基于多频正弦信号的高频谱分辨率相位谱测量装置及方法

摘要

本发明涉及射频微波信号测量技术领域，公开基于多频正弦信号的高频谱分辨率相位谱测量装置，包括：多频正弦信号发生模块，用于产生多频正弦信号；相位差测量模块，用于被设置多个被测频点，并接收被测信号，计算被测信号和所述多频正弦信号的相位差测量结果；系统校准模块，用于对所述相位差测量模块进行系统校准，获得所述各被测频点上的相位测量误差；计算模块，用于根据误差修正方法、所述系统校准模块的测量结果和所述相位差测量模块的测量结果，计算被测信号的相位谱。还公开基于多频正弦信号的高频谱分辨率相位谱测量装置的测量方法。本发明突破现有谐波方案的技术瓶颈和指标极限，在GHz频段上实现kHz级高频谱分辨率的相位测量。

说明书

技术领域

本发明涉及射频微波信号测量技术领域，特别涉及基于多频正弦信号的 高频谱分辨率相位谱测量装置及方法。

背景技术

非线性矢量网络分析仪NVNA是在矢量网络分析仪VNA基础上的升级和 改造，通过引入额外的相位参考信号(目前由脉冲发生器impulse  generator，亦称梳状波发生器comb generator提供)，根据参考信号和 被测信号的相位差实现后者相位谱的测量，如图1所示。这种测量手段要 求参考信号的频谱成分覆盖被测信号的全部频点，并且每根谱线的功率满 足测量要求(一般不小于-100dBm)，对于参考信号不能覆盖的频点则无法 进行有效测量。现有的商用NVNA产品采用“时域窄脉冲信号”用于提供相 位参考，其频谱分辨率为脉冲重复周期的倒数(额定为10MHz,即频率点为 10MHz，20MHz，30MHz，...)，是一种谐波信号，如图2和图3所示。随 着频谱分辨率的提高，脉冲的重复周期需要增加，导致平均功率显著减少， 各谱线的能量不能满足测量要求(一般需大于-100dBm)。因此，该技术方 案目前存在频谱分辨率的瓶颈：GHz频段上难以提供kHz级别的频谱分辨 率，即当被测信号的频谱间隔为kHz级别时，这种参考信号方案无法以足 够的能量覆盖所有被测频点，从而不能进行有效测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于多频正弦信号的高频谱分 辨率相位谱测量装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于多频正弦信号的高频谱 分辨率相位谱测量装置，包括：多频正弦信号发生模块，用于产生多频正 弦信号；相位差测量模块，用于被设置多个被测频点，并接收被测信号， 计算被测信号和所述多频正弦信号的相位差测量结果；系统校准模块，用 于对所述相位差测量模块进行系统校准，获得所述各被测频点上的相位测 量误差；计算模块，用于根据误差修正方法、所述系统校准模块的测量结 果和所述相位差测量模块的测量结果，计算被测信号的相位谱。

进一步地，所述多频正弦信号发生模块包括矢量信号发生器或任意波 形发生器或其他自主研制的可编程信号发生装置。

进一步地，其特征在于，所述相位差测量模块包括矢量网络分析仪或 多通道示波器或其他自主研制的可用于多路信号相位差测量的装置。

进一步地，所述被设置多个被测频点小于或等于产生多频正弦信号设 置的参数。

进一步地，基于多频正弦信号的高频谱分辨率相位谱测量装置，还包 括读取模块，用于在所述相位差测量模块上读取被测信号和所述多频正弦 信号的相位差测量结果。

本发明还提供基于所述基于多频正弦信号的高频谱分辨率相位谱测量 装置的测量方法，包括：

步骤10、在所述相位差测量模块设置多个被测频点，同时接收被测信 号和多频正弦信号发生模块输出的多频正弦信号；

步骤20、在所述多频正弦信号发生模块设置多频正弦信号，计算所述 被测信号和所述多频正弦信号的相位差测量结果；

步骤30、通过所述系统校准模块进行系统校准，获得所述各被测频点 上的相位测量误差；

步骤40、根据误差修正方法、所述步骤20和30的测量结果的测量结 果，计算被测信号的相位谱。

进一步地，所述多频正弦信号发生模块包括矢量信号发生器或任意波 形发生器，或其他自主研制的可编程信号发生装置。

进一步地，其特征在于，所述相位差测量模块包括矢量网络分析仪， 或多通道示波器，或其他自主研制的可用于多路信号相位差测量的装置。

进一步地，所述被设置多个被测频点小于或等于产生多频正弦信号设 置的参数。

进一步地，该方法还包括在所述相位差测量模块上读取被测信号和所 述多频正弦信号的相位差测量结果。

本发明提供的基于多频正弦信号的高频谱分辨率相位谱测量装置及方 法回避了现有谐波方案中“频谱分辨率和谱线功率”之间的矛盾，即参考 信号谱线功率不随频谱分辨率的提高而减少的问题，使用窄带的多频正弦 信号作为相位参考(取代了现有的谐波方案)实现相位谱测量，从而突破 现有谐波方案的技术瓶颈和指标极限，在GHz频段上实现kHz级高频谱分 辨率的相位测量。

附图说明

图1为现有的商用非线性网络分析仪NVNA构成框图；

图2为时域窄脉冲信号示意图，其中脉冲序列的重复周期为T；

图3为时域窄脉冲信号对应的宽带谐波频谱示意图，频谱分辨率为重 复周期T的倒数，覆盖的频率点为Δf,2Δf,3Δf,...；

图4为多频正弦信号的频域幅度谱示意图；其中，多频正弦信号是一 种窄带的多频率成分信号，其频谱分辨率可以达到0.1kHz～1000kHz；

图5为本发明实施例提供的一种基于多频正弦信号的高频谱分辨率相 位谱测量装置的结构框图。

具体实施方式

针对0.1～1000kHz高频谱分辨率的相位测量应用，本发明的技术手段 是采用窄带的多频正弦multisine信号(如图4)提供相位参考，根据测 试需求提供0.1～1000kHz高频谱分辨率、功率不小于-60dBm的参考谱线， 通过测量该多频正弦信号和待测信号在各频点的相位差，经过必要的系统 校准和误差修正，获得待测信号的相位谱，如图5所示。

参见图5，本发明实施例提供的一种基于多频正弦信号的高频谱分辨 率相位谱测量装置，包括：多频正弦信号发生模块、相位差测量模块、系 统校准模块及计算模块。其中，多频正弦信号发生模块用于产生多频正弦 信号。在实际应用中，多频正弦信号发生模块用于提供测量所需的多频正 弦信号，要求同时覆盖所有测量所关心的频率点。具体可以使用矢量信号 发生器VSG或任意波形发生器AWG(也称任意函数发生器AFG)，也可以通 过其他自制或组装的信号发生装置实现。多频正弦信号是一种广义的“非 谐波”多频率成分信号，不仅仅是等频率间隔的特殊情况。由于VSG和AWG 可提供的多频正弦信号频率间隔能达到100Hz～1MHz级别，并且各谱线的能 量不随分辨率的调整而变化(可始终保持在-60dBm以上，满足测量要求)， 因此能够实现GHz频段上kHz级高频谱分辨率的相位测量。相位差测量模 块用于被设置多个被测频点，并接收被测信号，计算被测信号和所述多频 正弦信号的相位差测量结果。由于要获得多频正弦信号和被测信号在所有 测量所关心频点上的相位差，具体可以使用矢量网络分析仪VNA，或多通 道示波器，也可以通过其他自制或组装的测量装置实现。系统校准模块用 于对所述相位差测量模块进行系统校准，获得所述各被测频点上的相位测 量误差。计算模块用于根据误差修正方法、系统校准模块的测量结果和所 述相位差测量模块的测量结果，计算被测信号的相位谱。其中，系统校准 和误差修正方法是已经公开的技术，其中包括：通过提前测量相位谱已知 的标准信号，获得相位差测量值与被测信号相位谱真实值间的固有系统误 差，进而在后续的测量过程进行补偿和修正。相关内容可详见参考文献：

[1]J.B.Scott,P.S.Blockley,A.E.Parker,“A new instrument  architecture for millimeter-wave time-domain signal analysis,” 63rd ARFTG Conference,pp.47–51,2004.

[2]P.Blockley,J.Scott,“Mixer-Based,Vector-Corrected, Vector Signal/Network Analyzer Offering300kHz-20GHz Bandwidth and  Traceable Phase Response,”2005IEEE MTT-S International Microwave  Symposium Digest,pp.1497-1500,Jun2005.

[3]W.V.Moer,Y.Rolain,“A Large-Signal Network Analyzer: Why Is It Needed”,IEEE Microwave Magazine,pp.46-61Dec2006

[4]Maoliu Lin,Yichi Zhang.“Covariance-matrix-based  uncertainty analysis for NVNA measurements,”IEEE Trans.Instrum. Meas.,vol.61,no.1,pp.93-102,Jan.2012.

[5]Michael Hiebel.Fundamentals of Vector Network Analyzer.

上述装置还包括读取模块，用于在所述相位差测量模块上读取被测信 号和所述多频正弦信号的相位差测量结果。

本发明实施例还提供基于多频正弦信号的高频谱分辨率相位谱测量装 置的测量方法，包括：

步骤10、在所述相位差测量模块设置多个被测频点，同时接收被测信 号和多频正弦信号发生模块输出的多频正弦信号；其中，被设置多个被测 频点小于或等于产生多频正弦信号设置的参数。

步骤20、在所述多频正弦信号发生模块设置多频正弦信号，计算所述 被测信号和所述多频正弦信号的相位差测量结果；

步骤30、通过所述系统校准模块进行系统校准，获得所述各被测频点 上的相位测量误差；

步骤40、根据误差修正方法、所述步骤20和30的测量结果的测量结 果，计算被测信号的相位谱。

下面结合以下实施例对本发明实施例提供的基于多频正弦信号的高频 谱分辨率相位谱测量装置的测量方法进行进一步地说明。

实施例一

以被测信号为“载波频率2.4GHz、频谱分辨率1kHz、调制带宽50kHz” 的情况为例，现有的NVNA商用产品因为无法提供2.4GHz附近“1kHz频谱 分辨率、不小于-100dBm功率”的相位参考谱线而不能实现51个被测频点 相位谱的测量，而采用本发明的技术方案需要进行以下操作：

采用VSG和矢量网络分析VNA，如图5所示构建测量系统。

步骤10、在VNA上设置51个被测频点：2.4GHz、2.4GHz±1kHz、 2.4GHz±2kHz、…、2.4GHz±25kHz。

步骤20、在VSG上设置相同的参数，即提供中心频率为2.4GHz、频谱 间隔为1kHz、频率数量为51、各谱线功率-50dBm的多频正弦信号。

步骤30、系统校准模块根据文献[1-5]进行系统校准，获得各被测频 点上的相位测量误差。

步骤40、接入被测信号，在VNA上读取被测信号和多频正弦信号的相 位差测量结果。

步骤50、根据文献[1-5]的误差修正方法以及步骤30和40的测量结 果，计算被测信号的相位谱。

实施例二

以功率放大器的双音测试为例，如果实验要求测量“中心频率 5.8GHz，双音间隔依次为100kHz、200kHz、400kHz”的3阶互调输出相位 谱，现有的NVNA商用产品因为无法提供5.8GHz附近“50kHz频谱分辨率、 不小于-100dBm功率”的相位参考谱线而不能实现5.8GHz±50kHz、 5.8GHz±100kHz、5.8GHz±150kHz、5.8GHz±200kHz、5.8GHz±300kHz、 5.8GHz±600kHz共计12个被测频点相位谱的测量，而采用本发明的技术 方案需要进行以下操作：

采用AWG任意波形发生器和VNA，如图5所示构建测量系统。

步骤10、在VNA上设置25个等间隔扫描频点：5.8GHz、5.8GHz±50kHz、 5.8GHz±100kHz、5.8GHz±150kHz、…、5.8GHz±600kHz，其中 5.8GHz±50kHz、5.8GHz±100kHz、5.8GHz±150kHz、5.8GHz±200kHz、 5.8GHz±300kHz、5.8GHz±600kHz为12个有效的被测频点。

步骤20、利用AWG生成频点为5.8GHz±50kHz、5.8GHz±100kHz、 5.8GHz±150kHz、5.8GHz±200kHz、5.8GHz±300kHz、5.8GHz±600kHz、 各谱线功率-30dBm的多频正弦信号。

步骤30、系统校准模块根据文献[1-5]进行系统校准，获得各被测频 点上的相位测量误差。

步骤40、将功率放大器输出端连接测量系统。

步骤50、为功率放大器提供5.8GHz±50kHz(100kHz间隔)的双音激 励，在VNA上读取5.8GHz±50kHz、5.8GHz±150kHz(3阶互调频率点)四 个有效频点的相位差测量值；根据文献[1-5]的误差修正方法以及步骤30 的校准结果修正相应频点测量值，计算该情况下的3阶互调输出相位谱。

步骤60、为功率放大器提供5.8GHz±100kHz(200kHz间隔)的双音 激励，在VNA上读取5.8GHz±100kHz、5.8GHz±300kHz(3阶互调频率点) 四个有效频点的相位差测量值；根据文献[1-5]的误差修正方法以及步骤 30的校准结果修正相应频点测量值，计算该情况下的3阶互调输出相位谱。

步骤70、为功率放大器提供5.8GHz±200kHz(400kHz间隔)的双音 激励，在VNA上读取5.8GHz±200kHz、5.8GHz±600kHz(3阶互调频率点) 四个有效频点的相位差测量值；根据文献[1-5]的误差修正方法以及步骤 30的校准结果修正相应频点测量值，计算该情况下的3阶互调输出相位谱。

本发明提供的基于多频正弦信号的高频谱分辨率相位谱测量装置及方 法回避了现有谐波方案中“频谱分辨率和谱线功率”之间的矛盾，即参考 信号谱线功率不随频谱分辨率的提高而减少的问题，使用窄带的多频正弦 信号作为相位参考(取代了现有的谐波方案)实现相位谱测量，从而突破 现有谐波方案的技术瓶颈和指标极限，在GHz频段上实现kHz级高频谱分 辨率的相位测量。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案 而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人 员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离 本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。