CN101442368B - 一种广播通信发射机相噪仿真器及抗相噪性能测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种广播通信发射机相噪仿真器及抗相噪性能测试方法，具体来说是模拟广播通信发射机相位噪声的仿真器装置及对通信***进行抗相位噪声性能测试的方法。发射机相噪仿真器包括相噪载波产生器，用于产生符合相位噪声模型的载波信号，仿真器的工作频段由控制器进行设置。抗相噪性能测试方法测试通信***在高斯白噪声信道下和受到相位噪声干扰后在高斯白噪声信道下的信噪比门限，得出两次测量的门限差作为该***抗此模型相位噪声的性能。利用本发明所述方法和装置，可以在实验室内测试某种通信***抗多种模型相位噪声干扰的性能，总结该***抗相位噪声的能力，并可以对多种***的性能做出比较，为***的研制和开发提供参考。

Description

一种广播通信发射机相噪仿真器及抗相噪性能测试方法
技术领域
本发明属于数字通信测试领域，涉及一种广播通信发射机相噪仿真器及抗相噪性能测试方法，具体来说，本发明涉及一种广播通信发射机相位噪声的仿真器装置及对通信***进行抗相位噪声性能测试的方法。
背景技术
随着数字通信技术的发展，各种新的技术不断产生，新的数字通信体制不断出现，数字调制的信号与模拟调制的信号相比，带宽更宽，频率更高，并且对变频过程中本振相位噪声的影响也更加敏感，这就给设备的研发和制造提出了更高的要求。
相位噪声是振荡器电路中普遍存在的一种噪声。由振荡器自身的器件或者由外接输入的噪声都可能影响到输出信号的频率和幅度。在多数情况下，幅度的扰动可以忽略或者无关紧要，只有随机的频率偏移需要考虑。后者也可以看作是周期随机变化的偏移，或者在时间轴上过零点时间相对于其理想值的偏移。
对于一个纯粹的周期余弦信号，可以表示为：
x(t)＝Acosωct
而受到相位噪声干扰的余弦信号，可以表示为：
x(t)＝Acos[ωct+φn(t)]
其中φn(t)是一个表示周期变化很小的随机额外相位。函数φn(t)称作相位噪声。
在射频应用中，相位噪声通常在频域中表征，对于一个理想的、工作在ωc的正弦振荡器，其频谱为一个冲激脉冲，而通常具有相位噪声的实际振荡器，它的频谱在载频附近表现为一个裙状，不是单纯的冲激脉冲。
为了减小相位噪声的影响，通信***的发射端通过增加成本，采用高质量的振荡器，可以减小相位噪声；通信***的接收端，通过改进接收技术，进行修正相位噪声的处理，可以达到减小影响的目的。
在传统的研究过程中，人们已经对相位噪声产生的机理和如何减小相位噪声的影响进行了大量研究，并对某些通信体制从原理上是否对相位噪声敏感进行了大量研究；但是对于如何定量测试某种通信***受相位噪声干扰影响的程度，并没有相关的测试方法和测试设备的描述。
因此，需要一种通信***抗相位噪声性能的测试方法以及一种仿真器设备，来定量测试某些发射机和接收机构成的***对相位噪声的影响是否敏感。现有的相位噪声测量方法是为了测量发射机本振的相位噪声的大小，而不是为了测试通信***抗相位噪声影响的能力，已有的文献中没有提到类似的方法；相噪仿真器的功能是模拟相位噪声，已有的文献中也没有提到类似的仿真器装置，所以本发明提出的相位噪声仿真装置和抗相噪性能测试方法是有必要的。
总之，本发明提供一种测试评估方法和可重构的相位噪声仿真平台，可以在各种数字传输***和标准下使用，测试结果供发射***的研究人员在设备研发阶段参考。
发明内容
本发明提出了一种广播通信发射机相噪仿真器及抗相噪性能测试方法，具体来说，本发明涉及一种模拟广播通信发射机相位噪声的仿真器装置及对通信***进行抗相位噪声性能测试的方法。
一种广播通信发射机相噪仿真器，包括：
第一混频器：仿真器输入的射频信号输入第一混频器，第一混频器将输入信号与第一本地振荡器产生的载波信号相乘，将输入信号下变频到中频频段，中频频段中心频率是固定值，记为fm，输出变频之后的信号给第一低通滤波器；
第一低通滤波器：对第一混频器输出的下变频之后的信号进行低通滤波，滤除高频镜像分量，输出给带通滤波器；
带通滤波器：对第一低通滤波器输出的信号进行带通滤波，滤除中频之外的频率分量，输出中频信号给第二混频器；
第一本地振荡器：产生第一级载波信号，频率由控制器设置，频率记为f1，载波信号输出给第一混频器；
第二本地振荡器：产生第二级载波信号，频率固定，记为f2，输出给第二混频器；
第二混频器：将带通滤波器输出的中频信号与第二本地振荡器产生的第二级载波相乘，将中频信号搬移到射频，输出上变频后信号给第二低通滤波器；
第二低通滤波器：对第二混频器输出的上变频之后的信号进行低通滤波，滤除高频镜像分量，输出给第三混频器；
相噪载波产生器：接收控制器发送的控制信息，产生符合相位噪声模型的第三级载波信号，输出给第三混频器；
第三混频器：将相噪载波产生器发出的第三级载波信号与第二低通滤波器输出的信号相乘，对第二低通滤波器输出的信号进行频谱搬移，搬移之后的信号输出给第三低通滤波器，搬移之后的信号与仿真器输入射频信号中心频点相同；
第三低通滤波器：滤除第三混频器输出信号中的高频镜像分量，滤波之后的信号作为相噪仿真器的输出信号；
控制器：向第一本地振荡器和相噪载波产生器发送控制信息，设定第一本地振荡器输出的第一级载波频率，设定相噪载波产生器输出的第三级载波频率，设定相噪载波产生器的相位噪声模型和参数，设定相噪载波产生器内部采用的数据源。
一种广播通信发射机相噪仿真器的工作过程为：
调制器输出的射频信号A输入第一混频器，设其中心频率为fs；第一本地振荡器产生第一级载波B，频率为f1，f1的值由控制器输出的控制信号J设定，载波B输出给第一混频器；在第一混频器中信号A与载波B相乘，将有用信号从信号A的射频频段搬移到中频频段，输出中频信号C给第一低通滤波器，此中频频段的中心频率是固定的，设此中心频率为fm，其中fm＝fs-f1，且fm＜＜fs，fm＜＜f1；信号C进入第一低通滤波器滤除混频过程产生的高频分量fs+f1，变为信号D；信号D进入带通滤波器滤除中频频带之外的噪声分量，变为信号E，输出给第二混频器；第二本地振荡器产生第二级载波F，载波F的频率设为f2，f2是固定值且高于调制器所能输出信号的最高频率，载波F输出给第二混频器；第二混频器将信号E和载波F进行混频，产生信号G给第二低通滤波器，信号G中有两个信号分量，中心频率分别在f2-fm和f2+fm；信号G经过第二低通滤波器滤除频率较高的f2+fm分量，保留中心频率在f2-fm的分量，变为信号H，输出给第三混频器；控制器向相噪载波产生器发出指令信号K，相噪载波产生器根据指令K中设定的相位噪声模型和参数以及第三级载波频率，产生带相位噪声的载波L，设载波L的中心频率为f3，应有f3＝f2-fm-fs，f3＞＞fm；第三混频器将信号H(中心频率为f2-fm)和载波L(中心频率为f3)相乘，产生信号M，信号M有两个频率分量f2-fm-f3和f2-fm+f3；信号M输入第三低通滤波器，第三低通滤波器将高频分量f2-fm+f3滤除，保留分量f2-fm-f3，且有fs＝f2-fm-f3，第三低通滤波器输出为信号N，作为相噪仿真器的输出信号，信号N的频谱和中心频率与信号A相同，信号N与信号A相比，混入了载波相位噪声的干扰。
所述相噪载波产生器，包括：
第一高斯白噪声发生器：产生高斯白噪声信号，输出给模数转换器；
模数转换器：将第一高斯白噪声发生器输出的高斯白噪声模拟信号转换为数字信号，输出给数字信号处理模块；
伪随机数据发生器：产生伪随机数字信号，输出给数字信号处理模块；
数字信号处理模块：接收控制器输入的控制信息，控制信息包括相位噪声产生模型、相位噪声模型参数、第三级载波信号的频率、对两路输入信号的选择设置，接收控制信息之后，数字信号处理模块对输入的高斯白噪声信号或伪随机数据进行调制，产生符合相位噪声模型的数字载波信号；
数模转换器：将数字信号处理模块产生的数字载波信号转换为模拟信号，输出给第四低通滤波器；
第四低通滤波器：滤除输入模拟信号中的高频镜像分量，输出作为第三级载波信号。
所述相噪载波产生器的工作过程为：
高斯白噪声发生器产生高斯白噪声信号，发送给模数转换器；模数转换器将高斯白噪声模拟信号转换为数字信号，输入数字信号处理模块；伪随机数据发生器内部由数字运算产生伪随机数据，输入数字信号处理模块；数字信号处理模块接收控制器发送的指令K，指令K中包括：选择高斯白噪声信号还是伪随机数据信号进行调制，对随机信号的数学处理模型，第三级载波的中心频率f3；数字信号处理模块根据指令K，对高斯白噪声信号或者伪随机数据进行调制，通过低通滤波单元和数字频率合成单元生成带有相位噪声的数字载波信号，频率为f3。数字载波信号经过数模转换器变为模拟载波信号。由于数字域信号变为模拟域信号时，会在频谱上产生以采样率为周期的高频镜像信号，模拟载波信号经过低通滤波器滤除高频镜像信号，仅保留中心频率在f3的信号，输出作为信号L。
所述数字信号处理模块，包括：
所述数字频率合成单元：输入信号作为数字频率合成单元的频率控制字，输出符合频率控制字的数字载波信号，作为乘法单元的输入信号或数字信号处理模块的输出信号；
所述低通滤波单元：对输入信号进行低通滤波，滤波之后的结果作为乘法单元或数字频率合成单元的输入信号；
所述乘法单元：乘法单元将两路输入信号相乘，相乘的结果作为加法单元的输入信号或数字信号处理模块的输出信号；
所述加法单元：将输入的多路信号进行相加运算，并输出相加之后的结果信号。
所述数字信号处理模块的一种实施方法，包括：
第一选择开关：第一选择开关接收控制器的指令K，选择模数转换器的信号P或伪随机数据发生器的信号Q，输出给第一乘法单元；
第一乘法单元：第一乘法单元接收控制器设定的参数k1，将来自第一选择开关的信号与参数k1相乘，相乘之后的信号输出给第一加法单元；
第一加法单元：第一加法单元接收控制器设定的参数f3，将来自第一乘法单元的信号与参数f3相加，相加之后的信号输出给第一低通滤波单元；
第一低通滤波单元：第一低通滤波单元将来自第一加法单元的信号进行低通滤波，输出滤波之后的信号T1给数字频率合成单元；
数字频率合成单元：数字频率合成单元将来自第一低通滤波单元的信号T1作为频率控制字，输出经过频率调制之后的载波信号R，作为数字信号处理模块的输出信号。
所述数字信号处理模块的另一种实施方法，包括：
第二选择开关：第二选择开关接收控制器的指令K，选择模数转换器的信号P或伪随机数据发生器的信号Q，输出给第二乘法单元；
第二乘法单元：第二乘法单元接收控制器设定的参数k2，将来自第二选择开关的信号与参数k2相乘，相乘之后的信号输出给第二低通滤波单元；
第二低通滤波单元：第二低通滤波单元将来自第二乘法单元的信号进行低通滤波，输出滤波之后的信号T2给第三乘法单元；
数字频率合成单元：数字频率合成单元接收控制器设定的参数f3，将该参数f3作为频率控制字，输出一定频率的载波信号给第三乘法单元；
第三乘法单元：将来自第二低通滤波单元的信号T2和数字频率合成单元的载波信号相乘，输出相乘之后的信号R，作为数字信号处理模块的输出信号。
一种通信***抗相位噪声性能测试方法，包括如下步骤：
步骤一：由传输分析仪向调制器发送数据，调制器将数据进行调制变频之后，发送射频传输信号给合路器，第二高斯白噪声发生器输出高斯白噪声信号给合路器，合路器将射频传输信号与高斯白噪声信号相加，输出相加后的信号给接收机，接收机解调之后输出的数据发送给传输分析仪，测量此时传输***的高斯白噪声门限，记为h1，单位dB；
a)传输分析仪向调制器发送数据，调制器将数据进行调制变频，发送射频传输信号给合路器，第二高斯白噪声发生器输出高斯白噪声信号给合路器，合路器将射频传输信号与高斯白噪声信号相加，输出相加后的信号给接收机；
b)将调制器的输出功率设定为一定值c0，单位dBm，将第二高斯白噪声发生器的输出设为0，此时接收信号没有受到白噪声的干扰，接收机正常接收；
c)接收机将解调之后的码流发送给传输分析仪，传输分析仪显示此时传输误码率为0；
d)增加第二高斯白噪声发生器的输出功率，使混入信号的高斯白噪声逐步加大，直至接收机不能正常接收；
e)逐步减小第二高斯白噪声发生器的输出功率，直至接收机恢复接收，传输分析仪显示误码率低于门限值e；
f)测量此时第二高斯白噪声发生器的输出功率，记为n1，单位dBm；
g)将载噪比c0/n1作为***在高斯白噪声信道下的载噪比门限h1，单位dB。
步骤二：设定相噪仿真器的相位噪声模型和参数，由传输分析仪向调制器发送数据，调制器将数据进行调制变频之后，发送射频传输信号给相噪仿真器，相噪仿真器在传输信号中混入相位噪声之后输出信号给合路器，第二高斯白噪声发生器输出高斯白噪声信号给合路器，合路器将混入相位噪声的信号与高斯白噪声信号相加，输出相加后的信号给接收机，接收机解调之后输出的数据发送给传输分析仪，测量接收机在该相噪模型下的工作状态和传输***的高斯白噪声门限，工作状态结果分为正常接收和接收失败，门限记为h2，单位dB；
a)传输分析仪向调制器发送数据，调制器将数据进行调制变频，发送射频传输信号给相噪仿真器，相噪仿真器在传输信号中混入相位噪声之后输出信号给合路器，第二高斯白噪声发生器输出高斯白噪声信号给合路器，合路器将混入相位噪声的信号与高斯白噪声信号相加，输出相加后的信号给接收机；
b)设定相噪仿真器的相位噪声模型为模型Np；
c)传输分析仪将测试码流发送给调制器，调制器将调制后信号发送给相噪仿真器，接收机将解调之后的码流发送给传输分析仪；
d)将相噪仿真器的输出功率设定为一定值c0，单位dBm，将第二高斯白噪声发生器的输出设为0，此时接收信号仅受到相位噪声的干扰，接收机若不能正常接收，或者误码率大于门限e，则说明此通信***在此相位噪声影响下接收失败，测试结束；若传输分析仪显示误码率小于门限e，则说明接收正常，进行下一步；
e)增加第二高斯白噪声发生器的输出功率，使混入信号的高斯白噪声逐步加大，直至接收机不能正常接收；
f)逐步减小第二高斯白噪声发生器的输出功率，直至接收机恢复接收，传输分析仪显示误码率低于门限值；
g)测量此时第二高斯白噪声发生器的输出功率，记为n2，单位dBm；
h)将载噪比c0/n2作为***在此相位噪声干扰下高斯白噪声信道的门限h2，单位dB。
步骤三：比较步骤一和步骤二测得的工作状态和高斯白噪声信道下的门限，步骤二与步骤一测得的工作状态和门限的恶化程度为h2-h1，记为Δh，单位dB，作为通信***抗该模型相位噪声的能力。
测量接收机的工作状态，若步骤2中d)步骤结果为接收失败，那么记录为该通信***在相位噪声模型Np下不能正常工作；若步骤2中d)步骤结果为接收正常，则计算步骤二和步骤一得出的门限之间差值h2-h1，记为Δh，单位dB，作为该通信***抗相位噪声模型Np的性能指标。
步骤四：在测试一种通信***之后，要得出另一种通信***在同一相位噪声模型Np下的性能，需要将该通信***按照步骤一和步骤二的方式与测试设备连接，步骤二中设置同一种相噪模型Np，重复步骤一到步骤三，得到该通信***在同一相噪模型下的性能，然后比较两种通信***抗相位噪声的能力优劣。若后一种通信***门限差Δh小于前一种***，则认为后一种通信***抗相位噪声性能优于前一种***，反之则差于前一种***。
上述测试过程中被测信号和所加高斯白噪声处于射频频段或中频频段。相位噪声模拟器的输入信号和输出信号的中心频率是相同的。
所述一种广播通信发射机相噪仿真器，是测试***中的相位噪声模拟设备，可以根据测试的需要，在传输信号中混入特定模型的载波相位噪声，用于抗相位噪声性能的测试。其中相位噪声模拟设备的输入信号和输出信号都是射频信号，可以直接连接射频调制器和射频信号的接收机。本发明中相位噪声模拟器含有多个振荡器，各个振荡器产生的载波信号不是理想的单频信号，也会包含一定的相位噪声，但是经过分析可以认为，振荡器本身的相位噪声与相位噪声模型造成的干扰相比很小，可以忽略不计。
上述一种通信***抗相位噪声性能测试方法，使***处在一种可以定量加入相位噪声的环境下，通过在不同相位噪声模型下测得的***高斯白噪声信道信噪比门限，可以综合得出该通信***抗相位噪声干扰的性能。
本发明主要用于高频数字通信***的测试，随着通信***载波频率的提高，相位噪声更加明显，对***的影响更大，使用本发明可以在***的研制阶段测得***受相位噪声的影响。另外，本发明可以用于不同发射、接收***传输方案的对比选择，比如多载波通信***受相位噪声的影响相对较显著，单载波通信***相对抗相位噪声干扰能力较强，在***方案的初级阶段可以使用本发明的测试方法进行比较和选择。总之，本发明提供一种灵活的相位噪声仿真平台，可以应用于各种通信***和标准，主要供通信***性能测试使用。
本发明一种广播通信发射机的失真仿真器及抗相噪性能测试方法的优点在于：
(1)在不需要大功率发射机的条件下进行***抗相位噪声性能的测试，减少了实验的复杂程度。
(2)本发明一种广播通信发射机的相噪仿真器的输入输出端口中心频率由控制器设置，可适应多种发射、接收设备在多个频段下进行测试。
(3)本发明用一台设备模拟多种发射机的相位噪声失真，并且参数由用户自行设定，节约了实验成本。
附图说明
图1是本发明一种广播通信发射机相噪仿真器的内部框图；
图2是本发明一种广播通信发射机相噪仿真器的相噪载波产生器的内部框图；
图3是本发明一种通信***抗相噪性能测试方法的测试***设备框图之一；
图4是本发明一种通信***抗相噪性能测试方法的测试***设备框图之二；
图5是本发明一种广播通信发射机相噪仿真器的数字信号处理模块算法示意图之一；
图6是本发明一种广播通信发射机相噪仿真器的数字信号处理模块算法示意图之二；
图7是本发明一种通信***抗相位噪声性能测试方法中相位噪声模型频谱图举例；
图8是本发明一种广播通信发射机相噪仿真器的相噪载波产生器的伪随机数据发生器产生的伪随机数据示例波形图；
图9是本发明一种广播通信发射机相噪仿真器输出的含有相噪的载波L的频谱实例1；
图10是本发明一种广播通信发射机相噪仿真器输出的含有相噪的载波L的频谱实例2。
图中：1.调制器  2.相噪仿真器  21.第一混频器  22.第一低通滤波器
23.带通滤波器  24.第二本地振荡器  25.第二混频器  26.第二低通滤波器
27.第一本地振荡器  28.控制器  29.相噪载波产生器
291.第一高斯白噪声发生器  292.模数转换器  293.伪随机数据发生器
294.数字信号处理模块  2940.第一选择开关  2941.第一乘法单元
2942.第一加法单元  2943.第一低通滤波单元  2944.数字频率合成单元
2945.第二选择开关  2946.第二乘法单元  2947.第二低通滤波单元
2948.第三乘法单元  295数模转换器  296.第四低通滤波器
210.第三混频器  211.第三低通滤波器
3.第二高斯白噪声发生器  4.合路器  5.接收机  6.传输分析仪
具体实施方式
一种广播通信发射机相噪仿真器，如图1所示，包括第一混频器21、第一低通滤波器22、带通滤波器23、第二本地振荡器24、第二混频器25、第二低通滤波器26、第一本地振荡器27、控制器28、相噪载波产生器29、第三混频器210、第三低通滤波器211。
调制器1输出的射频信号A输入第一混频器，设其中心频率为fs，带宽为Ws，且Ws＜＜fs；
第一本地振荡器27产生第一级载波B，频率为f1，f1的值由控制器28输出的控制信号J设定，且有f1＝fs-fm，fm为中频信号C的中心频率，载波B输出给第一混频器21；
在第一混频器21中信号A与载波B相乘，将输入信号A从射频频段搬移到中频频段，输出中频信号C，此中频频段的中心频率是固定的，中心频率为fm，有fm＝fs-f1，且fm＜＜fs，fm＜＜f1，信号C除了包含中频分量之外，还包括高频分量fs+f1，信号C输出给第一低通滤波器22；
中频信号C进入第一低通滤波器22滤除混频过程产生的高频分量fs+f1，变为信号D，信号D中心频率为fm，带宽为Ws，信号D输出给带通滤波器23；
信号D进入带通滤波器23滤除中频频带之外的杂波分量，输出信号E给第二混频器25；
第二本地振荡器24产生一个高频第二级载波F，高频载波F的频率设为f2，f2是固定值且高于调制器1所能输出信号的最高频率，即f2＞fs，f2＞f1，载波F输出给第二混频器25；
第二混频器25将信号E和载波F相乘，产生信号G，信号G中含有两个分量，中心频率分别在f2-fm和f2+fm，信号G输出给第二低通滤波器26；
信号G经过第二低通滤波器26滤除频率较高的f2+fm分量，保留中心频率在f2-fm的分量，输出信号H给第三混频器210；
控制器28向相噪载波产生器29发出指令信号K，相噪载波产生器29接收指令K中的内容包括设定的相位噪声产生模型、相位噪声模型参数、第三级载波信号的频率，相噪载波产生器29产生带相位噪声的第三级载波L，设载波L的中心频率为f3，应有f3＝f2-fm-fs，f3＞＞fm，载波L输出给第三混频器210；
第三混频器210将信号H(中心频率为f2-fm)和载波L(中心频率为f3)相乘，产生信号M，信号M含有两个频率分量f2-fm-f3和f2-fm+f3，信号M输出给第三低通滤波器211；
信号M输入第三低通滤波器211，第三低通滤波器211将信号M中的高频分量f2-fm+f3滤除，保留分量f2-fm-f3，且有fs＝f2-fm-f3，输出信号N，信号N的中心频率为fs，带宽为Ws，信号N的频谱和中心频率都与信号A相同，但信号N与信号A相比，混入了载波相位噪声的干扰，达到了加入相位噪声模型的目的。
如图2所示，所述相噪载波产生器29包括第一高斯白噪声发生器291、模数转换器292、伪随机数据发生器293、数字信号处理模块294、数模转换器295、第四低通滤波器296。
第一高斯白噪声发生器291产生高斯白噪声信号，输出给模数转换器292；
模数转换器292将第一高斯白噪声发生器291输出的高斯白噪声模拟信号转换为数字信号P，信号P输出给数字信号处理模块294；
伪随机数据发生器293内部由数字运算产生伪随机数据信号Q，信号Q输入数字信号处理模块294；
数字信号处理模块294接收控制器28发送的控制信息K，控制信息包括相位噪声产生模型、相位噪声模型参数、第三级载波信号的频率f3、对两路输入信号的选择设置，接收控制信息之后，数字信号处理模块294对输入的高斯白噪声信号或伪随机数据进行调制，产生符合相位噪声模型的数字载波信号R，输出给数模转换器295；
数模转换器295将数字载波信号R转换为模拟载波信号S，输出给第四低通滤波器296；
由于数字信号R变为模拟信号S时，会在频谱上产生以采样率为周期的镜像信号，第四低通滤波器296滤除模拟载波信号S中的高频镜像分量，仅保留中心频率在f3的信号，输出信号L至第三混频器210。
图3为所述数字信号处理模块294的一种结构实例，包括第一选择开关2940、第一乘法单元2941、第一加法单元2942、第一低通滤波单元2943、数字频率合成单元2944。该实例实现对输入随机信号的调频调制。具体过程为：输入指令K设定第一选择开关2940的选择，设定第一乘法单元2941的参数k1，设定第一加法单元的参数f3；数字白噪声信号P和伪随机数据信号Q输入第一选择开关2940，第一选择开关2940根据输入指令K，选择信号P或信号Q进入第一乘法单元2941；第一乘法单元2941将第一选择开关2940输入的信号与参数k1相乘，输出结果给第一加法单元2942；第一加法单元2942将输入信号与参数f3相加，输出给第一低通滤波单元2943；第一低通滤波单元2943对输入信号进行限带滤波，输出滤波后信号T1给数字频率合成单元2944；数字频率合成单元2944将输入信号T1作为输出频率控制字，相当于对输入信号T1进行调频调制，输出调制后数字载波信号R。
图4为所述数字信号处理模块294的另一种结构实例，包括第二选择开关2945、第二乘法单元2946、第二低通滤波单元2947、第三乘法单元2948、数字频率合成单元2944。该实例实现对输入随机信号的调幅调制。具体过程为：输入指令K设定第二选择开关2945的选择，设定第二乘法单元2946的参数k2，设定数字频率合成单元2944的参数f3；数字白噪声信号P和伪随机数据信号Q输入第二选择开关2945，第二选择开关2945根据输入指令K，选择信号P或信号Q进入第二乘法单元2946；第二乘法单元2946将第二选择开关2945输入的信号与参数k2相乘，输出结果给第二低通滤波单元2947；第二低通滤波单元2947对输入信号进行限带滤波，输出滤波后信号T2给第三乘法单元2948；数字频率合成单元2944将参数f3作为频率控制字，输出数字载波信号给第三乘法单元2948；第三乘法单元2948将输入信号T2与数字载波信号相乘，相当于对输入信号T2进行调幅调制，输出调幅后数字载波信号R。
一种通信***抗相位噪声性能测试方法，包括如下步骤：
步骤一：由传输分析仪6向调制器1发送数据，调制器1将数据进行调制变频之后，发送射频传输信号给合路器4，第二高斯白噪声发生器3输出高斯白噪声信号给合路器4，合路器4将射频传输信号与高斯白噪声信号相加，输出相加后的信号给接收机5，接收机5解调之后输出的数据发送给传输分析仪6，测量此时传输***的高斯白噪声门限，记为h1，单位dB，所述各设备连接关系如图5所示；
a)传输分析仪6向调制器1发送数据，调制器1将数据进行调制变频，发送射频传输信号给合路器4，第二高斯白噪声发生器3输出高斯白噪声信号给合路器4，合路器4将射频传输信号与高斯白噪声信号相加，输出相加后的信号给接收机5；
b)将调制器1的输出功率设定为一定值c0，单位dBm，将第二高斯白噪声发生器3的输出设为0，此时接收信号没有受到白噪声的干扰，接收机5正常接收；
c)接收机5将解调之后的码流发送给传输分析仪6，传输分析仪6显示此时传输误码率为0；
d)增加第二高斯白噪声发生器3的输出功率，使混入信号的高斯白噪声逐步加大，直至接收机5不能正常接收；
e)逐步减小第二高斯白噪声发生器3的输出功率，直至接收机5恢复接收，传输分析仪显示误码率低于门限值e；
f)测量此时第二高斯白噪声发生器3的输出功率，记为n1，单位dBm；
g)将载噪比c0/n1作为***在高斯白噪声信道下的载噪比门限h1，单位dB。
步骤二：设定相噪仿真器2的相位噪声模型和参数，由传输分析仪6向调制器1发送数据，调制器1将数据进行调制变频之后，发送射频传输信号给相噪仿真器2，相噪仿真器2在传输信号中混入相位噪声之后输出信号给合路器4，第二高斯白噪声3发生器输出高斯白噪声信号给合路器4，合路器4将混入相位噪声的信号与高斯白噪声信号相加，输出相加后的信号给接收机5，接收机5解调之后输出的数据发送给传输分析仪6，测量接收机5在该相噪模型下的工作状态和传输***的高斯白噪声门限，工作状态结果分为正常接收和接收失败，门限记为h2，单位dB，接入相噪仿真器2的设备连接关系如图6所示；
a)传输分析仪6向调制器1发送数据，调制器1将数据进行调制变频，发送射频传输信号给相噪仿真器2，相噪仿真器2在传输信号中混入相位噪声之后输出信号给合路器4，第二高斯白噪声发生器3输出高斯白噪声信号给合路器4，合路器4将混入相位噪声的信号与高斯白噪声信号相加，输出相加后的信号给接收机5；
b)设定相噪仿真器2的测试相位噪声模型，命名为模型Np；
c)传输分析仪6将测试码流发送给调制器1，调制器1将调制后信号发送给相噪仿真器2，接收机5将解调之后的码流发送给传输分析仪6；
d)将相噪仿真器2的输出功率设定为一定值c0，单位dBm，将第二高斯白噪声发生器3的输出设为0，此时接收信号仅受到相位噪声的干扰，接收机若不能正常接收，或者误码率大于门限e，则说明此通信***在此相位噪声影响下接收失败，测试结束；若传输分析仪6显示误码率小于门限e，则说明接收5正常，进行下一步；
e)增加第二高斯白噪声发生器2的输出功率，使混入信号的高斯白噪声逐步加大，直至接收机5不能正常接收；
f)逐步减小第二高斯白噪声发生器3的输出功率，直至接收机5恢复接收，传输分析仪6显示误码率低于门限值；
g)测量此时第二高斯白噪声发生器2的输出功率，记为n2，单位dBm；
h)将载噪比c0/n2作为***在此相位噪声干扰下高斯白噪声信道的门限h2，单位dB。
步骤三：比较步骤一和步骤二测得的工作状态和高斯白噪声信道下的门限，步骤二与步骤一测得的工作状态和门限的恶化程度为h2-h1，记为Δh，单位dB，作为通信***抗该模型相位噪声的能力。
测量接收机的工作状态，若步骤2中d)步骤结果为接收失败，那么记录为该通信***在相位噪声模型Np下不能正常工作；若步骤2中d)步骤结果为接收正常，则计算步骤二和步骤一得出的门限之间差值h2-h1，记为Δh，单位dB，作为该通信***抗相位噪声模型Np的性能指标。
步骤四：在测试一种通信***之后，要得出另一种通信***在同一相位噪声模型Np下的性能，需要将该通信***按照步骤一和步骤二的方式与测试设备连接，步骤二中设置同一种相噪模型Np，重复步骤一到步骤三，得到该通信***在同一相噪模型下的性能，然后比较两种通信***抗相位噪声的能力优劣。若后一种通信***门限差Δh小于前一种***，则认为后一种通信***抗相位噪声性能优于前一种***，反之则差于前一种***。
上述测试过程中被测信号和所加高斯白噪声处于射频频段或中频频段。相位噪声模拟器的输入信号和输出信号的中心频率是相同的。
下面以数字电视地面无线广播为例，说明本发明测试方法的原理和工作过程：
数字电视地面无线广播***作为一种典型的无线宽带通信***，因为发射功率大，载波频率高，一般需要多次变频才能够实现频谱搬移，使用振荡器数量较多，所以相位噪声是广播发射机中一种主要的干扰之一。不同体制的无线广播***采用的调制方式不同，如单载波或多载波调制方式，其性能特点不同，例如，一般认为，多载波调制方式对多径干扰有很好的抑制作用，而单载波调制方式对频偏和相位噪声有很好的抗干扰能力。而且具体的抗干扰性能也随着***工作参数的变化而有所不同。
采用本发明中的抗相位噪声性能测试方法，可以对不同调制方式的抗相位噪声性能进行测试，得出的测试结果作为该***抗相位噪声性能，给***的研制和使用提供重要参考。
某两种数字电视地面无线广播通信***(称为甲***和乙***)抗相位噪声性能测试过程，设备连接关系如图5和图6所示，步骤为：
步骤一：测试甲***在无相位噪声影响时，在高斯白噪声信道下的门限，设备连接关系如图5所示。
a)由传输分析仪6向调制器1发送数据，调制器1将数据进行调制变频，发送射频传输信号给合路器4，第二高斯白噪声发生器3输出高斯白噪声信号给合路器4，合路器4将射频传输信号与高斯白噪声信号相加，输出相加后的信号给接收机5；
b)将调制器1的输出功率设定为一定值c0，设为-53dBm，将第二高斯白噪声发生器3的输出设为0，此时信号没有受到白噪声的干扰，接收机5正常接收；
c)接收机5将解调之后的码流发送给传输分析仪6，传输分析仪6显示此时传输误码率为0；
d)增加高斯白噪声发生器3的输出功率，使混入信号的高斯白噪声逐步加大，直至接收机5不能正常接收；
e)以0.1dBm为单位逐步减小第二高斯白噪声发生器3的输出功率，直至接收机5恢复接收，传输分析仪6显示误码率低于门限值e(设e的值为3×10-6)；
f)测量此时第二高斯白噪声发生器3的输出功率，记为n1，例如，此时第二高斯白噪声发生器输出功率为-63dBm；
g)计算载噪比c0/n1＝-53dBm-(-63dBm)＝10dB，甲***在高斯白噪声信道下的载噪比门限h1＝10dB。
步骤二：在测试***中加入相噪仿真器2，使甲***调制器1的信号经过相位噪声模拟器2之后再输出给合路器4，测量此时***在高斯白噪声信道下的门限，设备连接关系如图6所示：
a)传输分析仪6向调制器1发送数据，调制器1将数据进行调制变频，发送射频传输信号给相噪仿真器2，相噪仿真器2在传输信号中混入相位噪声之后输出信号给合路器4，第二高斯白噪声发生器3输出高斯白噪声信号给合路器4，合路器4将混入相位噪声的信号与高斯白噪声信号相加，输出相加后的信号给接收机5；
b)设定相噪仿真器2中的相位噪声模型，命名为模型Np，Np实例如图7和表1中的定义；
表1
频率标号 频率值     相位噪声(dBc/Hz)
    fa     1kHz     -52
    -fa     -1kHz     -52
    fb     10kHz     -64
    -fb     -10kHz     -64
    fc     100kHz     -73
    -fc     -100kHz     -73
c)传输分析仪6将测试码流发送给调制器1，调制器1将调制后信号发送给相噪仿真器2，接收机5将解调之后的码流发送给传输分析仪6；
d)将相位噪声模拟器2的输出功率设定为一定值c0，如-53dBm，将第二高斯白噪声发生器3的输出设为0，此时接收信号仅受到相位噪声的干扰，接收机5正常接收；
e)增加第二高斯白噪声发生器3的输出功率，使混入信号的高斯白噪声逐步加大，直至接收机5不能正常接收；
f)以0.1dBm为单位逐步减小第二高斯白噪声发生器3的输出功率，直至接收机5恢复接收，传输分析仪6显示误码率低于门限值e(设e的值为3×10-6)；
g)测量此时第二高斯白噪声发生器3的输出功率，记为n2，例如，此时高斯白噪声发生器输出功率为-64dBm；
h)将载噪比c0/n2＝-53dBm-(-64dBm)＝11dB作为甲***在此相位噪声干扰下，高斯白噪声信道的门限h2＝11dB，可以看出，由于相位噪声的干扰，甲***在高斯白噪声信道下的门限有所恶化。
步骤三：计算得出的门限之间差值Δh＝h2-h1＝1dB，将Δh作为甲***抗相位噪声模型Np的性能指标。
步骤四：对乙***重复步骤一至步骤三，如果乙***在相位噪声模型Np下门限差值高于甲***的门限差值(1dB)，例如乙***的门限差值大于1dB或者接收失败，说明乙***抗相位噪声模型Np的性能比甲***要差；相反，若乙***的门限差值小于1dB，则说明乙***抗相位噪声模型Np的性能比甲***要好。
表1是本发明一种通信***抗相位噪声性能测试方法中对图7相位噪声模型频谱图的数据说明；
测试过程中被测信号和所加高斯白噪声都处于射频频段，相位噪声模拟器2的输入信号和输出信号的中心频率相同，这样可以在不改变原***结构的情况下进行测试。在单次测试之后，得出的结果为该通信***在此相位噪声模型下的性能，要得出通信***在其他相位噪声模型下的性能，需要设定其他相噪模型再次按步骤一至步骤三进行测试。测试多个相位噪声模型下的性能之后，可以综合总结得出该通信***抗相位噪声的性能。
在本发明的相噪载波产生器29的一个具体实施例1中，数字信号处理模块294选择对数字高斯白噪声信号进行调制，调制方式为调频方式，结构如图3所示，设经过第一低通滤波单元2943的数字高斯白噪声信号T1为N0(t)，经过数字频率合成单元2944转换为数字载波信号，再经过数模转换器295变为模拟信号、再经过第四低通滤波器296滤除镜像分量之后，输出载波信号L(设为sL(t))的表达式为：
sL(t)＝Acos{2π[f3+k1·N0(t)]t+φ(t)}
其中，A为输出载波幅度，f3为载波基准频率，k1为调频系数，φ(t)为相位变量(在此例中为常数)。
在此例中，数字信号处理模块294中数字频率合成单元2944的输出频率为f3，模数转换器292的转换位宽为10位，模拟高斯白噪声信号通过模数转换器292量化为均值为0，方差为27的数字高斯白噪声信号；数字频率合成单元2944的参考时钟为500MHz，频率控制字位宽为32位，可以算出合成频率的分辨力为500MHz/232＝0.1164Hz，这里k1可以理解为输入调制信号转换为调频频偏的最小单位倍数，当k1＝1时，输入的白噪声造成的最大频率变化为0.1164Hz×210＝119.2Hz，当k1变大时，相应相位噪声就更大。图8为k1＝5时的载波信号L频谱形状，图9为k1＝20时的载波信号L频谱形状，可以看出图10中的相位噪声比图9中的更加恶劣，也就是说，通过控制输入高斯白噪声的幅度大小和调频系数k1的值，可以设定载波中混入的相位噪声大小，达到测试模型的要求。
在本发明的相噪载波产生器29的一个具体实施例2中，结构如图3所示，数字信号处理模块294的数据源采用伪随机数据发生器293输出的信号，伪随机数据为均值为0，方差为27的符合高斯分布的随机整数，波形如图10所示，调制方式采用调频方式，采用与上例相同的参数控制，形成符合要求的相位噪声。采用伪随机数据发生器的数据优点在于，随机数据的产生受物理环境的影响很小，器件制作简单、成本低，并且可以任意改变生成伪随机数据的分布规律等。
在本发明相噪载波产生器29的一个具体实施例3中，结构如图4所示，数字信号处理模块294中对伪随机数据发生器293输出的信号进行调幅调制，结构如图4所示，设经过第二低通滤波单元2947的伪随机数据信号T2为N1(t)，在乘法单元2948中与载波信号相乘，输出数字载波信号R，再通过数模转换器295变为模拟载波信号，再通过第四低通滤波器滤除镜像分量，输出信号L(设为sL(t))的表达式为：
sL(t)＝Acos[2πf3t]·k2·N1(t)
其中，A为输出载波幅度，f3为载波基准频率，k2为调幅系数。通过调幅调制在载波中混入了相位噪声，是实现相位噪声模型的另一种方法。

Claims (8)

1.一种广播通信发射机相噪仿真器，其特征在于，包括第一混频器、第一低通滤波器、带通滤波器、第一本地振荡器、第二本地振荡器、第二混频器、第二低通滤波器、相噪载波产生器、第三混频器、第三低通滤波器、控制器；
所述第一混频器：将仿真器输入的射频信号与第一本地振荡器产生的第一级载波信号相乘，将输入射频信号下变频，输出下变频之后的信号给第一低通滤波器；
所述第一低通滤波器：对第一混频器输出的下变频之后的信号进行低通滤波，滤除高频镜像分量，输出给带通滤波器；
所述带通滤波器：对第一低通滤波器输出的信号进行带通滤波，滤除中频之外的频率分量，输出中频信号给第二混频器；
所述第一本地振荡器：产生第一级载波信号，频点由控制器设置，载波信号输出给第一混频器；
所述第二本地振荡器：产生第二级载波信号，输出给第二混频器；
所述第二混频器：将带通滤波器输出的中频信号与第二本地振荡器产生的第二级载波信号相乘，将中频信号上变频到射频，输出上变频后信号给第二低通滤波器；
所述第二低通滤波器：对第二混频器输出的上变频之后的信号进行低通滤波，滤除高频镜像分量，输出给第三混频器；
所述相噪载波产生器：接收控制器发送的控制信息，产生符合相位噪声模型的第三级载波信号，输出给第三混频器；
所述第三混频器：将相噪载波产生器发出的第三级载波信号与第二低通滤波器输出的信号相乘，对第二低通滤波器输出的信号进行频谱搬移，搬移之后的信号输出给第三低通滤波器，搬移之后的信号与仿真器输入射频信号中心频点相同；
所述第三低通滤波器：滤除第三混频器输出信号中的高频镜像分量，滤波之后的信号作为所述相噪仿真器的输出信号；
所述控制器：向第一本地振荡器和相噪载波产生器发送控制信息，设定第一本地振荡器输出的第一级载波频率，设定相噪载波产生器输出的第三级载波频率，设定相噪载波产生器的相位噪声模型和参数，设定相噪载波产生器内部采用的数据源。
2.根据权利要求1所述的一种广播通信发射机相噪仿真器，其特征在于，所述第二本地振荡器输出的第二级载波信号频率是固定值。
3.根据权利要求1所述的一种广播通信发射机相噪仿真器，其特征在于，所述第三混频器输出信号的载波频率与仿真器输入信号的载波频率相同。
4.根据权利要求1所述的一种广播通信发射机相噪仿真器，其特征在于，所述相噪载波产生器，包括第一高斯白噪声发生器、模数转换器、伪随机数据发生器、数字信号处理模块、数模转换器、第四低通滤波器；
所述第一高斯白噪声发生器：产生高斯白噪声信号，输出给模数转换器；
所述模数转换器：将高斯白噪声发生器输出的高斯白噪声模拟信号转换为数字信号，输出给数字信号处理模块；
所述伪随机数据发生器：产生伪随机数字信号，输出给数字信号处理模块；
所述数字信号处理模块：接收控制器输入的控制信息，控制信息包括相位噪声产生模型、相位噪声模型参数、第三级载波信号的频率、对两路输入信号的选择设置，接收控制信息之后，数字信号处理模块对输入的高斯白噪声信号或伪随机数据进行调制，产生符合相位噪声模型的数字载波信号；
所述数模转换器：将数字信号处理模块产生的数字载波信号转换为模拟信号，输出给第四低通滤波器；
所述第四低通滤波器：滤除输入模拟信号中的高频镜像分量，输出作为第三级载波信号。
5.根据权利要求4所述的一种广播通信发射机相噪仿真器，其特征在于，所述数字信号处理模块，包括第一选择开关、第一乘法单元、第一加法单元、第一低通滤波单元、数字频率合成单元；
所述第一选择开关：第一选择开关接收控制器的指令，选择模数转换器的信号或伪随机数据发生器的信号，输出给第一乘法单元；
所述第一乘法单元：第一乘法单元接收控制器设定的参数，将来自第一选择开关的信号与参数相乘，相乘之后的信号输出给第一加法单元；
所述第一加法单元：第一加法单元接收控制器设定的参数，将来自第一乘法单元的信号与参数相加，相加之后的信号输出给第一低通滤波单元；
所述第一低通滤波单元：第一低通滤波单元将来自第一加法单元的信号进行低通滤波，输出滤波之后的信号给数字频率合成单元；
所述数字频率合成单元：数字频率合成单元将来自第一低通滤波单元的信号作为频率控制字，输出经过频率调制之后的载波信号，作为数字信号处理模块的输出信号。
6.根据权利要求4所述的一种广播通信发射机相噪仿真器，其特征在于，所述数字信号处理模块包括第二选择开关、第二乘法单元、第二低通滤波单元、第三乘法单元和数字频率合成单元；
所述第二选择开关：第二选择开关接收控制器的指令，选择模数转换器的信号或伪随机数据发生器的信号，输出给第二乘法单元；
所述第二乘法单元：第二乘法单元接收控制器设定的参数，将来自第二选择开关的信号与参数相乘，相乘之后的信号输出给第二低通滤波单元；
所述第二低通滤波单元：第二低通滤波单元将来自第二乘法单元的信号进行低通滤波，输出滤波之后的信号给第三乘法单元；
所述数字频率合成单元：数字频率合成单元接收控制器设定的参数，将该参数作为频率控制字，输出一定频率的载波信号给第三乘法单元；
所述第三乘法单元：将来自第二低通滤波单元的信号和数字频率合成单元的载波信号相乘，输出相乘之后的信号，作为数字信号处理模块的输出信号。
7.一种通信***抗相位噪声性能测试方法，包括如下步骤：
步骤一，由传输分析仪向调制器发送数据，调制器将数据进行调制变频之后，发送射频传输信号给合路器，第二高斯白噪声发生器输出高斯白噪声信号给合路器，合路器将射频传输信号与高斯白噪声信号相加，输出相加后的信号给接收机，接收机解调之后输出的数据发送给传输分析仪，测量此时传输***的高斯白噪声门限；
步骤二，设定权利要求1所述的相噪仿真器的相位噪声模型和参数，由传输分析仪向调制器发送数据，调制器将数据进行调制变频之后，发送射频传输信号给相噪仿真器，相噪仿真器在传输信号中混入相位噪声之后输出信号输出至合路器，第二高斯白噪声发生器输出高斯白噪声信号也输出至合路器，合路器将混入相位噪声的信号与高斯白噪声信号相加，相加后的信号输出至接收机，接收机解调之后输出的数据发送给传输分析仪，测量接收机在该相噪模型下的工作状态和传输***的高斯白噪声门限；
步骤三，比较步骤一和步骤二测得的工作状态和高斯白噪声信道下的门限，将步骤二与步骤一测得的工作状态和门限的差值作为通信***抗该模型相位噪声的能力；
步骤四：在测试一种通信***之后，要得出另一种通信***在同一相位噪声模型下的性能，需要将该通信***按照步骤一和步骤二的方式与测试设备连接，步骤二中设置同一种相噪模型，重复步骤一到步骤三，得到该通信***在同一相噪模型下的性能，然后比较两种通信***抗相位噪声的能力优劣。
8.根据权利要求7所述一种通信***抗相位噪声性能测试方法，其特征在于，所述相噪仿真器输出信号的中心频率与调制器输出信号中心频率相同。
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CN101257469A (zh) * 2008-01-11 2008-09-03 清华大学 正交频分复用***中利用***信息抑制相位噪声的方法

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