CN111726134A - 多路射频信号幅度相位比较***及方法 - Google Patents

多路射频信号幅度相位比较***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多路射频信号幅度相位比较***及方法，包括：单刀多掷射频开关、带通滤波器、混频器、射频本振、低通滤波器、可变增益放大器、模数转换器和信号处理板；所述单刀多掷射频开关与带通滤波器连接，所述带通滤波器与混频器连接，所述的混频器与射频本振以及低通滤波器连接，所述低通滤波器与可变增益放大器连接，所述可变增益放大器与模数转换器连接，所述的模数转换器与信号处理板连接；所述信号处理板与单刀多掷射频开关、可变增益放大器连接，完成各路信号的相对幅度和相位计算。本发明硬件结构简单，无需多个射频通道；算法实现简单，仅需对单刀多掷射频开关调制后的射频信号进行频谱分析，以及少量的矩阵乘法运算。

Description

多路射频信号幅度相位比较***及方法
技术领域
本发明涉及射频微波电路工程技术领域，具体地，涉及一种多路射频信号幅度相位比较***及方法。尤其地，涉及一种对多路射频信号的幅度和相位同时进行测量的***。
背景技术
相控阵天线、大规模MIMO通信、MIMO雷达***均采用了多个射频通道。射频通道的一致性对其性能有着很大的影响。因此，在应用多射频通道的***中，需要对各通道的幅度与相位进行测量，并将测量值作为补偿量来校准***，保证***的性能。现有的多射频通道幅度相位比较依赖于多通道的数字化仪器、多通道矢量信号分析仪等，其***复杂，成本高昂。并且现有的幅度相位测量***普遍采用了多个信号处理通道，对测量仪器的通道一致性有着很高的要求，需要进行复杂的校准。
专利文献CN107101600B(申请号：201710308820.0)公开了基于微波的动叶片叶尖间隙和振动参数融合测量装置，包括：微波传感器，传感器驱动模块，传感器驱动模块包括环形器、锁相环PLL、移相器、混频器、低通滤波电路、高通滤波电路、单片机MCU、乘法器、加法器、自动增益控制电路AGC、比较器、A/D模拟数字信号转化器；数据采集模块，数据采集模块包括现场可编程门阵列FPGA、数字信号处理器DSP，上位机。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多路射频信号幅度相位比较***及方法。
根据本发明提供的多路射频信号幅度相位比较***，包括：
单刀多掷射频开关、带通滤波器、混频器、射频本振、低通滤波器、可变增益放大器、模数转换器和信号处理板；
所述单刀多掷射频开关与带通滤波器连接，所述带通滤波器与混频器连接，所述的混频器与射频本振以及低通滤波器连接，所述低通滤波器与可变增益放大器连接，所述可变增益放大器与模数转换器连接，所述的模数转换器与信号处理板连接；
所述信号处理板与单刀多掷射频开关、可变增益放大器连接，完成各路信号的相对幅度和相位计算。
优选的，所述单刀多掷射频开关对输入的各路射频信号进行周期性调制；
所述单刀多掷射频开关由多个单刀单掷射频开关以及功率合路器替代；
在一个调制周期内，单刀多掷射频开关随机接通输入的各路射频信号。
优选的，所述带通滤波器滤除单刀多掷射频开关输出信号中的高阶谐波分量；
所述混频器将射频信号变换至中频；
在带通滤波器和混频器之间，根据输入信号的功率大小***低噪声放大器。
优选的，所述射频本振，为混频器提供本地振荡信号。
优选的，所述低通滤波器滤除混频后的信号中的高频分量。
优选的，所述可变增益放大器将混频后的中频信号放大到数模转换器的量程范围。
优选的，所述模数转换器驱动天线阵列，使得天线阵列的法向跟踪目标方向。
优选的，所述信号处理板产生单刀多掷射频开关的周期性调制信号，控制可变增益放大器，并对接收的数字信号进行频谱分析，利用周期性调制信号、接收信号的谐波特征来计算各单元通道的相对幅度和相位。
根据本发明提供的多路射频信号幅度相位比较方法，包括：
步骤1：接入多路射频信号；
步骤2：利用单刀多址射频开关周期性地接通各路射频信号，实现信号的周期性调制；
步骤3：利用带通滤波器滤除周期性调制产生的高次谐波分量，使得产生的谐波信号的带宽满足低通采样要求；
步骤4：利用混频器、射频本振以及低通滤波器将信号变换至中频；
步骤5：对接收的中频信号进行可变增益放大，使得放大后的信号满足数模转换器的量程要求，并用数模转换器将中频信号转换至数字域；
步骤6：在信号处理板内，对接收信号的谐波进行分析，结合周期性调制时序来计算各路射频信号的相对幅度和相位。
优选的，信号处理板同时产生周期性调制时序来控制单刀多掷射频开关，并对可变增益放大器的增益进行控制；
设有N路频率为Fc的射频信号同时输入所述的多路射频信号幅度相位比较***，第n路射频信号的幅度为An，相位为
Figure BDA0002529447910000036
利用单刀多掷射频开关对各路射频信号进行接通，设接通第n路信号的起止时刻分别为τn,on和τn,off，则施加于第n路射频信号的周期调制信号为：
Figure BDA0002529447910000031
其中，Tp为调制周期，m为调制周期序号，t为调制的时间；
gn(t)为一个周期内的调制信号，表示为：
Figure BDA0002529447910000032
由于周期调制，经过单刀多掷射频开关后，输出信号中包含频率为Fc的基波分量，以及频率为Fc±kFp的谐波分量，k为谐波阶数，Fp为调制频率；
将周期信号Un(t)用傅里叶级数展开为：
Figure BDA0002529447910000033
其中，j为虚数单位；αk,n为第n路上的调制信号中的第k次谐波分量的傅里叶系数，用下式计算：
Figure BDA0002529447910000034
因此，单刀多掷射频开关的输出信号为：
Figure BDA0002529447910000035
经过单刀多掷射频开关的周期调制后，输出信号中包含基波分量与谐波分量，设输出信号中的基波分量为γ0，前N-1次谐波分量为γ1,γ2,…,γN-1，得到线性方程组：
Figure BDA0002529447910000041
设第1路信号为参考，其他N-1路射频信号相对于第1路信号的幅度和相位分别为：
Figure BDA0002529447910000042
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明硬件结构简单，无需多个射频通道；
2、本发明算法实现简单，仅需对单刀多掷射频开关调制后的射频信号进行频谱分析，以及少量的矩阵乘法运算；
3、本发明针对多路射频信号的幅度相位比较要求，采用对多路信号进行周期性调制的方法，通过分析接收的单路信号中的谐波的频谱特征，来估计输入的各路信号的幅度和相位，本发明尤其适用于宽带、高精度的多路射频信号的幅度和相位比较。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为多路射频信号幅度相位比较模块的基本结构框图；
图2为单刀多掷射频开关输出信号的波形；
图3为单刀多掷射频开关输出信号的频谱；
图4为八路射频信号的幅度相位比较结果；
图中，1-单刀多掷射频开关；2-带通滤波器；3-混频器；4-射频本振；5-低通滤波器；6-可变增益放大器；7-模数转换器；8-信号处理板。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
根据本发明提供的多路射频信号幅度相位比较***，包括：
单刀多掷射频开关1、带通滤波器2、混频器3、射频本振4、低通滤波器5、可变增益放大器6、模数转换器7和信号处理板8；
所述单刀多掷射频开关1与带通滤波器2连接，所述带通滤波器2与混频器3连接，所述的混频器3与射频本振4以及低通滤波器5连接，所述低通滤波器5与可变增益放大器6连接，所述可变增益放大器6与模数转换器7连接，所述的模数转换器7与信号处理板8连接；
所述信号处理板8与单刀多掷射频开关1、可变增益放大器6连接，完成各路信号的相对幅度和相位计算。
优选的，所述单刀多掷射频开关1，用于对输入的各路射频信号进行周期性调制；
所述单刀多掷射频开关1由多个单刀单掷射频开关以及功率合路器替代；
在一个调制周期内，单刀多掷射频开关1随机接通输入的各路射频信号。
优选的，所述带通滤波器2，用于滤除单刀多掷射频开关1输出信号中的高阶谐波分量；
所述混频器3，用于将射频信号变换至中频；
在带通滤波器2和混频器3之间，根据输入信号的功率大小***低噪声放大器。
优选的，所述射频本振4，为混频器3提供本地振荡信号。
优选的，所述低通滤波器5，用于滤除混频后的信号中的高频分量。
优选的，所述可变增益放大器6，用于将混频后的中频信号放大到数模转换器7的量程范围。
优选的，所述模数转换器7，用于驱动天线阵列，使得天线阵列的法向跟踪目标方向。
优选的，所述信号处理板8，用于产生单刀多掷射频开关1的周期性调制信号，控制可变增益放大器6，并对接收的数字信号进行频谱分析，利用周期性调制信号、接收信号的谐波特征来计算各单元通道的相对幅度和相位。
根据本发明提供的多路射频信号幅度相位比较方法，包括：
步骤1：接入多路射频信号；
步骤2：利用单刀多址射频开关周期性地接通各路射频信号，实现信号的周期性调制；
步骤3：利用带通滤波器滤除周期性调制产生的高次谐波分量，使得产生的谐波信号的带宽满足低通采样要求；
步骤4：利用混频器、射频本振以及低通滤波器将信号变换至中频；
步骤5：对接收的中频信号进行可变增益放大，使得放大后的信号满足数模转换器的量程要求，并用数模转换器将中频信号转换至数字域；
步骤6：在信号处理板内，对接收信号的谐波进行分析，结合周期性调制时序来计算各路射频信号的相对幅度和相位。
优选的，信号处理板8同时产生周期性调制时序来控制单刀多掷射频开关1，并对可变增益放大器6的增益进行控制；
设有N路频率为Fc的射频信号同时输入所述的多路射频信号幅度相位比较***，第n路射频信号的幅度为An，相位为
Figure BDA0002529447910000064
利用单刀多掷射频开关1对各路射频信号进行接通，设接通第n路信号的起止时刻分别为τn,on和τn,off，则施加于第n路射频信号的周期调制信号为：
Figure BDA0002529447910000061
其中，Tp为调制周期，m为调制周期序号，t为调制的时间；
gn(t)为一个周期内的调制信号，表示为：
Figure BDA0002529447910000062
由于周期调制，经过单刀多掷射频开关1后，输出信号中包含频率为Fc的基波分量，以及频率为Fc±kFp的谐波分量，k为谐波阶数，Fp为调制频率；
将周期信号Un(t)用傅里叶级数展开为：
Figure BDA0002529447910000063
其中，j为虚数单位；αk,n为第n路上的调制信号中的第k次谐波分量的傅里叶系数，用下式计算：
Figure BDA0002529447910000071
因此，单刀多掷射频开关的输出信号为：
Figure BDA0002529447910000072
经过单刀多掷射频开关1的周期调制后，输出信号中包含基波分量与谐波分量，设输出信号中的基波分量为γ0，前N-1次谐波分量为γ1,γ2,…,γN-1，得到线性方程组：
Figure BDA0002529447910000073
设第1路信号为参考，其他N-1路射频信号相对于第1路信号的幅度和相位分别为：
Figure BDA0002529447910000074
请同时参阅图1至图4。
附图1给出了多路射频信号幅度相位比较模块的基本结构框图。多路射频信号连接到幅度相位比较模块的单刀多掷射频开关1上。信号处理板8上产生调制时序，对单刀多掷射频开关柜进行周期性调制。在一个调制周期内，轮流接通各射频通道。射频开关的输出经过带通滤波器2、混频器3、射频本振4、低通滤波器5、可变增益放大器6后，由模数转换器7将中频模拟信号采样为数字信号。在信号处理板8中，对接收的数字信号进行频谱估计，得到基波分量及谐波分量。由调制时序计算各路信号产生的谐波的傅里叶系数，再由式和式计算其他支路上的射频信号相对于第一路射频信号的幅度和相位。同时，频谱估计的结果用于接收信号的功率估计，产生控制信号，使得可变增益放大器6的输出满足模数转换器7的量程要求。
实施例2：
8路射频信号的幅相相位比较
设8路频率为1GHz的射频信号同时输入到单刀八掷射频开关上。其中，各路信号的幅度分别为：0.80，0.89，1.02，1.23，1.23，0.83，1.24，1.23；
初始相位分别是：-0.73°，15.01°，-17.91°，-3.91°，20.79°，14.61°，22.97°，7.79°。
选择第一路射频信号作为参考，其它支路相对于参考支路的幅度为：0.93dB，2.15dB，3.74dB，3.77dB，0.32dB，3.79dB，3.74dB；相对于参考支路的相位为：15.53°，-16.79°，-4.04°，21.00°，15.30°，23.60°，8.87°。幅度比较和相位比较的初始值见附图4星号标记所示。
利用信号处理板8产生周期性调制信号，周期性地接通8个支路，调制周期为100ns。在一个周期内，射频开关的输出轮流接到8个输入支路，且每个支路导通的时间为12.5ns。经过周期调制后，射频开关输出信号的波形如附图2所示，其频谱如附图3所示。从附图3可以看出，经过射频开关的周期调制后，以基波频率1GHz为中心，两边产生了频率间隔为10MHz的各次谐波分量。
采集10个调制周期的数据，进行频谱分析得到基波、前7次谐波分量的值。再由式计算各支路上产生的谐波分量的傅里叶系数。最后由式和式计算其他支路相对于参考支路的幅度和相位，得到的幅度比较的测量值为：0.86dB，2.18dB，3.77dB，3.64dB，0.13dB，3.69dB，3.69dB；
得到的相位比较的测量值为：15.53°，-16.79°，-4.04°，21.00°，15.30°，23.60°，8.87°。
幅度比较和相位比较的初始值见附图4叉号标记所示。将幅度比较和相位比较的测量值与预设值进行比较，可以看出本发明提供的幅度相位比较方法的有效性。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的***、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的***、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的***、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种多路射频信号幅度相位比较***，其特征在于，包括：
单刀多掷射频开关(1)、带通滤波器(2)、混频器(3)、射频本振(4)、低通滤波器(5)、可变增益放大器(6)、模数转换器(7)和信号处理板(8)；
所述单刀多掷射频开关(1)与带通滤波器(2)连接，所述带通滤波器(2)与混频器(3)连接，所述的混频器(3)与射频本振(4)以及低通滤波器(5)连接，所述低通滤波器(5)与可变增益放大器(6)连接，所述可变增益放大器(6)与模数转换器(7)连接，所述的模数转换器(7)与信号处理板(8)连接；
所述信号处理板(8)与单刀多掷射频开关(1)、可变增益放大器(6)连接，完成各路信号的相对幅度和相位计算。
2.根据权利要求1所述的多路射频信号幅度相位比较***，其特征在于，所述单刀多掷射频开关(1)对输入的各路射频信号进行周期性调制；
所述单刀多掷射频开关(1)由多个单刀单掷射频开关以及功率合路器替代；
在一个调制周期内，单刀多掷射频开关(1)随机接通输入的各路射频信号。
3.根据权利要求1所述的多路射频信号幅度相位比较***，其特征在于，所述带通滤波器(2)滤除单刀多掷射频开关(1)输出信号中的高阶谐波分量；
所述混频器(3)将射频信号变换至中频；
在带通滤波器(2)和混频器(3)之间，根据输入信号的功率大小***低噪声放大器。
4.根据权利要求1所述的多路射频信号幅度相位比较***，其特征在于，所述射频本振(4)，为混频器(3)提供本地振荡信号。
5.根据权利要求1所述的多路射频信号幅度相位比较***，其特征在于，所述低通滤波器(5)滤除混频后的信号中的高频分量。
6.根据权利要求1所述的多路射频信号幅度相位比较***，其特征在于，所述可变增益放大器(6)将混频后的中频信号放大到数模转换器(7)的量程范围。
7.根据权利要求1所述的多路射频信号幅度相位比较***，其特征在于，所述模数转换器(7)驱动天线阵列，使得天线阵列的法向跟踪目标方向。
8.根据权利要求1所述的多路射频信号幅度相位比较***，其特征在于，所述信号处理板(8)产生单刀多掷射频开关(1)的周期性调制信号，控制可变增益放大器(6)，并对接收的数字信号进行频谱分析，利用周期性调制信号、接收信号的谐波特征来计算各单元通道的相对幅度和相位。
9.一种多路射频信号幅度相位比较方法，其特征在于，采用权利要求1-8中任一项或任多项所述的多路射频信号幅度相位比较***，包括：
步骤1：接入多路射频信号；
步骤2：利用单刀多址射频开关周期性地接通各路射频信号，实现信号的周期性调制；
步骤3：利用带通滤波器滤除周期性调制产生的高次谐波分量，使得产生的谐波信号的带宽满足低通采样要求；
步骤4：利用混频器、射频本振以及低通滤波器将信号变换至中频；
步骤5：对接收的中频信号进行可变增益放大，使得放大后的信号满足数模转换器的量程要求，并用数模转换器将中频信号转换至数字域；
步骤6：在信号处理板内，对接收信号的谐波进行分析，结合周期性调制时序来计算各路射频信号的相对幅度和相位。
10.根据权利要求9所述的多路射频信号幅度相位比较方法，其特征在于，信号处理板(8)同时产生周期性调制时序来控制单刀多掷射频开关(1)，并对可变增益放大器(6)的增益进行控制；
设有N路频率为Fc的射频信号同时输入所述的多路射频信号幅度相位比较***，第n路射频信号的幅度为An，相位为
Figure FDA0002529447900000023
利用单刀多掷射频开关(1)对各路射频信号进行接通，设接通第n路信号的起止时刻分别为τn,on和τn,off，则施加于第n路射频信号的周期调制信号为：
Figure FDA0002529447900000021
其中，Tp为调制周期，m为调制周期序号，t为调制的时间；
gn(t)为一个周期内的调制信号，表示为：
Figure FDA0002529447900000022
由于周期调制，经过单刀多掷射频开关(1)后，输出信号中包含频率为Fc的基波分量，以及频率为Fc±kFp的谐波分量，k为谐波阶数，Fp为调制频率；
将周期信号Un(t)用傅里叶级数展开为：
Figure FDA0002529447900000031
其中，j为虚数单位；αk,n为第n路上的调制信号中的第k次谐波分量的傅里叶系数，用下式计算：
Figure FDA0002529447900000032
因此，单刀多掷射频开关的输出信号为：
Figure FDA0002529447900000033
经过单刀多掷射频开关(1)的周期调制后，输出信号中包含基波分量与谐波分量，设输出信号中的基波分量为γ0，前N-1次谐波分量为γ1,γ2,…,γN-1，得到线性方程组：
Figure FDA0002529447900000034
设第1路信号为参考，其他N-1路射频信号相对于第1路信号的幅度和相位分别为：
Figure FDA0002529447900000035
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