一种模拟信号通道的滤波均衡的方法转让专利
申请号 : CN200610144602.X
文献号 : CN1968161B
文献日 : 2010-09-29
发明人 : 何怡 , T·C·希尔三世 , M·K·达西尔瓦
申请人 : 特克特朗尼克公司
摘要 :
一种用于模拟信号通道的滤波均衡技术，例如在同时测量频带上的信号的仪器中，对于相位校准源不是方便可用的高频带使用幅度测量数据。正弦信号源连同准确功率表被用于在希望的频带上提供阶梯状的频率输入到具有准确测量幅度的模拟信号通道。模拟信号通道的输出被数字化且计算作为结果的频率幅度。然后仪器从每次测得的频率幅度减去得到的功率表结果来确定模拟信号通道的幅度响应。基于在希望的频带上的最小相位假设，使用希耳伯特变换来确定相应的相位响应。从幅度和相位响应，反相或数字均衡滤波器可被设计用于模拟信号通道。
权利要求 :
1.一种用于具有低频带通道(20)和高频带通道(30)的模拟信号通道的滤波均衡的方法，每一个通道都具有射频滤波器(22，32)和中频滤波器(26，36)，该方法包括步骤：通过测量在低频带通道(20)上的低频带通道射频滤波器(22)的幅度响应和测量在高频带通道(30)上的高频带通道射频滤波器(32)的幅度响应，以获得在具体频带上射频滤波器的射频幅度响应；
通过测量在低频带通道(20)上的低频带通道射频滤波器(22)和低频带通道中频滤波器(26)的组合幅度响应和测量在高频带通道(30)上的高频带通道射频滤波器(32)和高频带通道中频滤波器(36)的组合幅度响应，以获得在具体频带上组合的射频和中频滤波器(22，32，26，36)的组合幅度响应；
通过从低频带通道射频滤波器的幅度响应中减去高频带通道射频滤波器的幅度响应，得到射频幅度响应；通过从低频带通道上的组合幅度响应中减去高频带通道上的组合幅度响应，得到组合幅度响应；通过从组合幅度响应中减去射频幅度响应，得到中频幅度响应；
基于在具体频带上的最小相位假设，使用希尔伯特变换从射频幅度响应中计算射频相位响应和从中频幅度响应中计算中频相位响应；
测量该低频带通道(20)的频率响应；
通过从低频带通道频率响应减去射频相位响应和中频相位响应，以根据该低频带通道的频率响应、射频相位响应和中频相位向应来确定高频带通道(30)的频率响应，由此来获得该高频带通道(30)的频率响应；和使用该低频带通道(20)的频率响应和该高频带通道(30)的频率响应以均衡滤波。
2.根据权利要求1的方法，其中获得幅度响应步骤包括步骤：
在模拟信号通道的输入处提供阶梯状的频率连续波信号(54)；
在模拟信号通道的输入和输出处都测量阶梯状的频率连续波信号的每个频率的幅度来获得幅度响应。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括在包含模拟信号通道的测量仪器中存储幅度响应和相位响应作为校准数据。
4.根据权利要求3所述的方法，其中测量低频带的频率响应包括在测量仪器的运行时间内使用内部源。
说明书 :
技术领域
本发明涉及在频带上同时测量信号的仪器，并更具体地涉及用于使用幅度测量数据来提高频域和时域测量的准确度的这些仪器的滤波均衡。
背景技术
在现代电信中，通过许多调制技术来数字化地传输信息。这些技术包括调制频率、相位和/或幅度。调制方案变得更加复杂，增大了在电信工业上提供具有更高准确度的设备的压力。典型的通信标准要求好的振幅平滑性和相位线性来满足性能目标，例如误码率。为了确定电信装置的准确度，测量仪器要求具有甚至更高的准确度。然而这些测量仪器包括以不同的方式影响不同频率的幅度和相位的滤波器，即，在一个频率处信号幅度的衰减可能要大于在通带频率内另一频率处的衰减，同时通过滤波器的信号的相位或延迟也可能在不同的频率处受到影响。理想地，滤波器应没有衰减或同等衰减地通过其通带内所有频率且通过滤波器的延迟对所有频率应该是相同的，因此在滤波器通带内没有从频率到频率的相对相位变化。
对于较低频率当前的技术提供一种校准源，其在一个组合信号，即具有梳状频率特征的信号中输出多个频率。通过滤波的几个阶段之后，这个信号被数字化且幅度和相位被测量并与已知理想结果相比较。然后提供反相滤波器基于测量结果来处理该数字化的输出以便该结果输出符合该已知的理想结果。
对于射频(RF)/微波仪器上的中频(IF)信道均衡，校准源或激励信号的设计是关键。对于低频带，重复的宽带信号，例如伪随机噪声(PRN)信号，可用作激励源并使用跟随有快速响应触发器的线性反馈移位寄存器很容易地被执行。该重复的信号表现出梳状的频谱。在频谱线之间有已知的幅度和相位关系。首先测量响应于这个激励信号的通道频率以便可以在频谱线上估计总的IF通道频率响应。通过去除激励信号的频率响应最终获得该IF通道频率响应。为了对频谱线保持好的信噪比(SNR)，PRN频谱的有用部分通常被选择与仪器的信号带宽具有相同量级的幅度。
然而，对于高的频率，在感兴趣频带的PRN信号通常没有足够的功率来获得希望的性能，这是因为频谱的振幅跟随sin(x)/x的包络。可以替代使用其他的均衡源，例如正交频分复用(OFDM)调制信号。与PRN方法相比较，这个第二方法在硬件资源上要求得更多，例如数模转换器(DAC)，混频器和本机振荡器(LO)。在制造或运行校准期间，激励信号的振幅和相位中的频率响应都需要被测量。在上转换OFDM信号上的源校准是特别具有挑战的，这是因为在高频缺少好的指定信号发生器。换句话说，对于均衡测量仪器的高频带，没有方便可用的相位校准源。结果，在高频带的测量误差可达到30％或更高，其大大超过了为确保电信设备正确地操作来提供清晰的通信信号所要求的测量准确度。
希望有一种用于均衡测量仪器的高频带的技术，其说明幅度和相位都具有比被测量的设备所要求的准确度更高的准确度。
对于较低频率当前的技术提供一种校准源，其在一个组合信号，即具有梳状频率特征的信号中输出多个频率。通过滤波的几个阶段之后，这个信号被数字化且幅度和相位被测量并与已知理想结果相比较。然后提供反相滤波器基于测量结果来处理该数字化的输出以便该结果输出符合该已知的理想结果。
对于射频(RF)/微波仪器上的中频(IF)信道均衡，校准源或激励信号的设计是关键。对于低频带，重复的宽带信号，例如伪随机噪声(PRN)信号，可用作激励源并使用跟随有快速响应触发器的线性反馈移位寄存器很容易地被执行。该重复的信号表现出梳状的频谱。在频谱线之间有已知的幅度和相位关系。首先测量响应于这个激励信号的通道频率以便可以在频谱线上估计总的IF通道频率响应。通过去除激励信号的频率响应最终获得该IF通道频率响应。为了对频谱线保持好的信噪比(SNR)，PRN频谱的有用部分通常被选择与仪器的信号带宽具有相同量级的幅度。
然而，对于高的频率，在感兴趣频带的PRN信号通常没有足够的功率来获得希望的性能，这是因为频谱的振幅跟随sin(x)/x的包络。可以替代使用其他的均衡源，例如正交频分复用(OFDM)调制信号。与PRN方法相比较，这个第二方法在硬件资源上要求得更多，例如数模转换器(DAC)，混频器和本机振荡器(LO)。在制造或运行校准期间，激励信号的振幅和相位中的频率响应都需要被测量。在上转换OFDM信号上的源校准是特别具有挑战的，这是因为在高频缺少好的指定信号发生器。换句话说，对于均衡测量仪器的高频带，没有方便可用的相位校准源。结果，在高频带的测量误差可达到30％或更高，其大大超过了为确保电信设备正确地操作来提供清晰的通信信号所要求的测量准确度。
希望有一种用于均衡测量仪器的高频带的技术，其说明幅度和相位都具有比被测量的设备所要求的准确度更高的准确度。
发明内容
因此，本发明提供使用幅度测量数据的滤波均衡来提供足够的准确度以检测现有复杂的电信设备。对于模拟信号通道的滤波均衡技术，例如在同时测量频带上的信号的测量仪器中，对相位校准源不是方便可用的高频带使用幅度测量数据。正弦信号源连同校准的功率表一起被用于在希望的频带上提供阶梯频率输入到对每个阶梯频率具有准确测量的幅度的模拟信号通道。模拟信号通道的输出被数字化且计算所得到的频率幅度。然后，从测量仪器每次测得的频率幅度中减去相应的功率表结果来确定模拟信号通道的幅度响应。基于在希望的频带上的最小相位假设，使用希尔伯特变换来确定相应的相位响应。根据幅度和相位响应，反相或数字均衡滤波器可被设计用于模拟信号通道。
当结合所附权利要求和附图进行阅读的时候，对于下列详细的说明，本发明的目的、优点和其他新颖的特征是明显的。
当结合所附权利要求和附图进行阅读的时候，对于下列详细的说明，本发明的目的、优点和其他新颖的特征是明显的。
附图说明
图1是具有根据本发明使用幅度测量数据的滤波均衡的典型测量仪器的框图。
图2是与根据本发明的滤波均衡相关的波形的视图。
图2是与根据本发明的滤波均衡相关的波形的视图。
具体实施方式
现在参考图1，测量仪器，例如矢量信号分析器，的前端部分10被示出具有低频带通道20和高频带通道30，各自经由开关SW选择性地耦连到公共的中频(IF)通道40。公共的IF通道40的输出被模数转换器(ADC)50数字化，且被数字化的结果随后被适当的数字处理器(DP)52处理。低频带通道20包括串联的宽频带低通滤波器22，第一低频带混频器2424，低频带IF滤波器26和第二低频带混频器28。来自该第二低频带混频器28的输出被输入到开关SW的第一极。高频带通道30包括串联的宽频带带通滤波器32，第一高频带混频器34，高频带IF滤波器36和第二高频带混频器38。来自该第二高频带混频器38的输出被输入到开关SW的第二极。来自开关SW的输出被输入到公共的IF通道40，该通道包括串联的第一IF滤波器42，IF混频器44和第二IF滤波器46。来自第二IF滤波器46的输出被输入到ADC50。
作为射频(RF)信号施加到宽频带低通滤波器22，32的是来自高频正弦波源54的单频正弦信号。功率表(PM)56被耦接来测量单频正弦信号的振幅。用作功率表56的高频校准功率表是可用的，其功率表根据国家标准技术研究所(NIST)的标准被校准到高的准确度。为了执行如下所述的滤波均衡，高频正弦波源54以不连续的增量从一个频率跃变到另一个频率，且每个频率的幅度由功率表56测量到高的准确度并存储在DP52中。
来自功率表56的幅度测量的处理和来自ADG50的输出的幅度测量的处理是基于这样的事实：在测量仪器中使用的模拟滤波器对具有最小相位属性的理想模拟滤波器有好的近似性。对于由线性常数系数微分方程式描述的系统，如果频率响应的幅度与极和零点的数目是已知的，那么对于相关的相位仅有有限数量的选择。在最小相位的情况下，频率响应幅度唯一地确定相位，如A.V.Openheim和R.W.Schafer在Prentice-Hall(1989)出版的in Digital Signal Processing中所描述的。例如，该技术已经被应用来仅使用响应频谱的幅度来构造瞬时响应，如F.M.Tesche在1992年8月，IEEE电磁兼容性会刊，Vol.34，No.3的On the Uae of the Hilbert Transformfor Processing Measured CW Data中说讨论的。最小相位系统在单位圆内具有它所有的极和零点。如果H1和H2是两个最小相位系统，那么H1*H2和H1/H2也是最小相位系统，这是因为所得到的系统仍然在单位圆内具有所有的极和零点。这个性质被应用到基于幅度测量的低频带通道20和高频带通道30之间的频率响应差值的估计。
通常RF和微波滤波器是由于简单物理实现的全极滤波器，且这种滤波器的通带与全极滤波器，例如Chebyshev滤波器，有好的近似性。零点的缺乏允许仅仅使用部分通带幅度来相当好地估计相应频率中的相位。这个很重要，因为并入这些滤波器的测量仪器的信号带宽基本上小于在信号通道20，30内紧跟在第一混频器24，34后面的IF滤波器26，36的带宽。
对每个完整的滤波器测量，实际使用中的各种IF和RF频率对于图1的各自单独的通道20，30是明确的。为了滤波器测量和校正的合成的目的，总的通带响应被数学地假设为在一个单频周围位于居中的位置，所有单独的滤波器简单地级联连接。因此如果单独的IF或RF频率对不同的分析装置被改变，对于其中单独的滤波器的不同部分被实际使用的新装置执行新的测量和校正。虽然频率响应可能对各自通道内的所有频率装置有贡献，但是模拟滤波器是主要的贡献者。公共的IF混频器44组合位于公共的IF通道40内的装置的所有频率响应。在校正期间让R成为包含相位和幅度的复矢量，其中R为低频带和高频带IF滤波器26，36之间的频率响应差值H1/H2。H1是对于低频带IF滤波器26的频率响应，H2是对于高频带IF滤波器36的频率响应。对于各自的RF滤波器22，32，还测量一个值L作为两个滤波器之间的复矢量H01/H02，其中H01是对于低频带RF滤波器22的频率响应，H02是对于高频带RF滤波器32的频率响应。如现有技术中的PRN校准源(未示出)可以在运行时间内测量低频带频率响应P1＝H01*H1*H3，其中H3是对于公共的IF通道40的频率响应。高频带通道30的频率响应是P2＝H02*H2*H3＝P1/L/R，其中在校准期间测量L和R。由于相对更窄的频宽、高增益和具有很多增益级的长信号通道，通常H3比H1和H2更加的温度敏感。
希尔伯特变换技术可用于使频率的相位与最小相位系统中它的相关幅度部分的对数相联系如下：
1)使来自源54的输入CW频率和低频带通道20的中心频率都成阶梯状(通过相应地使输入到低频带混频器24的LO频率成阶梯状)来测量感兴趣的带宽上的幅度响应A1。测得的带宽应稍微大于要求设计的信号带宽。A1仅是RF滤波器22的幅度响应。
2)使输入的CW频率和高频带通道30的中心频率都成阶梯状来测量对于RF滤波器32的感兴趣带宽上的幅度响应A2。则|L|＝A1/A2。
3)使低频带通道20上的输入CW频率成阶梯状(不用改变LO频率)来测量幅度响应B1。B1组合RF和IF滤波器22，26的幅度响应。
4)使高频带通道30上的输入CW频率成阶梯状来测量RF和IF滤波器32，36的幅度响应B2。则|R|被计算为B1/B2/|L|.
5)使用希尔伯特变换从|R|中计算相位来获得具有相位和幅度响应的R。相似地从|L|计算L。
6)为了后面的使用，R和L作为校准数据存储在测量仪器中。
7)在运行时间内，使用内部生成源(未示出)，例如PRN，测量低频带频率响应P1。高频带通道频率响应为P2＝P1/L/R。
8)使用计算得到的P2来为高频带通道30提供滤波均衡。上面频域中的符号“/”等同于减去各自的频谱。还注意，为获得每个幅度响应，从由ADC50的输出计算得出的幅度中减去了由功率表56测得的对于每个阶梯状频率的相应幅度。
如图2中所示，对RF滤波器22，32测得的频谱(a)示出作为上面步骤1和2的结果。然后从步骤3和4示出了对RF和IF滤波器22，26；32，36的总的频率响应(c)。在RF滤波器22，32的频率响应和总的频率响应的两个结果之间的差值为对于IF滤波器26，36的频率响应(b)。
因此，本发明通过获得在具体频带上对模拟信号通道的幅度响应，基于最小相位假设从幅度响应导出对于模拟信号通道的相位响应，并从幅度和相位响应设计数字均衡器滤波器来提供对于模拟信号通道的滤波均衡，来提供使用幅度测量数据的滤波均衡。
作为射频(RF)信号施加到宽频带低通滤波器22，32的是来自高频正弦波源54的单频正弦信号。功率表(PM)56被耦接来测量单频正弦信号的振幅。用作功率表56的高频校准功率表是可用的，其功率表根据国家标准技术研究所(NIST)的标准被校准到高的准确度。为了执行如下所述的滤波均衡，高频正弦波源54以不连续的增量从一个频率跃变到另一个频率，且每个频率的幅度由功率表56测量到高的准确度并存储在DP52中。
来自功率表56的幅度测量的处理和来自ADG50的输出的幅度测量的处理是基于这样的事实：在测量仪器中使用的模拟滤波器对具有最小相位属性的理想模拟滤波器有好的近似性。对于由线性常数系数微分方程式描述的系统，如果频率响应的幅度与极和零点的数目是已知的，那么对于相关的相位仅有有限数量的选择。在最小相位的情况下，频率响应幅度唯一地确定相位，如A.V.Openheim和R.W.Schafer在Prentice-Hall(1989)出版的in Digital Signal Processing中所描述的。例如，该技术已经被应用来仅使用响应频谱的幅度来构造瞬时响应，如F.M.Tesche在1992年8月，IEEE电磁兼容性会刊，Vol.34，No.3的On the Uae of the Hilbert Transformfor Processing Measured CW Data中说讨论的。最小相位系统在单位圆内具有它所有的极和零点。如果H1和H2是两个最小相位系统，那么H1*H2和H1/H2也是最小相位系统，这是因为所得到的系统仍然在单位圆内具有所有的极和零点。这个性质被应用到基于幅度测量的低频带通道20和高频带通道30之间的频率响应差值的估计。
通常RF和微波滤波器是由于简单物理实现的全极滤波器，且这种滤波器的通带与全极滤波器，例如Chebyshev滤波器，有好的近似性。零点的缺乏允许仅仅使用部分通带幅度来相当好地估计相应频率中的相位。这个很重要，因为并入这些滤波器的测量仪器的信号带宽基本上小于在信号通道20，30内紧跟在第一混频器24，34后面的IF滤波器26，36的带宽。
对每个完整的滤波器测量，实际使用中的各种IF和RF频率对于图1的各自单独的通道20，30是明确的。为了滤波器测量和校正的合成的目的，总的通带响应被数学地假设为在一个单频周围位于居中的位置，所有单独的滤波器简单地级联连接。因此如果单独的IF或RF频率对不同的分析装置被改变，对于其中单独的滤波器的不同部分被实际使用的新装置执行新的测量和校正。虽然频率响应可能对各自通道内的所有频率装置有贡献，但是模拟滤波器是主要的贡献者。公共的IF混频器44组合位于公共的IF通道40内的装置的所有频率响应。在校正期间让R成为包含相位和幅度的复矢量，其中R为低频带和高频带IF滤波器26，36之间的频率响应差值H1/H2。H1是对于低频带IF滤波器26的频率响应，H2是对于高频带IF滤波器36的频率响应。对于各自的RF滤波器22，32，还测量一个值L作为两个滤波器之间的复矢量H01/H02，其中H01是对于低频带RF滤波器22的频率响应，H02是对于高频带RF滤波器32的频率响应。如现有技术中的PRN校准源(未示出)可以在运行时间内测量低频带频率响应P1＝H01*H1*H3，其中H3是对于公共的IF通道40的频率响应。高频带通道30的频率响应是P2＝H02*H2*H3＝P1/L/R，其中在校准期间测量L和R。由于相对更窄的频宽、高增益和具有很多增益级的长信号通道，通常H3比H1和H2更加的温度敏感。
希尔伯特变换技术可用于使频率的相位与最小相位系统中它的相关幅度部分的对数相联系如下：
1)使来自源54的输入CW频率和低频带通道20的中心频率都成阶梯状(通过相应地使输入到低频带混频器24的LO频率成阶梯状)来测量感兴趣的带宽上的幅度响应A1。测得的带宽应稍微大于要求设计的信号带宽。A1仅是RF滤波器22的幅度响应。
2)使输入的CW频率和高频带通道30的中心频率都成阶梯状来测量对于RF滤波器32的感兴趣带宽上的幅度响应A2。则|L|＝A1/A2。
3)使低频带通道20上的输入CW频率成阶梯状(不用改变LO频率)来测量幅度响应B1。B1组合RF和IF滤波器22，26的幅度响应。
4)使高频带通道30上的输入CW频率成阶梯状来测量RF和IF滤波器32，36的幅度响应B2。则|R|被计算为B1/B2/|L|.
5)使用希尔伯特变换从|R|中计算相位来获得具有相位和幅度响应的R。相似地从|L|计算L。
6)为了后面的使用，R和L作为校准数据存储在测量仪器中。
7)在运行时间内，使用内部生成源(未示出)，例如PRN，测量低频带频率响应P1。高频带通道频率响应为P2＝P1/L/R。
8)使用计算得到的P2来为高频带通道30提供滤波均衡。上面频域中的符号“/”等同于减去各自的频谱。还注意，为获得每个幅度响应，从由ADC50的输出计算得出的幅度中减去了由功率表56测得的对于每个阶梯状频率的相应幅度。
如图2中所示，对RF滤波器22，32测得的频谱(a)示出作为上面步骤1和2的结果。然后从步骤3和4示出了对RF和IF滤波器22，26；32，36的总的频率响应(c)。在RF滤波器22，32的频率响应和总的频率响应的两个结果之间的差值为对于IF滤波器26，36的频率响应(b)。
因此，本发明通过获得在具体频带上对模拟信号通道的幅度响应，基于最小相位假设从幅度响应导出对于模拟信号通道的相位响应，并从幅度和相位响应设计数字均衡器滤波器来提供对于模拟信号通道的滤波均衡，来提供使用幅度测量数据的滤波均衡。