一种混频器群时延测量方法与装置与流程

1.本发明属于射频延时测量技术领域，具体涉及一种混频器变频群时延特性测量方法与装置。


背景技术：

2.在传统的系统中，人们往往更关注的是系统的幅度特性而忽略了相位的失真情况。随着超宽带通信，跟踪遥测与控制(tt&c)，雷达测距系统和深空探测技术的快速发展，由于相位失真引发的群时延对各类系统的性能起到的更加重要的影响，人们对群时延的测量早已不局限于最开始时将一段电缆等简单器件的相频特性对与频率求微分，在现在各类的电子系统中都需要考虑群时延特性的影响，且对于群时延测量精度以及测量速度的要求也越来越高。在航天领域中，卫星导航系统以及卫星定位等都是建立在地面基站与卫星间时钟同步的基础上，其通讯时延特性对全球定位系统的精度有着直接的影响；在现阶段的 5g通信中，低时延传输是系统的特点之一，这也就要求对系统中各模块群延时特性的准确把控，需要更加快捷准确的群时延测量方法；自动驾驶技术也是建立在非常高的系统群时延校准精度上，因为群时延直接决定系统的色散特性，即不同频率信号的时延不同，这会导致通信系统中误码恶化，需要实现校准就必须非常准确的测量系统群时延。
3.在通信系统中，信号的频率变换也是不可缺少的一部分，混频器作为最常用的变频器件，在信号的发射端、接收端都有着广泛的应用。其特性直接影响到整个电路性能，所以确切知道混频器的参数，有利于通信系统的设计与优化。对于混频器，其输入输出频率不同，这也导致其群时延测量非常困难，对于线性(非变频)器件可以直接利用矢量网络分析仪(vna)测量其s21参数，提取其相频特性计算系统的群时延特性，混频器群时延测量则额外需要一个与输出频率相同的参考信号。如果是利用频谱仪则只能得到其幅频特性。
4.国内外近年来提出了不少时延测量的方法，目前常用的时延检测方法可分为两大类，一类是以矢量网络分析仪为基础的测量方法，包括标准混频器法，三混频器法，矢量校准混频器法。以及非矢量网络分析仪为基础的测量方法，包括频梳信号法，双音信号法，调制法，傅里叶级数法。传统方法中由于需要参考信号导致测试系统过于复杂，以及由于相位模糊、频谱泄露问题导致测量精度不高。
5.如何准确快速的测量混频器群时延参数，成为了工程实践中亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.鉴于上述，本发明提供了一种混频器变频群时延特性测量方法与装置，该方法通过改变啁啾脉冲信号啁啾率与频率范围，可以实现对不同混频器进行群时延测量，利用正交解调的方法，实现群时延高精度快速检测。
7.一种混频器群时延测量方法与装置，其特征在于：包括，基于fpga的宽带数字啁啾信号发生器、待测混频器、中频带通滤波器、宽带电桥、模数转换器(ad)、主控制器；其中：
8.所述主控制器设定啁啾信号初始频率、截止频率和啁啾系数输入到所述 fpga宽
带数字啁啾信号发生器；
9.所述fpga宽带数字啁啾信号发生器接收到所述控制器信号后产生相应频率线性啁啾信号到所述待测混频器；
10.所述主控制器产生一个频率固定的本振信号输入所述待测混频器，主控制器产生的本振信号频率可调，功率稳定，并且本征信号与测试系统的时钟信号相参，便于消除干扰，保证测试系统的稳定性；
11.所述待测混频器将啁啾信号与本振信号混频得到中频信号输入所述中频带通滤波器，以选取正确混频结果；
12.所述中频带通滤波器输入信号经所述电桥后分为两路正交的啁啾信号c1与 c2；
13.所述模数转换器4与模数转换器5分别将两路啁啾信号c1、c2采样的到两路正交的数学信号d1、d2；
14.所述主控制器接收两路正交的数字信号d1，d2，提取其相位信息后对频率微分得到链路群时延t1。
15.将所述fpga宽带数字啁啾信号发生器输出信号直接输入到所述宽带电桥，混频器与滤波器整体构成一个变频模块，其输出频率设置为变频模块输出频率，再次测量得到系统固有群时延t2，群时延t1与t2的差值为所述变频模块群时延，也适用于内置滤波器混频器群时延测量。
16.将所述fpga宽带数字啁啾信号发生器输出信号直接输入到所述中频滤波器，其输出频率设置为变频模块输出频率，再次测量得到群时延t3，群时延t1 与t3的差值为所述混频器群时延。
17.进一步地，所述fpga宽带数字啁啾信号发生器输出的啁啾信号频率包含待测频率范围内各频点，其可以产生大带宽的啁啾信号，实现宽带以及高频段群时延测量。
18.进一步地，所述fpga宽带数字啁啾信号发生器的啁啾脉冲信号可以调节信号啁啾率c，以改变群时延测量孔径。
19.进一步地，所述啁啾信号为频率线性啁啾信号，其相位具有连续性。
20.进一步地，主控制器产生的本振信号频率可调，功率稳定，并且本征信号与测试系统的时钟信号相参，便于消除干扰，保证测试系统的稳定性。
21.进一步地，所述中频带通滤波器其通带范围应包括待测频率，以保证得到正确的混频结果。
22.进一步地，所述电桥为3db 90
°
宽带电桥，其可以得到功率相等的两路信号，信号d1相位超前与信号d2相位90
°
，这种宽带电桥的结构使得这两路正交信号相位差恒定，误差小。
23.进一步地，所述模数转换器采用8～24位的模数转换器，其时钟信号由主控制器提供。
24.进一步地，所述处主控制器设定好所述fpga宽带数字啁啾信号发生器参数后控制所述模数转换器进行ad采样。
25.进一步地，所述处主控制器接收两路正交数字信号d1、d2后，求得其比值d1/d2，然后进行反正切运算，得到各频点相位信息，相位对于频率进行求导就可得到系统群时延特性t，如果得到群时延为负值，这d1与d2交换后在进行群时延计算。
26.进一步地，所述处主控制器可以通过调节信号啁啾系数c改变群时延测量孔径，孔径为c除以采样率。
27.本发明装置采用的基于fpga的宽带数字啁啾信号发生器产生啁啾信号，发射频率范围可调、啁啾率可调以及带宽大的啁啾信号，实现不同频率范围不同孔径下群时延的快速测量，且系统测量范围大，可以实现高频段群时延测量，适用于现阶段的各类测量系统；同时本发明测量变频器件时延时，不需要额外的参考信号，系统结构简单，抗干扰能力强；且本发明利用90
°
宽带电桥产生两路正交信号，其不需要额外的调制模块且输出正交信号相位误差小，极大的提高了群时延测量的精度，后续利用正交解调技术实现对时延的提取，保证了群时延测量的速度。
附图说明
28.图1为本发明混频器群时延测量装置的测量变频模块以及系统整体群时延连接示意图。
29.图2为本发明混频器群时延测量装置的测量系统群时延连接示意图。
30.图3为本发明混频器群时延测量装置的测量滤波器以及系统整体群时延连接示意图。
具体实施方式
31.为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明，这里以下变频混频器为例。
32.如图1所示，本发明一种混频器变频群时延特性测量方法与装置包括：fpga 宽带数字啁啾信号发生器1、待测混频器2、中频带通滤波器3、宽带电桥4、模数转换器5、模数转换器6、主控制器7；其中：
33.主控制器7设定啁啾信号初始频率、截止频率和啁啾系数输入到所述fpga 宽带数字啁啾信号发生器1；fpga宽带数字啁啾信号发生器1接收到所述主控制器7信号后产生相应频率线性啁啾信号到所述待测混频器2；主控制器7产生一个频率稳定的本振信号输入所述待测混频器2；待测混频器2将啁啾信号与本振信号混频得到中频信号输入所述中频带通滤波器3，以选取正确混频结果；中频带通滤波器3输入信号经所述电桥4后分为两路正交的啁啾信号c1与c2；模数转换器5与模数转换器6分别将两路啁啾信号c1、c2采样的到两路正交的数学信号d1、d2；主控制器7接收两路正交的数字信号d1，d2，提取其相位信息后对频率微分得到链路群时延t1。
34.如图2所示，将fpga宽带数字啁啾信号发生器输出信号直接输入到所述宽带电桥，混频器与滤波器整体构成一个变频模块，其输出频率设置为变频模块输出频率，再次测量得到系统固有群时延t2，群时延t1与t2的差值为所述变频模块群时延，该方法也适用于内置滤波器混频器群时延测量。
35.如图3所示，将fpga数字啁啾信号发生器输出信号直接输入到所述中频滤波器，其输出频率设置为变频模块输出频率，再次测量得到群时延t3，群时延t1与t3的差值为所述混频器群时延。
36.本实施方式中，fpga宽带数字啁啾信号发生器可以产生的啁啾脉冲信号频率范围
应包含待测频率，其发生的啁啾脉冲信号啁啾率可调。啁啾信号为频率线性啁啾信号，其相位具有连续性。模数转换器5、6采用8～24位的模数转换器。主控制器控制宽带啁啾信号发生器产生信号的时间，以及模数转换器进行采样，并将所述数字信号进行数字处理，提取群时延。
37.本实施方式的工作原理为：啁啾信号即频率随时间线性变化，如式(1)所示：
38.f(t)＝f0+kt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
39.其中f0为t＝0时刻频率即初始频率，k为啁啾系数。
40.所以啁啾信号不同频率的相位也在变化，对于线性啁啾信号而言，其相位变化满足式(2)
[0041][0042]
啁啾信号进行ad采样、正交混频后得到两路正交信号，提取其相位信息。其推导结果如下：
[0043][0044][0045][0046]
其中为待测链路所引入的相位变化，对公式5进行反正切运算提取相位信息。
[0047]
最终相位对频率微分得到待测混频器群时延如式(6)
[0048][0049]
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。