率变化率的速度，在对应最大多普勒频偏的范围来回扫描的周期信号，输入到校准装置，并由校准装置完成对多普勒频率变化率参数的校准；由校准装置对最大多普勒频偏和扫描周期分别校准，并合成计算可以得到多普勒频率变化率的校准值。
4.如权利要求2所述的高速基带设备多普勒频率变化率的校准方法，其特征在于，所述步骤S2中，最大多普勒频偏校准：
用射频电缆将被校高速基带设备输出的多普勒信号连接到频谱分析的射频信号输入端，被校高速基带设备多普勒仿真单元输出的多普勒频率加载到中频载波上相当于实现对载波信号的副载波调制；
设置频谱分析仪的中心频率与被校高速基带设备的载波频率相同，打开频谱分析仪的最大保持功能，在迹线模式最大保持状态下可以输出动态扫描信号的频谱特性，直到多普勒频率扫描运行完一个周期，在频谱分析仪上通过标记功能读取多普勒频率最大频偏的测量结果fm；通过标记频谱最大频率和最小频率并计算两者的差值可以获取最大多普勒频偏参数。
5.如权利要求2所述的高速基带设备多普勒频率变化率的校准方法，其特征在于，所述步骤S3中，扫描周期校准：
设置和高速基带设备相同的载波频率作为频谱分析中频滤波器的中心频率，从而到中频滤波器幅频特性的形状，同时保留了被校准信号多普勒频率变化的情况；
将示波器测量模式设置为滚动模式，示波器输入阻抗设置为50Ω；调整被校准高速基带设备的输出信号电平、示波器垂直刻度，观测多普勒频率信号输出情况，直到示波器能从右到左示波器可以不失真、不间断地显示出随时间变化的信号完整的包络特性；调整时基，并计算示波器一共能显示的时间长度，通过调整示波器时基，使示波器能实时显示出至少一个完整周期多普勒频率变化情况；通过示波器的时间标记功能可以标定信号的包络周期，从而得到多普勒信号的扫描周期参数；
将示波器设置为单次触发模式，使用标记功能测量单个周期的运行时间，或者多个周期的扫描时间的平均值，即扫描周期Δt。
6.如权利要求2所述的高速基带设备多普勒频率变化率的校准方法，其特征在于，所述步骤S4中，多普勒频率变化率合成：
对于高速基带设备设定的每个多普勒频率变化率，可以通过公式(3)计算得出：
式中，Yd为多普勒频率变化率，fm为最大多普勒频偏，Δt为到达最大多普勒频偏所用的扫描时间，即扫描周期；
在计算机上，根据频谱分析仪获取的最大多普勒频偏数据和示波器获取的扫描周期数据，结合公式计算多普勒频率变化率。
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