專利名稱：一體化便攜式多通道相位相干信號分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及相位相干信號分析測量技術(shù)，具體的說是一體化便攜式多通道相位相
干信號分析儀。
背景技術(shù)：
空間功率合成是基于多路相干電磁輻射信號在空間實現(xiàn)相干疊加，用多路小功率 輻射信號合成大功率輻射信號的一種方法，該技術(shù)很好的解決了要求輻射功率無限大和器 件輸出功率有限之間的矛盾，功率合成技術(shù)一經(jīng)提出，便廣泛應(yīng)用于各種大功率發(fā)射源和 高靈敏度接收機的設(shè)計方案中，取得了很好效果。理論上來講，對N路相干輻射信號在空間 某點合成后功率主要取決于每路信號到達該點的幅度和相位，即對N路信號在該點進行矢 量和。為了在空間某點取得良好的合成效果，N路輻射信號到該點的相位必須同相，在空間 不同位置測量多路信號的幅度和相位一致性，多年來一直是工程技術(shù)人員不斷探索和研究 的主要課題。 圖1是空間功率合成的原理框圖，包括4個發(fā)射通道，每個通道包括依次連接的信
號源、隔離器、移相器、衰減器、功率放大器和輻射天線，天線輻射出的四路信號完全相干，
通過調(diào)整每個信號源的輸出相位，可改變空間合成功率分布，為了獲得最佳合成功率效果，
需要在四個輻射天線的同一位置處對四路輻射信號的幅度和相位一致性進行精確測量，以
獲得四路功率信號的幅度一致性和相位一致性。目前，在多通道相位相干信號分析方面，主
要分析方法有高性能示波器法、矢量信號分析儀法和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀法三種。 高性能示波器法是對被測多路信號同時進行高速A/D轉(zhuǎn)換，在時域同步顯示被測
信號間的相位關(guān)系。由于是采用寬帶接收技術(shù)，導(dǎo)致測量精度較差，很容易受到抖動的影響。 矢量信號分析儀法的原理是對多路被測信號進行下變頻，得到中頻信號，然后對 該中頻信號A/D采樣，得到數(shù)字中頻信號，最后對數(shù)字中頻信號進行I/Q解調(diào)，計算出每一 路被測信號的相位和幅度信息，從而得到多路被測信號相位和幅度的相對關(guān)系。比高性能 示波器法測量精度略高，但由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是下變頻模塊和共時鐘A/D模塊較
貴，成本很高，并且不具有誤差修正和校準功能，也無法滿足對多個被測網(wǎng)絡(luò)進行相位和幅
度一致性的分析，因此不適合作為專用的多通道相位相干信號分析設(shè)備。 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀法中被測信號的接收和分析部分的基本原理和矢量信號分析儀
法相同，除此之外，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀法還可以完成被測網(wǎng)絡(luò)之間相位和幅度一致性的測量
分析，即自身可輸出2路相位相干的信號作為激勵，通過比較多個被測網(wǎng)絡(luò)對激勵的不同
響應(yīng)，得出多個被測網(wǎng)絡(luò)之間對相位和幅度改變的相對關(guān)系。是這三種測量方法中測量精
度最高的，但對多通道信號的相位關(guān)系測量中仍缺少專用的誤差修正和校準功能；若要實
現(xiàn)對被測網(wǎng)絡(luò)相位和幅度一致性的分析，需要用到額外的一臺射頻信號源，或者利用矢量
網(wǎng)絡(luò)分析儀自身的2路相干信號輸出作為激勵信號，而這兩種配置模式增加了測試儀器的
體積、測試復(fù)雜度和測試成本。而且本方法沒有頻率跟蹤技術(shù)，對頻率已知信號可以測量，但無法實現(xiàn)對未知信號頻率的跟蹤測試。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種一體化便攜式多通道相 位相干信號分析儀，體積小、成本低、測試過程簡單，具有矢量誤差校準和修正功能，保證了 多通道相位和幅度差測量的準確度，降低了測試成本，縮小了測試時間，提高了測試靈活度 及測試精度。 為達到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是 —體化便攜式多通道相位相干信號分析儀，其特征在于包括以下部件 時鐘發(fā)生模塊，分別連接至射頻信號源模塊和本振信號源模塊，提供參考時基信
號； 射頻信號源模塊，基于參考時基信號產(chǎn)生射頻激勵信號，輸出至相干信號產(chǎn)生模 塊； 相干信號產(chǎn)生模塊，將輸入的1路射頻激勵信號處理為4路相干的射頻激勵信號， 然后由分析儀的輸出接口輸出； 本振信號源模塊，基于時基參考信號產(chǎn)生相干的本振信號，輸出至相干接收機模 塊； 相干接收機模塊，從分析儀的輸入接口獲取4路被測信號，并將處理好的被測信 號通過系統(tǒng)總線發(fā)送給主控計算機； 主控計算機，作為分析儀的核心控制，通過系統(tǒng)總線連接除相干信號產(chǎn)生模塊之 外的其余各個模塊，主控計算機模塊通過系統(tǒng)總線調(diào)用頻率跟蹤算法模塊和誤差校準及修 正算法模塊完成對被測信號的最終處理。 本發(fā)明所述的一體化便攜式多通道相位相干信號分析儀，體積小、成本低、測試過 程簡單，具有矢量誤差校準和修正功能，保證了多通道相位和幅度差測量的準確度，降低了
測試成本，縮小了測試時間，提高了測試靈活度及測試精度。


本發(fā)明有如下附圖
圖1空間功率合成的原理框圖
圖2本發(fā)明的基本組成方案框圖
圖3矢量誤差校準模型1
圖4矢量誤差校準模型具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。 圖2為本發(fā)明的基本組成方案框圖，本發(fā)明采用一體化便攜式機箱結(jié)構(gòu)，內(nèi)部電 路采用模塊化設(shè)計，包括以下部件 時鐘發(fā)生模塊，分別連接至射頻信號源模塊和本振信號源模塊，提供參考時基信 號；時鐘發(fā)生模塊由振蕩器和鎖相電路構(gòu)成，為射頻信號源模塊和本振信號源模塊產(chǎn)生參
4考時基信號； 射頻信號源模塊，基于參考時基信號產(chǎn)生射頻激勵信號，輸出至相干信號產(chǎn)生模 塊；射頻信號源模塊的內(nèi)部集成振蕩器、倍頻器、放大器和衰減器電路，通過系統(tǒng)總線與主 控計算機連接，在主控計算機的控制下，基于參考時基信號，產(chǎn)生1MHz至20GHz頻率的連續(xù) 波射頻激勵信號，輸出至相干信號產(chǎn)生模塊； 相干信號產(chǎn)生模塊，將輸入的1路射頻激勵信號處理為4路相干的射頻激勵信號， 然后由分析儀的輸出接口輸出； 本振信號源模塊，基于時基參考信號產(chǎn)生相干的本振信號，輸出至相干接收機模 塊；本振信號源模塊與射頻信號源模塊在功能和構(gòu)成上相同，基于時基參考信號產(chǎn)生射頻 本振信號，輸出至相干接收機模塊； 相干接收機模塊，從分析儀的輸入接口獲取4路被測信號，并將處理好的被測信 號通過系統(tǒng)總線發(fā)送給主控計算機；相干接收機模塊的內(nèi)部為四個完全相同的接收機模 塊，由功分、衰減、放大和混頻電路構(gòu)成，完成對射頻本振信號的一分四，對分析儀輸入信號 的降頻及數(shù)字化處理，在主控計算機的控制下，通過系統(tǒng)總線將處理好的數(shù)字信號發(fā)送給 主控計算機； 主控計算機，作為分析儀的核心控制，通過系統(tǒng)總線連接除相干信號產(chǎn)生模塊之 外的其余各個模塊，主控計算機模塊通過系統(tǒng)總線調(diào)用頻率跟蹤算法模塊和誤差校準及修 正算法模塊完成對被測信號的最終處理。主控計算機在硬件上包括中央處理器、內(nèi)存、硬 盤、顯示和外部輸入輸出接口電路，軟件上主要包括對除相干信號產(chǎn)生模塊之外的其余各 個模塊的控制程序和頻率跟蹤算法以及誤差校準及修正算法。主控計算機根據(jù)用戶的操作 結(jié)合上述所有模塊和軟件程序，完成分析儀對相干信號的分析功能。本發(fā)明具有測量功能 的雙重性，可以測量多路信號的相位和幅度一致性，也可以測量多個被測網(wǎng)絡(luò)相位和幅度 響應(yīng)的一致性。分析儀的內(nèi)部具有多個相干接收機通道，同時完成對多路相干寬帶射頻信 號的矢量分析和計算?？梢暂敵龆嗦废辔幌喔尚盘?，作為多路網(wǎng)絡(luò)的激勵信號。具有頻率 跟蹤鎖定功能，即在外部被測信號準確頻率未知的情況下，完成對信號相位和幅度一致性 的分析。具有專有的多通道矢量誤差修正及校準算法，以保證幅度及相位測量的準確度。
本發(fā)明的基本原理是在信號測量模式下，基于誤差校準和修正算法，利用4通道 的相干接收機模塊實現(xiàn)對4路被測信號相位和幅度差的測量，并在特殊測試條件下，使用 頻率跟蹤算法獲取被測信號的準確頻率；在網(wǎng)絡(luò)測量模式下，由儀器內(nèi)部的射頻信號源模 塊和相干信號產(chǎn)生模塊配合產(chǎn)生3路(共4路相干信號，其中1路相干信號在網(wǎng)絡(luò)測量模 式下用作儀器內(nèi)部參考信號，直接送入4通道的相干接收機模塊)相干的射頻信號，同時對 3個被測網(wǎng)絡(luò)施加激勵，通過測量這3個被測網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)信號，得出這3個被測網(wǎng)絡(luò)之間在 相位和幅度上對激勵信號響應(yīng)的不一致性。所有測量過程及算法均由主控計算機通過系統(tǒng) 總線控制實現(xiàn)。 時鐘發(fā)生模塊作為相干多通道信號發(fā)生和測試的頻率和時間基準，實現(xiàn)儀器內(nèi)部 射頻信號和本振信號的同步，并可通過提供或接收外部時鐘信號，將該儀器與被測信號同 步，以上功能提高了測試信號頻率的準確度，保證測試精度，并可以根據(jù)不同要求與其他儀 器靈活的構(gòu)成不同的測試方案。 本振信號源可鎖定在內(nèi)部時基或外部時基上，和4個接收機構(gòu)成相干的接收通道，實現(xiàn)對相干被測信號的下變頻，該儀器工作在信號測量模式下時，本振信號源通過時鐘 發(fā)生模塊鎖定在被測信號提供的時基上，當被測信號不提供時基時，利用儀器的頻率跟蹤 功能，使本振信號源鎖定在正確的頻率上；當工作在網(wǎng)絡(luò)測量模式下時，本振信號源通過時 鐘發(fā)生模塊鎖定在內(nèi)部時基上。 射頻信號源鎖定在內(nèi)部時鐘發(fā)生產(chǎn)生的時基上，通過相干信號產(chǎn)生模塊輸出4路 相位相干的射頻信號，在主控計算機控制下產(chǎn)生以點頻、頻率步進或頻率列表形式輸出的 激勵信號，以滿足不同的測試要求。 主控計算機實現(xiàn)人機交互，完成各種信息狀態(tài)的顯示，各種數(shù)據(jù)運算和處理，提供 操作向?qū)?，通過系統(tǒng)接口把計算機標準總線轉(zhuǎn)換成本地總線，實現(xiàn)對時鐘發(fā)生、射頻信號 源、本振信號源、接收機通道及其與測試裝置的控制。 除去隨機噪聲誤差外，在多通道混頻接收機的測試數(shù)據(jù)中，最明顯的誤差是由各 個通道在各個頻率點的幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)的不相同所引起的，為保證測到的數(shù)據(jù)能真實 反映被測網(wǎng)絡(luò)的各個通道之間或多個被測信號之間的相位和幅度的真實特性，就必須對該 儀器的信號發(fā)生部分和多個接收機通道進行校準，并對其系統(tǒng)誤差進行矢量誤差修正。
由于儀器有兩種工作模式，針對不同的工作模式使用不同的校準方法，在網(wǎng)絡(luò)測 量模式下，通過測試并比較測試激勵信號與參考信號間的關(guān)系可得到測試通道與參考通道 間的幅相特性，這種工作模式擬選用歸一化校準方法，校準簡單易行。在通道測試模式下， 用一個信號源和一個一分三功分器進行兩次連接兩次測量就可完成對三個接收機通道的 校準，誤差校準模型如圖3所示。 為簡化過程，不考慮幅度，設(shè)功分器三路相移分別為，△ q)if、 △ (p2f、A Cp3f儀器接收 機通道A、B、C的相移分別為9Af、 CpBf、 Cpcf，當?shù)谝淮芜B接(如圖3)時，在任意時刻點上， A、B、C三通道的測量相位值為
(pAi，Af十△ 9if
(pBi，Bf十△ ^p2f
q)ci，cf十△ ,f 如圖4進行第二次連接，在任意時刻點上，C、 A、B三通道相位的測量值為
(pc2=Cpcf+ △ (pif
q>A2=(pAf+ △ (p2f 一 △ 通過求解上述6個方程，可以得到功分器3路之間的相差和接收機3個通道之間 的相差，即誤差修正參數(shù)，利用該數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)校準即可保證測試的準確度。分析儀內(nèi)部的 誤差校準和修正技術(shù)基于上述模型，通過軟件編程，在測試中通過主控計算機調(diào)用，自動完 成誤差校準和修正功能。 頻率跟蹤功能由主控計算機通過系統(tǒng)總線調(diào)用頻率跟蹤算法實現(xiàn)，該算法先設(shè)置 分析儀的接收機工作在線性頻率掃描模式下，搜索到被測信號，獲得被測信號的大致頻率， 再設(shè)置分析儀工作在點頻的掃描模式下，通過分析儀輸出信號與被測信號相位的比值測 量，計算出這兩個信號之間的頻率差A(yù)f = A phase/360* A time 。由此分析儀來完成對未
知信號頻率的獲取。 本發(fā)明所述分析儀的優(yōu)點是采用一體化便攜式結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用4個相干接收機通
6道，在誤差校準和修正技術(shù)的基礎(chǔ)上完成對4路相干信號相位和幅度差的測量。在信號測 量模式下，該儀器具有頻率跟蹤功能，可以在一定條件下跟蹤并鎖定被測信號的頻率，即在 外部被測信號不提供時基的條件下完成相干信號分析，以滿足特殊的測試需求。在網(wǎng)絡(luò)測 試模式下，該儀器自身可輸出3路相位相干的射頻信號作為激勵，同時測量3個被測網(wǎng)絡(luò)在
相位和幅度上響應(yīng)的不一致性。 綜上所述，本發(fā)明具有信號測量和網(wǎng)絡(luò)測量模式，優(yōu)異的測量精度，靈活的使用方 法，一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，攜帶方便以及成本低的優(yōu)點。該儀器可以同時測量4路相干信號的 相位和幅度一致性(工作在信號測量模式)；也可以同時對3個被測網(wǎng)絡(luò)施加相干的激勵 信號，測量被測網(wǎng)絡(luò)之間相位和幅度響應(yīng)的一致性測量(工作在網(wǎng)絡(luò)測量模式)。目前尚無 專用的多通道相位相干信號分析測量設(shè)備。 本發(fā)明解決了目前利用多臺儀器、設(shè)備組成多通道相位相干測試系統(tǒng)帶來的體積 龐大、成本昂貴、測試過程復(fù)雜等問題。同時該儀器具有的矢量誤差校準和修正功能，保證 了多通道相位和幅度差測量的準確度。本發(fā)明主要用于對電子設(shè)備的性能測試與維修保障 測試，對多路功率合成效果進行測試與評估，可以降低測試成本，縮小測試時間，提高測試 靈活度及測試精度。
權(quán)利要求
一體化便攜式多通道相位相干信號分析儀，其特征在于包括以下部件時鐘發(fā)生模塊，分別連接至射頻信號源模塊和本振信號源模塊，提供參考時基信號；射頻信號源模塊，基于參考時基信號產(chǎn)生射頻激勵信號，輸出至相干信號產(chǎn)生模塊；相干信號產(chǎn)生模塊，將輸入的1路射頻激勵信號處理為4路相干的射頻激勵信號，然后由分析儀的輸出接口輸出；本振信號源模塊，基于時基參考信號產(chǎn)生相干的本振信號，輸出至相干接收機模塊；相干接收機模塊，從分析儀的輸入接口獲取4路被測信號，并將處理好的被測信號通過系統(tǒng)總線發(fā)送給主控計算機；主控計算機，為分析儀的核心控制，通過系統(tǒng)總線連接除相干信號產(chǎn)生模塊之外的其余各個模塊，主控計算機模塊通過系統(tǒng)總線調(diào)用頻率跟蹤算法模塊和誤差校準及修正算法模塊完成對被測信號的最終處理。
全文摘要
一體化便攜式多通道相位相干信號分析儀，包括以下部件時鐘發(fā)生模塊為射頻信號源模塊和本振信號源模塊提供參考時基信號；射頻信號源模塊產(chǎn)生射頻激勵信號給相干信號產(chǎn)生模塊；相干信號產(chǎn)生模塊通過輸出接口輸出4路相干的射頻激勵信號；本振信號源模塊產(chǎn)生相干的本振信號給相干接收機模塊；相干接收機模塊從輸入接口獲取4路被測信號，并處理后轉(zhuǎn)發(fā)給主控計算機；主控計算機調(diào)用頻率跟蹤算法模塊和誤差校準及修正算法模塊完成對被測信號的最終處理。本發(fā)明所述的分析儀體積小、成本低、測試過程簡單，具有矢量誤差校準和修正功能，保證了多通道相位和幅度差測量的準確度，降低了測試成本，縮小了測試時間，提高了測試靈活度及測試精度。
文檔編號G01R25/00GK101701988SQ20091021090
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月12日
發(fā)明者曹志英, 李樹彪, 梁勝利, 王宏, 王尊峰 申請人:中國電子科技集團公司第四十一研究所