本发明涉及一种数字相关器的测试系统及方法，属于空间微波遥感技术领域。
背景技术：
数字相关器是综合孔径辐射计系统中关键单机，其主要功能是对多路接收通道输出的中频信号进行同步采集和两两相关处理，从而得到任意两路中频信号的相关值和相位差。因此，在数字相关器研制过程中，对其相关精度和鉴相精度的测试尤为重要。
传统测试通常采用任意波形发生器或直接相关噪声合成等方法。
任意波形发生器利用软件产生所需数字波形并导入存储器，然后采用高速d/a对存储器的数字波形进行循环播放。该种方法虽然较为灵活，但其存在以下几点不足：
(1)由于存储器容量有限导致输出信号长度较短，从而造成其输出信号相关精度很难满足高精度数字相关器的测试需求；
(2)每次更改相位或相关值均需要重新导入新的数据，其单次导入流程时间较长导致整个相关器测试流程过长。
直接相关噪声合成方法包括独立的两个噪声源，噪声源1和噪声源2，噪声源1由功分器分成两路，其中一路通过移相器后输出信号a，另一路通过可调衰减器后进入合路器，噪声源2同样通过功分器和可调衰减器后进入合路器与噪声源1的信号合路后输出信号b。信号a和信号b通过开关矩阵后传输至数字相关器。由于信号b中有部分信号与信号a相关，因此，两路噪声信号具有部分相关性，其相关值取决于合成信号b的两路噪声信号的合路功率比，相关相位取决于移相器的移相值。
该种方法解决了任意波形发生器输出信号长度不够的问题，结构简单，但是该种方法存在以下几点不足：
(1)该方法中，噪声源均采用噪声二级管加放大器组及滤波器等器件实现，为了满足多通道同时测试的需求，放大器组的增益通常需要达到100db(100亿倍)以上，需要严格控制整个链路的信号泄露、反射等，否则极易引起通道间串扰、放大器自激等情况，造成输出信号的失真；
(2)由于合路器隔离度通常只有30db以内，两个噪声源输出的高增益放大后信号会通过合路器互相耦合至对方的输出端口，从而造成输出信号的相关精度降低，无法满足测试需求；
(3)经过前期仿真及试验测试，两路相关噪声的相关值会随着两路信号的时延增大而降低，带来“去相关效应”，去相关系数ρ＝ρ0*sinc(δθ*b/πf)，(ρ0为真实相关值，b为信号带宽，f为中心频率，δθ为通道间相位差。当数字相关器输入中频信号b/f较大(b/f≥0.05)时，去相关效应则不可忽略。比如对两路中频75mhz，带宽20mhz的相关噪声信号进行移相，当相位差为360°时，其相关值会下降至原来的88.7％，对相关精度影响较大。而数字相关器的测试通常需要对相关噪声相位差进行一个周期(0°～360°)的相位遍历，显然采用该方法无法完成测试。
(4)该方法中，相关噪声的输出相关值通过公式
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种数字相关器的测试系统及方法，该系统及方法能够有效解决了现有测试方法中存在的测试精度低、测试时间长、输出不稳定、链路耦合大以及不适用于输入信号带宽频率比较大(b/f≥0.05)的相关器测试等问题。
本发明的技术解决方案是：
一种数字相关器的测试系统，该系统包括噪声源1、噪声源2、功分器、移相器、变频放大器1、变频放大器2、变频放大器3、可调衰减器1、可调衰减器2、单刀双掷开关1、单刀双掷开关2、隔离器1、隔离器2、负载1、负载2、合路器和开关矩阵；负载1为50ω的匹配负载，负载2为50ω的匹配负载；
所述的噪声源1采用噪声二极管进行放大和滤波来实现，其输出信号为高斯白噪声带限信号，信号带宽(b)与被测数字相关器的带宽相同，信号中心频率(f)满足f≥20b；噪声源1产生的噪声信号输出给功分器；
所述的噪声源2采用另一噪声二极管进行放大和滤波来实现，其输出信号为高斯白噪声带限信号，信号带宽(b)与被测数字相关器的带宽相同，信号中心频率(f)满足f≥20b；噪声源2产生的噪声信号输出给变频放大器3；
所述的噪声源1和噪声源2不相干；
所述的功分器用于接收噪声源1产生的噪声信号，并对接收到的噪声信号进行一分二处理，其中一路信号输出给移相器进行移相处理，另一路信号输出给变频放大器1进行噪声信号的下变频与功率放大；
所述的移相器用于接收功分器输出的一路噪声信号，并对接收到的噪声信号进行移相处理，移相范围为0°～360°，移相步进≤10°，移相处理后的噪声信号的频率为f±b/2，移相处理后的噪声信号输出给变频放大器2；
所述的变频放大器2用于接收移相器输出的频率为f±b/2的噪声信号，并对接收到的噪声信号进行下变频与功率放大，输出与数字相关器输入频率相同的噪声信号；并对输出的噪声信号a输出给开关矩阵；
所述的变频放大器1用于接收功分器的另一路噪声信号，并对接收到的噪声信号进行下变频与功率放大，输出与数字相关器输入频率相同的噪声信号；并对输出的噪声信号输出给可调衰减器1；
所述的可调衰减器1用于接收变频放大器1输出的噪声信号，并对接收到的噪声信号进行衰减处理，衰减范围为0～80db；并将衰减后的噪声信号输出给单刀双掷开关1的1端口；衰减后的噪声信号与数字相关器输入频率相同；
所述的负载1与单刀双掷开关1的2端口连接；
所述的单刀双掷开关1用于接收可调衰减器1输出的噪声信号或是负载1的输入信号，并输出信号给隔离器1；单刀双掷开关1的开关隔离度≥80db；
所述的隔离器1用于接收单刀双掷开关1输出的信号，并输出信号给合路器的1端口；隔离器1的隔离度≥20db；
所述的变频放大器3用于噪声源2产生的噪声信号，并对接收到的噪声信号进行下变频与功率放大，输出与数字相关器输入频率相同的噪声信号；并对输出的噪声信号输出给可调衰减器2；
所述的可调衰减器2用于接收变频放大器3输出的噪声信号，并对接收到的噪声信号进行衰减处理，衰减范围为0～80db；并将衰减后的噪声信号输出给单刀双掷开关2的1端口；衰减后的噪声信号与数字相关器输入频率相同；
所述的负载2与单刀双掷开关2的2端口连接；
所述的单刀双掷开关2用于接收可调衰减器2输出的噪声信号或是负载2的输入信号，并输出信号给隔离器2；单刀双掷开关2的开关隔离度≥80db；
所述的隔离器2用于接收单刀双掷开关2输出的信号，并输出信号给合路器的2端口；隔离器2的隔离度≥20db；
所述的合路器用于接收隔离器1输出的信号和隔离器2输出的信号，并对两路信号进行合路处理，并将合路后的信号b输出给开关矩阵；
所述的开关矩阵用于接收变频放大器2输出的信号a和合路器输出的信号b，并对两路信号分别选择一个端口进行信号输出。
由于信号b中有部分信号与信号a同源，因此两路噪声信号具有相关性，其相关值取决于合成信号b的两路噪声信号的合路功率比，相关相位取决于移相器的移相值。
一种数字相关器的测试方法，该方法的步骤包括：
(1)将数字相关器的输入端口与开关矩阵的输出端口通过高频电缆进行连接，对系统加电并预热30分钟；
(2)调整开关矩阵的输出信号输出至数字相关器的两个被测通道a和b；
(3)设定可调衰减器1的衰减值的初值p10＝0db、可调衰减器2的衰减值的初值p20以及移相器的移相值的初值θ0＝0°；
(4)单刀双掷开关1切至端口1，单刀双掷开关2切至端口2，此时只有噪声源1的信号进入合路器，数字相关器b通道接收到的开关矩阵的输出信号全部来源于噪声源1，数字相关器对b通道接收到的信号进行采集和自相关处理，输出自相关结果为c1＝∑<e1e1*>；c1为通过b通道的噪声源1的自相关结果，e1为数字相关器通过b通道采集到的噪声源1的电压值；
(5)单刀双掷开关1切至端口1，单刀双掷开关2切至端口1，此时噪声源1和噪声源2的信号均进入合路器，数字相关器b通道接收到的开关矩阵的输出信号来源于噪声源1和噪声源2，数字相关器对b通道接收到的信号进行采集和自相关处理，输出自相关结果为c12＝∑<e12e12*>；c12为通过b通道的噪声源1和噪声源2合路的自相关结果，e12为数字相关器通过b通道采集到的噪声源1和噪声源2合路的电压值；
(6)根据步骤(4)输出的自相关结果c1和步骤(5)输出的自相关结果c12计算得到噪声信号a和噪声信号b的相关值ρ真实和相位值θ真实为：
θ真实＝θ0
(7)单刀双掷开关1切至端口1，单刀双掷开关2切至端口1，此时噪声源1和噪声源2的信号均进入合路器，数字相关器a通道接收到的信号来源于噪声源1，数字相关器b通道接收到的信号来源于噪声源1和噪声源2，数字相关器对a通道接收到的信号进行采集和自相关处理，数字相关器对b通道接收到的信号进行采集和自相关处理，且数字相关器还对a通道和b通道接收到的信号进行采集和互相关处理，输出自相关处理结果和互相关处理结果为：
ca＝∑<eaea*>
cb＝∑<ebeb*>
corre＝re[∑<eaeb*>]
corim＝im[∑<eaeb*>]
其中，ca为通过a通道的噪声源1的自相关结果，ea为数字相关器通过a通道采集到的噪声源1的电压值；cb为通过b通道的噪声源1和噪声源2的自相关结果，eb为数字相关器通过b通道采集到的噪声源1和噪声源2的电压值；corre为互相关处理结果的实部，corim为互相关处理结果的虚部；
(8)通过步骤(7)得到的自相关处理结果和互相关处理结果计算得到数字相关器实际输出的相关值ρ测试和相位值θ测试分别为：
(9)根据步骤(6)得到的噪声信号a和噪声信号b的相关值ρ真实和相位值θ真实以及步骤(8)得到的数字相关器实际输出的相关值ρ测试和相位值θ测试，得到数字相关器被测通道a和被测通道b本次的相关值的测试误差δρ和相位值的测试误差δθ分别为：
δρ＝ρ测试-ρ真实
δθ＝θ测试-θ真实
(10)将移相器的移相值在初值θ0的基础上增加60°，重复步骤(4)到步骤(9)，之后再将移相器的移相值增加60°，重复步骤(4)到步骤(9)，直至移相器的移相值为360°为止；
(11)将可调衰减器1的衰减值在初值p10的基础上增加20db，重复步骤(4)到步骤(10)，之后再将可调衰减器1的衰减值增加20db，重复步骤(4)到步骤(10)，直至可调衰减器1的衰减值为60db为止，至此，数字相关器两个被测通道测试工作结束，如需测试其它通道则重复上述步骤即可。
所述的步骤(3)中可调衰减器2的衰减值的初值p20的确定方法为：通过调整可调衰减器2的衰减值使数字相关器的b通道的输入功率在正常工作范围内。
有益效果
(1)本发明的系统及方法首先采用高频的信号源进行分路、放大、滤波及移相，然后对信号进行下变频至所需中频，最后再进行放大及合路输出；由于输出信号频率与信号源频率不同并采取了分段放大的方式，有效地避免了通道间串扰、放大器自激等情况，极大提高了输出信号的稳定性；
(2)本发明的系统及方法中噪声信号的移相操作放在较高频段进行，降低了信号的带宽频率比(b/f<<0.05)，有效消除了相关噪声信号的“去相关效应”，输出信号相关精度大大提高，该方法适用于所有数字相关器的测试；
(3)本发明的系统及方法在两路噪声信号合路前分别接入一级隔离器，从而避免了两路噪声通过合路器互相耦合，消除了链路耦合带来的相关精度误差；
(4)本发明的系统中两路噪声信号分别接入一个电控开关，通过断开一路信号来测量另一路信号的输出功率，实现两路信号功率的实时测量，有效消除噪声信号功率漂移所带来的相关精度误差；另外，通过分别断开两路合路信号可以分别产生相关值为0和1的噪声信号，能够完成相关器通道偏置及隔离度的测试；
(5)本发明的系统及方法具有测试精度高、测试时间短、使用范围广、链路输出稳定以及链路耦合小等优点。本发明的方法有效解决了现有测试方法中存在的测试精度低、测试时间长、输出不稳定、链路耦合大以及不适用于输入信号带宽频率比较大(b/f≥0.05)的相关器测试等问题。
附图说明
图1为本发明的系统组成示意图。
具体实施方式
如图1所示，噪声源1和噪声源2分别采用独立的噪声二极管进行放大和滤波来实现，噪声源1输出信号通过功分器分成两路，其中一路通过移相器后再进行下变频和放大后输出信号a，另一路进行下变频和放大后依次通过可调衰减器、电控开关、隔离器，最后进入合路器，噪声源2同样进行下变频和放大后依次通过可调衰减器、电控开关、隔离器，最后进入合路器与噪声源1的信号合路后输出信号b。信号a和信号b通过开关矩阵后传输至数字相关器。
由于信号b中有部分信号来自信号a，因此，两路噪声信号具有部分相关性，其相关值取决于合成信号b的两路噪声信号的合路功率比，相关相位取决于移相器对信号a的移相值。
在对数字相关器开展测试时，首先根据预设相关值调整可调衰减器1和2至合适值，移相器移相值为θ，通过以下步骤测得数字相关器相关精度。
开关1连通，开关2断开，相关器b端口自相关结果为：
c1＝<e1e1*>(1)
开关1、2均连通，相关器b端口自相关结果为：
c12＝<e12e12*>(2)
通过自相关结果计算得到两路相关噪声信号的实际输出相关值和相位值为：
开关1、2均连通，相关器a、b端口输出相关结果为：
其中，ca为a通道自相关结果，cb为b通道自相关结果，corre为a、b通道互相关实部结果，corim为a、b通道互相关虚部结果，e代表各通道电压表达形式。
通过相关器输出结果计算得到相关器实际输出相关值和相位值分别为：
则相关器通道a和通道b的相关精度测试误差为：
每次改变相位差或相关值时均重复上述步骤直至测试完成。
实施例
被测数字相关器为综合孔径微波辐射计数字相关器原理样机，该数字相关器有16个采集通道，输入信号中心频率为75mhz，带宽为20mhz，每个通道的输入功率范围为-20dbm～5dbm，自相关处理和互相关处理积分时间为1秒。数字相关器指标要求其相关精度误差为0.0003以内，相位误差为0.5°以内，目前传统测试手段很难满足其测试需求。
数字相关器测试系统中，所用噪声源1和噪声源2为非相干噪声信号，均采用噪声二极管进行放大和滤波来实现，其输出信号为高斯白噪声带限信号，输出信号中心频率f＝1415mhz，带宽b＝20mhz，满足f≥20b的要求。
所用功分器工作频率为dc～2ghz，完全覆盖噪声源1输出噪声信号频率范围；
所用移相器移相范围为0°～360°，相位值连续可调，移相器工作频率为1405mhz～1425mhz，完全覆盖噪声源1输出噪声信号频率范围；
所用变频放大器1、变频放大器2和变频放大器3的输入频率均为1405mhz～1425mhz，下变频后输出信号频率为65mhz～85mhz，其输出频率与被测数字相关器输入频率相同；
所用可调衰减器1和可调衰减器2的衰减范围为0～88db，衰减值步进为0.1db，工作频率为dc～2ghz，完全覆盖数字相关器输入频率范围；
所用匹配负载1和匹配负载2均为50ω负载；
所用单刀双掷开关1的输入端口隔离度为90db，其工作频率范围为dc～2ghz，完全覆盖数字相关器输入频率范围；
所用单刀双掷开关2的输入端口隔离度为90db，其工作频率范围为dc～2ghz，完全覆盖数字相关器输入频率范围；
所用隔离器1和隔离器2的隔离度均为25db，其工作频率范围为65mhz～85mhz，完全覆盖数字相关器输入频率范围；
所用合路器隔离度为50db，其工作频率范围为dc～2ghz，完全覆盖数字相关器输入频率范围；
开关矩阵有2个输入端口，16个输出端口，可以选择任意两个输出端口实现两路信号的输出；
采用上述数字相关器测试系统，选择数字相关器其中两个通道进行了实际测试验证，实测步骤如下：
(1)将数字相关器的输入端口与开关矩阵的输出端口通过高频电缆进行连接，对系统加电并预热30分钟；
(2)调整开关矩阵的输出信号输出至数字相关器的两个被测通道a和b；
(3)设定可调衰减器1的衰减值的初值p10＝0db、可调衰减器2的衰减值的初值为5db，此时数字相关器b通道输入功率为0dbm，在通道正常输入功率范围内，移相器的移相值的初值θ0＝0°；
(4)单刀双掷开关1切至端口1，单刀双掷开关2切至端口2，此时只有噪声源1的信号进入合路器，数字相关器b通道接收到的开关矩阵的输出信号全部来源于噪声源1，数字相关器对b通道接收到的信号进行采集和自相关处理，输出自相关结果为c1＝1.23440＊1010；
(5)单刀双掷开关1切至端口1，单刀双掷开关2切至端口1，此时噪声源1和噪声源2的信号均进入合路器，数字相关器b通道接收到的开关矩阵的输出信号来源于噪声源1和噪声源2，数字相关器对b通道接收到的信号进行采集和自相关处理，输出自相关结果为c12＝5.23300＊1010；
(6)根据步骤(4)输出的自相关结果c1和步骤(5)输出的自相关结果c12计算得到噪声信号a和噪声信号b的相关值ρ真实和相位值θ真实为：
θ真实＝θ0＝0°
(7)单刀双掷开关1切至端口1，单刀双掷开关2切至端口1，此时噪声源1和噪声源2的信号均进入合路器，数字相关器a通道接收到的信号来源于噪声源1，数字相关器b通道接收到的信号来源于噪声源1和噪声源2，数字相关器对a通道接收到的信号进行采集和自相关处理，数字相关器对b通道接收到的信号进行采集和自相关处理，且数字相关器还对a通道和b通道接收到的信号进行采集和互相关处理，输出自相关处理结果和互相关处理结果为：
ca＝4.00030*1010
cb＝5.23440*1010
corre＝2.22213*1010
corim＝2.4*106
(8)通过步骤(7)得到的自相关处理结果和互相关处理结果计算得到数字相关器实际输出的相关值ρ测试和相位值θ测试分别为：
(9)根据步骤(6)得到的噪声信号a和噪声信号b的相关值ρ真实和相位值θ真实以及步骤(8)得到的数字相关器实际输出的相关值ρ测试和相位值θ测试，得到数字相关器被测通道a和被测通道b本次的相关值的测试误差δρ和相位值的测试误差δθ分别为：
δρ＝ρ测试-ρ真实＝-0.70*10-4
δθ＝θ测试-θ真实＝0.006°
(10)将移相器的移相值在初值θ0的基础上增加60°，重复步骤(4)到步骤(9)，之后再将移相器的移相值增加60°，重复步骤(4)到步骤(9)，直至移相器的移相值为360°；
(11)将可调衰减器1的衰减值在初值p10的基础上增加20db，重复步骤(4)到步骤(10)，之后再将可调衰减器1的衰减值增加20db，重复步骤(4)到步骤(10)，直至可调衰减器1的衰减值为60db为止。
至此，数字相关器两个被测通道测试工作结束，最终测试结果如表1所示。从测试结果可以看出，数字相关器两个被测通道相关精度测试误差<0.0001，满足<0.0003的指标要求，相关相位误差<0.3°，满足<0.5°的指标要求。
另外，可以看到，由于采用了“高频移相、低频合路”的方法，完全消除了噪声信号“去相关效应”带来的影响。
表1综合孔径辐射计数字相关器原理样机相关精度实测结果