多通道幅相测试系统的制作方法

本发明涉及一种多通道幅相测试系统，属于微波信号测量技术领域。

背景技术：

随着人们对卫星通信要求的不断提高，卫星通信技术得到了很大的发展。其中，卫星多波束天线目前已成为提高卫星通信性能、降低系统成本的一项关键性技术。发送机的多通道的结构，成为了数字波束形成天线系统增加幅度和相位误差的潜在来源。与多个天线阵列相连接的多个发送机通道必须要有很高的一致性，否则通道间的失配将严重影响数字波束系统的性能。对多通道间误差的测量正是星载数字多波束天线的关键技术之一。

在实际的相控阵天线系统中，由于存在着随机的幅度与相位误差，天线阵上各单元的激励电流的幅度和相位不可能完全保持一致。引起这些随机幅相误差的原因很多，但是不管是哪种原因引起的误差，归根结底都可以用幅相误差来表示。因此，能够准确的测量出幅相信息的设备在天线系统中显得至关重要。

幅相测试即为幅度和相位的测量，其被广泛使用在通信、电子、材料、军事等诸多领域。在微波频段，幅相测试系统被用于RCS测试，微波网络测试，材料测试，天线领域，微波成像等，目前正向着高精度、高智能化方向发展。

早期微波幅相测试系统有开槽线法、反射计法、电桥法等。但它们的测试灵敏度、测量精度、动态范围和测量的实时性均较差。

近年来，在扫频反射计技术的基础上，网络分析仪逐渐被开发出来。包括标量网络分析仪(SNA)和矢量网络分析仪(VNA)。标量网络分析仪可对网络反射系数和传输系数等参量的模值进行测量，而矢量网络分析仪能够对幅度和相位同时进行测量，其测试频率范围、功率范围、精度等各方面参数都在不断发展着。

如今，幅相测试系统在不断发展，各项指标均远超十年前的产品。在国际上处于领先地位的是罗德与施瓦兹公司和安捷伦公司的矢量网络分析仪。在测 量频率上安捷伦公司的PNA-X系列的2端口矢网分析仪可以达到1.05THz，罗德与施瓦兹公司的R&S ZVA67是第一款到达67GHz的4端口矢网分析仪。在功率输出方面，面向国内的一般都不超过20dBm。在测量速度方面，安捷伦公司的N5244PNA-L的测试速度为9微秒以内，这已经是国际上幅相测试系统可查资料中速度最快的。而在国内对于幅相测试系统的研究还比较少，产品化的矢量网络分析仪的指标与世界先进水平相差还比较大，如德力电子生产的NA7000系列矢网分析仪，其频率范围只有300KHz到3GHz，最大输出功率10dBm。

目前的这些测试设备虽然各项测量指标方面的表现都非常优异，但是存在着成本高、设备庞大复杂等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于测试和监视各阶段数字多波束成形技术的性能指标，提出了一种多通道幅相测试系统，用于测量波束形成网络在馈源阵端面上的波束间幅相关系。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种多通道幅相测试系统，包括信号处理组合模块、频率源模块、信号调理网络和电源模块。其中，信号处理组合模块包括信号发送模块、信号接收模块、PCIe背板、刀片计算机。

上述组成部分的连接关系为：刀片计算机通过PCIe背板与信号发送模块、信号接收模块互连；电源模块分别连接至信号处理组合、信号调理网络以及频率源模块；信号发送模块与信号调理网络互连；信号接收模块与信号调理网络相连，信号调理网络与被测件(DUT)互连；频率源模块与信号处理模块相连。

刀片计算机通过PCIe背板发送配置信息和控制指令到发送模块，控制发送模块产生用户所需的多波束信号，发送至信号调理网络。信号调理网络将多波束信号进行模拟滤波、放大处理得到发送通道信号，然后输入被测系统。多波束信号经过被测系统后，再经由信号调理网络返回至接收模块，得到接收信号。接收模块在刀片计算机的控制下对接收信号进行处理。频率源模块分别为接收模块和发送模块提供同源时钟。

信号处理组合模块为本发明的核心部分，其中发送模块和接收模块完成了 本系统的信号收发任务，刀片计算机完成测试系统的操作控制和结果显示、状态指示，为多通道幅相测试系统导入各波束的扩频码字和方向图参数，配置各波束的幅相关系。

信号处理组合模块完成多波束幅相信号的配置、产生、发送、接收以及处理。所述的多波束幅相信号是一个经过二进制移相键控(BPSK)调制的直接序列扩频码分多址(DS-CDMA)信号，包括中频多波束幅相信号和射频多波束幅相信号。

刀片计算机提供良好的人机界面，能实时监测整个测试系统的状态，并且实时对测试数据进行更新。通过刀片计算机中的上位机软件能够根据用户需要配置多波束幅相信号的幅度、相位信息。

信号发送模块包括多块并行的发送板卡，发送板卡和PCIe背板接口相连接，每块板卡接收刀片计算机发送的指令完成配置，能够产生并发送满足用户在刀片计算机上配置的多波束幅相信号。

信号接收模块包含一块板卡，连接多个接收通道作为输入，集中进行信号处理后一路输出。信号接收模块接收刀片计算机的指令，控制信号调理网络的通道捷变器，选择其中一个接收通道作为信号接收模块的输入。信号接收模块对中频多通道幅相信号进行低通采样、对射频多通道幅相信号进行带通采样，然后进行数字下变频、数字匹配滤波、扩频码相位捕获、解扩、相对功率及相位测量。测量完成后，信号接收模块通过PCIe背板接口将测量结果传递给刀片计算机，并在刀片计算机上进行进一步处理、显示。

频率源模块为发送接收模块提供同源时钟。由于要求在多通道幅相信号频率很高的时候也达到很高的相位精度指标要求，即使细微的时钟偏差也会导致相位精度偏离指标很远。因此采用定制的频率源以提供符合系统要求的时钟。该定制频率源的频率精确度和频率稳定度均为±0.1ppm，能满足系统测量需求。

信号调理网络包含多个发送通道、接收通道、校准通道和通道捷变器，每个发送通道包括滤波器、放大或数控衰减器、功率分配器。在每个发送通道的输入端口都连接有相应的滤波器，用于对信号进行滤波处理。信号处理组合信号产生模块产生的信号连接每一路发送通道中输入端口的滤波器，滤波器的输出连接放大或数控衰减器，实现对于信号功率的调整。与信号发送模块(包含 中频多波束信号和射频多波束信号)相连的信号调理网络各个发送通道的输出端都含有一分二功率分配器，功率分配器的一路用作测量输出，接被测系统，经过被测系统后的多路信号接入通道捷变器，选择其中一路信号进入测量通道。信号先经过一级滤波器，然后进入放大或数控衰减后经过第二级滤波器，最后进入信号处理组合信号接收模块。另一路在信号调理网络内部接入通道捷变器，用于做校准信号，该校准信号通过校准通道进入信号处理组合的信号接收模块。用作校准的信号经过放大或数控衰减器后进入滤波器，最后进入信号处理组合信号接收模块。通道捷变器根据刀片计算机的控制指令来让相应的发送通道信号按时分复用进入信号接收模块。

有益效果

本发明多通道幅相测试系统结构简单、成本低，测量精度高；能确保幅相测量精度仅受限于接收机内部热噪声，而不受多址干扰的影响，并可兼容同频、非同频波束的并行测试；能够形成虚拟多通道，用时分测量减少接收通道不一致性，有效降低发送端自检和校验、接收测量的系统复杂度；校准方法完善便捷，采用定期离线校准和在线自检与补偿的方式消除通道捷变矩阵、功分器、DAC以及滤波器的不一致性；幅相分布配置和测量精度高，均可达到功率±0.1dB和相位±1°；测量范围广，能够测量中频和射频波束幅相关系；可以实现通道数量的可扩展性，只需增加信号处理组合信号发送模块的发送板卡的通道数和改变信号调理网络，无需改变接收端的结构和增加处理复杂度；可以通过DAC细调和信号调理网络放大或数控衰减粗调的两种调节方式实现发送信号高精度、大动态范围的调节；直接通过刀片计算机上的上位机软件就可以实现多种功能，易于操作。

附图说明

图1是本发明中多通道幅相测试系统的结构示意图；

图2是本发明中多通道信号产生模块的结构示意图；

图3是本发明中多通道信号采集与分析模块的结构示意图；

图4是本发明中信号调理网络的结构示意图；

图5是本发明中信号调理网络的发送和校准通道；

图6是本发明中信号调理网络的接收通道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明和详细描述。

本发明提供了一种多通道幅相测试系统。该系统能够根据用户需求在上位机软件上设置并产生用户所需的多通道信号，多通道信号经过发送通道后接入待测件，将通过待测件后的多通道信号接回多通道幅相测试系统，经过测试系统的信号采集与分析模块处理后将数据送至上位机进行进一步的分析处理，完成波束形成网络在馈源阵端面上的幅相测试；同时还能够在人机接口界面监视信号功率，并实现报警、记录和保存等功能；并且对各通道电缆和自身幅相不一致性进行校准。

实施例

在本发明的一个实施例中提供了一种多通道幅相测试系统。该系统包括机箱和位于机箱内的测试主体模块，便于装卸运输。参见图1，从图上可以看出测试系统的主体采用模块化设计，包括信号发送模块、信号调理网络、信号接收模块、频率源模块、PCIe背板以及刀片计算机。运行在刀片计算机上的上位机软件发送配置信息和控制指令通过PCIe背板到达信号发送模块，控制信号发送模块产生用户所需的多波束幅相信号。信号调理网络将信号进行模拟滤波、放大等处理得到发送通道信号，然后输入被测系统。多波束幅相信号经过被测系统以后再经由信号调理网络得到接收信号。信号接收模块在刀片计算机的控制下对接收到的经过被测系统的多波束幅相信号进行处理。频率源模块分别为接收模块和发送模块提供同源时钟。电源模块为整个系统的各个分系统供电。在所有模块的协同工作下，该系统能实现测量功能、监视功能、校准功能以及软件功能。

下面分别对上述四个功能进行描述。

1)测量功能

针对被测系统在被测端面的幅相关系进行测试。

2)监视功能

监视测试设备的工作状态，运行参数，测量结果等。

3)校准功能

包括离线校准(测试前校准)和在线校准，分别能够在测试前对系统进行校准和在进行测试时对测试结果进行实时校准。

4)软件功能

针对前面几个功能，编写相应的上位机软件进行实现。并且具有软件升级和二次开发功能。

以下对组成该系统的各主要组成部分的作用，功能分别进行介绍。

信号处理模块为本发明的核心部分，其中信号发送模块完成了本系统的信号收发任务，运行在刀片计算机上的上位机软件可以完成测试系统的操作控制和结果显示、状态指示等任务，比如为测试系统导入各波束的扩频码字和方向图参数，配置各波束各通道的幅相关系等。信号处理模块主要由信号发送模块、信号接收模块和刀片计算机组成。

上位机软件提供良好的人机界面，采用先进的操作系统，拥有丰富的功能，并且可以随时对测试程序进行更新。

信号发送模块包括发送板卡，每块板卡上含有多个高速数模转换器(DAC)，可以配置同步发送多波束幅相信号。本实施例中的信号发送模块结构示意图如图2所示，主要由高性能FPGA和多个高速DAC构成。发送板卡上的FPGA通过PCIe接口接收刀片计算机的指令完成对于每个DAC的配置，并发送满足用户在上位机上配置的多波束幅相信号。

信号接收模块包含一块板卡，所有信号处理的工作都集中在该板卡上。本实施例中的信号接收模块结构示意图如图3所示。信号接收模块通过PCIe背板接收刀片计算机的控制命令，向信号调理网络发送控制信号，控制信号调理网络的通道捷变器，选择某个通道作为数据采集模数转换器(ADC)的输入，并且能够控制数控衰减使得输入信号功率处理合理范围。接收端信号处理模块对中频信号进行低通采样、对射频信号进行带通采样，然后进行数字下变频、数字匹配滤波、扩频码相位捕获、解扩和相对功率/相位测量。测量完成后，中频信号处理模块通过PCIe接口将测试结果传递给刀片计算机。

频率源模块为发送接收模块提供高精度的同源时钟。由于要求在多通道幅相信号的频率很高的时候也满足相位精度指标要求，细微的时钟偏差也会导致 相位精度偏离指标很远。因此采用特殊定制的频率源以提供符合系统要求的时钟。频率源的频率精确度和稳定度为±0.1ppm。

信号调理网络包含多个滤波器、数控衰减、功分以及通道捷变器等，本实施例中的信号调理网络的总体结构示意图如图4所示。信号调理网络主要分为发送通道、接收通道和校准通道。其中发送和校准通道如图5所示。发送通道包括与信号产生模块相连的带通滤波器、之后的放大和数控衰减器、第二级带通滤波器和功率分配器。功率分配器为1分2功分，其中一路输出接被测系统，用做测量信号，另一路如图5所示接入到通道捷变器，作为校准信号。通道捷变器将选择一个发送通道接入校准通道，然后接入信号接收模块。通道捷变器之后的放大数控衰减和带通滤波器组成了校准通道。接收通道如图6所示。将经过被测系统后的测量信号输入信号调理网络接收端的通道捷变器，通道捷变器后的第一级滤波器，放大和数控衰减器以及第二级滤波器组成接收通道。通道捷变器选择被测系统输入信号调理网络中的一路信号接入测量通道，然后接入信号接收模块。

刀片计算机中的上位机软件可以很方便地控制接收模块从而控制信号调理网络，控制信号的衰减、通道的切换。在测量过程中可以在上位机软件上根据需要的条件灵活控制信号调理网络实现相应的功能。

通过上面的各个模块的组合，该系统能够简便快捷地实现测量功能、监视功能以及校准功能。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对多有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。