CN110031811A - 多通道宽频带信号相参特性快速校准系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种多通道宽频带信号相参特性快速在线校准系统，旨在解决多通道、高精度、宽频带和大动态相参信号的相参特性校准问题。本发明通过下述技术方案予以实现：时钟/触发分配模块通过分频/倍频锁相为射频前端&信号调理模块、多通道数采&信号处理板卡提供下变频时钟、采集时钟和触发信号；通过多组射频开关的组合将快速遍历测量的被测相参信号分时切换输出至射频前端&信号调理模块，将射频信号多次变频衰减或放大后对相参特性测量；通过内置软件实现的状态机完成自身幅度通道相位不一致性的校准和被测系统相参特性测量和校准值的上报，结合信号快速切换通路和基于状态机的流水线校准流程，实现多通道宽频带信号相参特性的在线快速校准。

Description

多通道宽频带信号相参特性快速校准系统

技术领域

本发明涉及一种无线电计量领域相位参数的计量校准装置，更具体地说，本发明涉及一种主要用于实现对多通道、高精度、宽频带和大动态相参信号的相参特性快速校准的系统。

背景技术

在通信、雷达等技术的快速发展背景下，尤其是多通道通信、多输入多输出(MIMO)通信、测向定位雷达、相控阵雷达等电子产品设备的研发、生产过程中，对多通道通信设备，尤其是多通道信号发生器的要求越来越高。不仅需要信号源能同时产生多个通道相同或者不同的信号类型，而且要求信号源各个通道间具有一定的相位关系，主要用于测试通信、雷达等产品输出的各个通道之间的相参特性、测试多通道通信、雷达等产品的性能。而上述这些应用场景，传统信号发生器无法满足测试需求。为了保证多通道相参目标模拟器测试多接收机系统的测向、定位等指标的准确可靠，大量用于测试多接收机系统的多通道相参目标模拟器的相参特性，即一定时间范围内通道之间的相位一致性，受环境温度影响变化明显，需在短时间内完成校准，其相参特性必须经过校准溯源。由于此类多通道相参目标模拟器具有几十通道输出(通道多)，通道间相位一致性小于1°(相参精度高)、最高频率到20GHz(频率范围宽)、最小信号-60dBm(动态大)，使得现有的基于通用仪器的校准系统(都是通过示波器、网分或数采搭建)无法实现较低成本的几十通道高精度相参特性的快速校准，且校准系统本身无法溯源，溯源链不完整。而基于示波器的相参特性校准系统，由于受限于ADC位数，及其本身底噪高，测试动态范围小，相位测量精度低。基于高端矢量网分的测试系统要满足通道间相位一致性小于1°的校准需求，受限于多台矢网无法共本振，最多只能支持4通道相参目标模拟器相参特性的校准。虽然基于多台数采、下变频器和中频调理的校准系统，精度能满足要求，依靠仪器堆叠实现多通道相参接收，但随着目标模拟器通道数量的增加，系统扩展成本高、体积大，且校准系统未进行可计量设计，只能利用精度更高的多通道相参信号发生器或将单通道信号进行功分产生相参信号进行溯源。

现有的多通道高精度相参特性测试系统，因缺乏更高精度的相参信号发生器和通道一致性好的几十个通道的功分器，无法计量，导致了多通道高精度相参特性校准的溯源链不完整。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种精度高、易扩展、成本低，校准快，相位一致性好的多通道宽频带信号相参特性快速在线校准系统，以解决目前应用于雷达领域测试多接收机系统的多通道相参目标模拟器的相参特性校准，并可解决其它领域中相关多通道、高精度、宽频带和大动态相参信号的相参特性校准问题。

本发明的上述目的可以通过下述技术方案予以实现：一种多通道宽频带信号相参特性快速在线校准系统，包括：通过以太网与工控机互连的射频开关模块及其信号快速切换通道、射频前端&信号调理模块、多通道数采&信号处理板卡和时钟/触发分配模块，其特征在于，时钟/触发分配模块通过分频/倍频锁相将高稳晶振变换为高稳10MHz输出，为射频前端&信号调理模块、多通道数采&信号处理板卡提供下变频时钟、采集时钟和触发信号，实现下变频时钟、采集时钟和触发的同步；信号快速切换通道的通过多组射频开关的组合，将快速遍历测量的被测通道相参射频信号分时切换输出至射频前端&信号调理模块，将射频信号多次变频至中频，再对中频信号进行衰减或放大后，送入多通道数采&信号处理板卡对相参特性测量；工控机通过内置的软件实现的状态机完成自身幅度通道相位不一致性的校准和被测系统相参特性测量，并通过以太网完成校准值的上报，结合信号快速切换通路和基于状态机的流水线校准流程，实现多通道宽频带信号相参特性的在线快速校准。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

易扩展、成本低。本发明快速切换通道通过多组射频开关的组合，将被测多通道相参信号分时输出，以少量的采集测量端口实现多通道信号相参特性的快速遍历测量，实现被测信号的快速切换，降低了测量成本，且当校准系统需要支持更多通道的测试时，只需更换信号快速切换通道，增加了通道的扩展能力，扩展容易，扩展成本低。克服了现有技术要依赖于硬件的堆叠，成本高的缺陷。

相位一致性好，校准快，精度高。本发明采用射频前端下变频共本振设计，下变频时钟、采集时钟和触发的同步设计和频域测相实现相参特性测量，保持了被测信号的相参特性，为实现相参特性的高精度测量提供保证；采用的可计量性设计，保证了溯源链完整性。通过射频前端&信号调理模块和多通道数采用通道独立并行设计，结合信号快速切换通路和基于状态机的流水线校准流程，实现多通道相参特性的快速校准，进一步为相参特性的高精度校准提供保证；使本校准系统的相参测量精度提高到0.5°，比现有相参测试系统精度更高(最高为1°)。

可计量，溯源链完整。采用的可计量性设计，保证了溯源链完整性。避免了现有的多通道高精度相参特性测试系统，因缺乏更高精度的更高精度相参信号发生器和通道一致性好的几十个通道的功分器，无法计量，导致了多通道高精度相参特性校准的溯源链不完整的不足。本发明采用中频溯源的思想进行可计量设计，内置于多通道数采&信号处理板卡机箱内可拆卸的基于空气线的相位校准盒，通过更换相位校准盒内的空气线和电缆两条通路，分别测量各通路相对于参考通路的相位，将各通道相位一致性溯源至相位校准盒的空气线和电缆两条通路的相位一致性，空气线和电缆两条通路的相位一致性可溯源至国家基准，从而实现校准系统相参特性的溯源，为实现多通道相参目标模拟器的完整溯源链提供保证。解决了目前应用于雷达领域测试多接收机系统的多通道相参目标模拟器的相参特性校准，并可解决其它领域中相关多通道、高精度、宽频带和大动态相参信号的相参特性校准问题。

本发明的任务既是日常的计量检定和量值传递工作的需要，也是系统工程对多通道相参特性指标测试的共性测量问题的重要保障。

附图说明

下面结合附图和实施例对本方法进一步说明。

图1本发明多通道宽频带信号相参特性快速在线校准系统的成示意图。

图2是图1信号快速切换通道原理示意图。

图3是图1射频前端&信号调理模块的电路原理示意图。

图4是图1信号处理板卡内置频域测相流程示意图。

图5是图1对工控机内置状态机的实施例示意图。

图6是计量多通道宽频带信号相参特性快速校准系统的流程意图。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的一个最佳实施例中，一种多通道宽频带信号相参特性快速在线校准系统，包括：通过以太网与工控机相连的射频开关模块信号快速切换通道、射频前端&信号调理模块、多通道数采&信号处理板卡和时钟/触发分配模块，其中，多通道数采&信号处理板卡机箱内置可拆卸的基于空气线的相位校准盒，相位校准盒由空气线和电缆组成，通过开关为信号形成空气线和电缆两条可选择的通路。通过更换相位校准盒内的空气线和电缆两条通路，分别测量各通路相对于参考通路的相位，将各通道相位一致性溯源至相位校准盒的空气线和电缆两条通路的相位一致性。时钟/触发分配模块通过分频/倍频锁相将高稳晶振变换为高稳10MHz输出，为射频前端&信号调理模块、多通道数采&信号处理板卡提供下变频时钟、采集时钟和触发信号，实现下变频时钟、采集时钟和触发的同步；信号快速切换通道通过多组射频开关的组合，将快速遍历测量的被测相参信号分时切换输出至射频前端&信号调理模块，将射频信号多次变频至中频，再对中频信号进行衰减或放大后，送入多通道数采&信号处理板卡对相参特性测量；工控机通过内置的软件实现的状态机完成自身幅度通道相位不一致性的校准和被测系统相参特性测量，并通过以太网完成校准值的上报，结合信号快速切换通路和基于状态机的流水线校准流程，实现多通道宽频带信号相参特性的在线快速校准。并对校准系统进行可计量性设计，在多通道数采&信号处理板卡通道1之前内插可拆卸基于空气线和电缆的校准盒，校准时分别更换相位校准盒内的空气线和电缆两条通路，再测量各通路相对于参考通路的相位，将各通道相位一致性溯源至相位校准盒的空气线和电缆两条通路的相位一致性，空气线和电缆两条通路的相位一致性可溯源至国家基准，从而实现校准系统相参特性的溯源。

被测通道相参射频信号由信号快速切换通道到多通道数采&信号处理板卡经历的信号选择、下变频、调理、采集、存储、相位一致性测量、测量上报的过程，由在工控机平台上实现的流水线状态机通过以太网控制完成。射频前端&信号调理模块的下变频时钟、多通道数采&信号处理板卡的采集时钟和触发由时钟/触发分配模块产生的高稳时钟信号统一提供。

被测相参信号可以是28通道相参射频信号。

被测的28通道相参射频信号经信号快速切换通道分时转换成4通道射频信号输出，四通道射频信号由等长稳相电缆输入给射频前端&信号调理模块，射频前端&信号调理模块对四通道射频信号并行独立下变频、衰减、放大调理后，输出电平四通道中频信号，四通道中频信号由等长稳相电缆输入给多通道数采&信号处理板卡，多通道数采&信号处理板卡通道1输入前插入相位校准盒。相位校准盒插入在多通道数采输入1通道之间，日常测试使用时相位校准盒使用电缆通路，只有对校准系统进行溯源时，相位校准盒才使用空气线通路。多通道数采&信号处理板卡完成四通道中频信号的并行独立采集和存储后再实现FFT变换数字信号处理，最后完成相位一致性测量。

在图2描述的实施例中，信号快速切换通道包括：提供28通道输入到4通道输出切换能力、频率范围为10MHz～20GHz的1-6个单刀5掷开关组，其中，输入通道1为参考信号通道直通输出，其余27个输入通道信号在控制信号的控制下由6个单刀5掷开关分两级完成3个通道信号的选择输出，1个单刀5掷开关和1个单刀5掷开关组合实现9输入到1输出的切换功能，共实现3组9输入到1输出的信号切换通路。6个单刀5掷开关的开关拨动由来自工控机的控制信号进行控制。

在图3描述的的实施例中，射频前端&信号调理模块包括：含有本振源产生模块和一分四功分器的宽带频率单元、具有四通道输入的变频单元和具有四通道输出的信号调理单元，其中，变频单元包括四个结构相同的下变频模块，信号调理单元又包括四个结构相同的信号调理模块。时钟/触发分配模块将下变频时钟输入给宽带频率单元的本振源产生模块，经本振源产生模块后输出频率范围1.3GHz～20GHz的宽频正弦波信号，然后宽频正弦信号再经一分四功分器分为四路本振信号输出给变频单元，实现变频的共本振。10MHz～20GHz、0dBm～-60dBm的四通道输入射频信号分别经变频单元的四个下变频模块独立并行下变频，变频之后输出四路10MHz～600MHz、0dBm～-60dBm的中频信号，四路10MHz～600MHz、0dBm～-60dBm的中频信号又经信号调理单元的四个信号调理模块独立并行信号调理成四路10MHz～600MHz、0dBm的信号输出。

在图4描述的实施例中，信号处理板卡采用频域测相算法对被测信号进行相乘；共轭数据截断，完成FFT变换后进行频谱校正，通过寻找谱值最大点，提取谱值最大处的相位信息，获取相位测量值，完成相位测量。

在图5描述的实施例中，多通道宽频信号相参特性快速校准系统测量一个通道相位一致性测量流程依次为下变频、调理、采集、存储、测量和上报，其中下变频、调理、采集、存储由硬件实现，测量和上报由软件实现，费时t。28通道相位一致性测量采用流水线结构，通道2～28的相位一致性测量，共费时5t。首先，在0时刻，信号快速切换通道先选择通道2、3、4和通道1输出，开始测量通道2、3、4的相位一致性；当通道2、3、4相位一致性测量进入到存储流程时，信号快速切换通道选择通道5、6、7和1输出，开始测量通道5、6、7的相位一致性；当通道5、6、7相位一致性测量进入到存储流程时，通道2、3、4相位一致性测量完成上报，信号快速切换通道选择通道8、9、10和1输出，开始测量通道8、9、10的相位一致性；当通道8、9、10相位一致性测量进入到存储流程时，通道5、6、7相位一致性测量完成上报，信号快速切换通道选择通道11、12、13和通道1输出，开始测量通道11、12、13的相位一致性；当通道11、12、13相位一致性测量进入到存储流程时，通道8、9、10相位一致性测量完成上报，14、15、16和通道1输出，开始测量通道14、15、16的相位一致性；当通道14、15、16相位一致性测量进入到存储流程时，通道11、12、13相位一致性测量完成上报，信号快速切换通道选择通道17、18、19和通道1输出，开始测量通道17、18、19的相位一致性；当通道17、18、19相位一致性测量进入到存储流程时，通道14、15、16相位一致性测量完成上报，信号快速切换通道选择通道20、21、22和通道1输出，开始测量通道20、21、22的相位一致性；当通道20、21、22相位一致性测量进入到存储流程时，通道17、18、19相位一致性测量完成上报，信号快速切换通道选择通道23、24、25和通道1输出，开始测量通道23、24、25的相位一致性；当通道23、24、25相位一致性测量进入到存储流程时，通道20、21、22相位一致性测量完成上报，信号快速切换通道选择通道26、27、28和通道1输出，开始测量通道26、27、28的相位一致性；当通道26、27、28相位一致性测量进入到存储流程时，通道23、24、25相位一致性测量完成上报；在5t时刻，通道26、27、28相位一致性测量完成上报，28通道相参特性测量完成。

在图6描述的实施例中，计量多通道宽频带信号相参特性快速校准系统的流程依次为：步骤1—将相位校准盒从校准系统的多通道数采&信号处理板卡的机箱中取出，送至中国计量院，对空气线通道相对于电缆通道的相位差ΔΦ0进行溯源；步骤2—溯源完成后将相位校准盒重新接入多通道数采&信号处理板卡的机箱中；步骤3—将信号源用等长的电缆经一分四的功分器接入校准系统的输入1通道和x、x+1、x+2通道，x＝2，并将相位校准盒置于电缆通道状态；步骤4—测量x、x+1、x+2通道对参考通道1的相位Φi；步骤5—将相位校准盒置于空气线通道状态，测量x、x+1、x+2通道对参考通道1的相位Φn；步骤6—比较Φn与Φi之差，得到ΔΦm，ΔΦm的标准值为ΔΦ0，从而实现x、x+1、x+2通道相位一致性溯源；步骤7—判断x>28；步骤7如果“是”，流程结束，多通道宽频带信号相参特性快速校准系统计量溯源完成；步骤7如果“否”，进入步骤8—保持输入1通道连接不变，x＝x+2，更换连接至x、x+1、x+2通道，x＝x+2。将相位校准盒置于电缆通道状态；步骤8完后又循环至步骤4。

然而，应当理解的是，这里所披露的实施方式仅仅是本发明的典型例子而已，其可体现为各种形式。因此，这里披露的具体细节不被认为是限制性的，而仅仅是作为权利要求的基础以及作为用于教导本领域技术人员以实际中任何恰当的方式不同地应用本发明的代表性的基础，包括采用这里所披露的各种特征并结合这里可能没有明确披露的特征。在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述结构和材料作各种变化和改进，包括这里单独披露或要求保护的技术特征的组合，明显地包括这些特征的其它组合。这些变形和/或组合均落入本发明所涉及的技术领域内，并落入本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种多通道宽频带信号相参特性快速在线校准系统，包括：通过以太网与工控机互连的射频开关模块信号快速切换通道、射频前端&信号调理模块、多通道数采&信号处理板卡和时钟/触发分配模块，其特征在于，时钟/触发分配模块通过分频/倍频锁相将高稳晶振变换为高稳10MHz输出，为射频前端&信号调理模块、多通道数采&信号处理板卡提供下变频时钟、采集时钟和触发信号，实现下变频时钟、采集时钟和触发的同步；信号快速切换通道的通过多组射频开关的组合，将快速遍历测量的被测相参信号分时切换输出至射频前端&信号调理模块，将射频信号多次变频至中频，再对中频信号进行衰减或放大后，送入多通道数采&信号处理板卡对相参特性测量；工控机通过内置的软件实现的状态机完成自身幅度通道相位不一致性的校准和被测系统相参特性测量，并通过以太网完成校准值的上报，结合信号快速切换通路和基于状态机的流水线校准流程，实现多通道宽频带信号相参特性的在线快速校准。

2.如权利要求1所述的多通道宽频带信号相参特性快速在线校准系统，其特征在于：被测通道相参射频信号由信号快速切换通道到多通道数采&信号处理板卡经历的信号选择、下变频、调理、采集、存储、相位一致性测量和测量上报的过程，由在工控机平台上实现的流水线状态机通过以太网控制完成。

3.如权利要求2所述的多通道宽频带信号相参特性快速在线校准系统，其特征在于：射频前端&信号调理模块的下变频时钟、多通道数采&信号处理板卡的采集时钟和触发由时钟/触发分配模块产生的高稳时钟信号统一提供。

4.如权利要求3所述的多通道宽频带信号相参特性快速在线校准系统，其特征在于：被测相参信号是28通道相参射频信号，被测的28通道相参射频信号经信号快速切换通道分时转换成四通道射频信号输出，四通道射频信号由等长稳相电缆输入给射频前端&信号调理模块。

5.如权利要求5所述的多通道宽频带信号相参特性快速在线校准系统，其特征在于：射频前端&信号调理模块对四通道射频信号并行独立下变频、衰减、放大调理后，输出电平四通道中频信号，四通道中频信号由等长稳相电缆输入给多通道数采&信号处理板卡，多通道数采&信号处理板卡通道1输入前插入相位校准盒。

6.如权利要求6所述的多通道宽频带信号相参特性快速在线校准系统，其特征在于：相位校准盒插入在多通道数采输入1通道之间，日常测试使用时相位校准盒使用电缆通路，只有对校准系统进行溯源时，相位校准盒才使用空气线通路。

7.如权利要求1所述的多通道宽频带信号相参特性快速在线校准系统，其特征在于：多通道数采&信号处理板卡完成四通道中频信号的并行独立采集和存储后再实现快速傅氏变换FFT变换数字信号处理，最后完成相位一致性测量。

8.如权利要求1所述的多通道宽频带信号相参特性快速在线校准系统，其特征在于：信号快速切换通道包括：提供28通道输入到4通道输出切换能力、频率范围为10MHz～20GHz的1-6个单刀5掷开关组，其中，输入通道1为参考信号通道直通输出，其余27个输入通道信号在控制信号的控制下由6个单刀5掷开关分两级完成3个通道信号的选择输出，1个单刀5掷开关和1个单刀5掷开关组合实现9输入到1输出的切换功能，共实现3组9输入到1输出的信号切换通路，并且6个单刀5掷开关的开关拨动由来自工控机的控制信号进行控制。

9.如权利要求1所述的多通道宽频带信号相参特性快速在线校准系统，其特征在于：在0时刻，信号快速切换通道先选择通道2、3、4和通道1输出，开始测量通道2、3、4的相位一致性；当通道2、3、4相位一致性测量进入到存储流程时，信号快速切换通道选择通道5、6、7和1输出，开始测量通道5、6、7的相位一致性；当通道5、6、7相位一致性测量进入到存储流程时，通道2、3、4相位一致性测量完成上报，信号快速切换通道选择通道8、9、10和1输出，开始测量通道8、9、10的相位一致性；当通道8、9、10相位一致性测量进入到存储流程时，通道5、6、7相位一致性测量完成上报，信号快速切换通道选择通道11、12、13和通道1输出，开始测量通道11、12、13的相位一致性；当通道11、12、13相位一致性测量进入到存储流程时，通道8、9、10相位一致性测量完成上报，14、15、16和通道1输出，开始测量通道14、15、16的相位一致性；当通道14、15、16相位一致性测量进入到存储流程时，通道11、12、13相位一致性测量完成上报，信号快速切换通道选择通道17、18、19和通道1输出，开始测量通道17、18、19的相位一致性；当通道17、18、19相位一致性测量进入到存储流程时，通道14、15、16相位一致性测量完成上报，信号快速切换通道选择通道20、21、22和通道1输出，开始测量通道20、21、22的相位一致性；当通道20、21、22相位一致性测量进入到存储流程时，通道17、18、19相位一致性测量完成上报，信号快速切换通道选择通道23、24、25和通道1输出，开始测量通道23、24、25的相位一致性；当通道23、24、25相位一致性测量进入到存储流程时，通道20、21、22相位一致性测量完成上报，信号快速切换通道选择通道26、27、28和通道1输出，开始测量通道26、27、28的相位一致性；当通道26、27、28相位一致性测量进入到存储流程时，通道23、24、25相位一致性测量完成上报；在5t时刻，通道26、27、28相位一致性测量完成上报，28通道相参特性测量完成。

10.如权利要求1所述的多通道宽频带信号相参特性快速在线校准系统，其特征在于：信号源经一分四的功分器接入校准系统的输入1通道和x、x+1、x+2通道，x＝2，并将相位校准盒置于电缆通道状态；测量x、x+1、x+2通道对参考通道1的相位Φi；相位校准盒置于空气线通道状态，测量x、x+1、x+2通道对参考通道1的相位Φn；比较Φn与Φi之差，得到ΔΦm，ΔΦm的标准值为ΔΦ0，从而实现x、x+1、x+2通道相位一致性溯源；然后判断x>28；如果“是”，流程结束，完成计量溯源；如果“否”，保持输入1通道连接不变，x＝x+2，更换连接至x、x+1、x+2通道，x＝x+2，将相位校准盒置于电缆通道状态；步骤8完后又循环至测量x、x+1、x+2通道对参考通道1的相位Φi。