一种用于三阶数字相关器的性能测试系统及方法

技术领域

本发明属于空间微波遥感技术领域，具体地说，涉及一种用于三阶数字相关器的性能测试系统及方法。

背景技术

综合孔径辐射计可以利用小口径天线构成的天线阵列等效放大口径真实天线，从而降低天线的成本和加工难度。数字相关器是综合孔径辐射计实现定量化测量的关键部件，其核心功能为实现任意两个通道之间的复相关运算，三阶数字相关器复相关结果精度直接决定综合孔径微波辐射计系统测量结果的准确性和精确性，进而影响辐射计系统关键性能指标，因此，需要一种多通道数字相关器性能测试方法。但是，现有的综合孔径辐射计相关器的性能测试方法，大多是随系统测试进行，难以进行量化评估，缺乏有效手段对数字相关器自身进行定量化评估测试。数字相关器在综合孔径辐射计中的主要功能是将噪声信号通过ADC芯片进行数字量化，然后在数字相关器内进行并行的复相关运算，并将相关的结果以数据的形式传输至上位机中。综合孔径辐射计单元众多，而且相关器单元数目与天线单元数目的平方成正比，因此，综合孔径辐射计选用数字相关器。数字相关器的量化阶数越大，量化噪声越小，精度越高，但是，功耗和成本都会大大增加，数字相关器的门数也会随之增加，从而导致综合孔径辐射计的复杂度增加。

目前，采用三阶量化相关器，其信噪比能够达到模拟相关器的81％，且仅有高量化电平和低量化电平，电路也较为简单。

已有的对数字相关器的测试系统中，组成测试系统的电子器件较多，结构复杂，系统复杂度很高，噪声源使用二极管、放大器及滤波器，极易引起通道间串扰，放大器自激，造成综合孔径辐射计输出信号的失真，输出信号相关度大大降低，并且对于数字相关器的相关噪声相位差的测试，无法进行0-360°的相位遍历。

发明内容

为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种用于三阶数字相关器的性能测试方法，能够实现三阶数字相关器的高精度定量化测试及评估；本发明的测试系统的输入端设置多通道数字模拟转换器，能够定量输入任意相关度的噪声信号，可以任意设置噪声信号的采样率、带宽、方差以及积分时长的多种指标参数。多通道数字模拟转换器的存储器具有大容量的存储空间，输出信号足够长，输出信号的相关精度可以满足高精度的数字相关器的测试需求。

本发明提供了一种用于三阶数字相关器的性能测试系统，该测试系统设置在控制台上，其包括：数据参数设置模块、数据生成模块和数据发送与处理模块；

所述数据参数设置模块，用于向数据生成模块同时发送多路所需要的激励噪声信号的设置参数；

所述数据生成模块，用于根据发送的激励噪声信号的设置参数，对应地生成任意波形的第一激励噪声信号、第二激励噪声信号、第三激励噪声信号和第四激励噪声信号；

所述数据发送与处理模块，用于分别将第一激励噪声信号、第二激励噪声信号、第三激励噪声信号和第四激励噪声信号进行数模转换，分别得到对应的噪声模拟信号，并将其依次顺序输入至待测三阶数字相关器；对待测三阶数字相关器的相关偏置性能、相关效率性能、稳定度性能、线性度性能和相位误差性能进行测试，得到对应的测试结果，完成对三阶数字相关器的性能测试。

作为上述技术方案的改进之一，所述测试系统还包括：评估分析模块，用于根据得到的测试结果，分别对待测三阶数字相关器的相关偏置性能、相关效率性能、稳定度性能、线性度性能和相位误差性能进行评估和分析。

作为上述技术方案的改进之一，所述数据生成模块包括：

第一激励信号生成单元，用于根据数据发射与处理终端发送的激励噪声信号的设置参数，对应地生成100M带宽的、积分时长2.4s的多路不相关的高斯白噪声带限信号，得到多组第一激励噪声信号；

第二激励信号生成单元，用于根据数据发射与处理终端发送的激励噪声信号的设置参数，对应地生成积分时长2.4s、相关系数从0开始，以0.1为步进递增的、100M带宽的多路高斯白噪声带限信号，作为多组第二激励噪声信号；

第三激励信号生成单元，用于根据数据发射与处理终端发送的激励噪声信号的设置参数，对应地生成积分时长2.4s、相关系数为(0:10

第四激励信号生成单元，用于根据数据发射与处理终端发送的激励噪声信号的设置参数，对应地生成模拟相关系数为0.04+j0.02的两组高斯白噪声带限信号CHi信号和CHj信号，作为第四激励噪声信号。

作为上述技术方案的改进之一，所述数据发送模块包括：

第一数据发送与处理单元，用于对每组第一激励噪声信号中的每一路高斯白噪声带限信号进行数模转换，得到多路第一噪声模拟信号，并将每一路的第一噪声模拟信号输入至待测三阶数字相关器，对待测三阶数字相关器的相关偏置性能进行测试，得到多个第一测试结果；

第二数据发送与处理单元，用于对每组第二激励噪声信号中的每一路高斯白噪声带限信号进行数模转换，得到多路第二噪声模拟信号，并将每一路的第二模拟信号输入至待测三阶数字相关器；对待测三阶数字相关器的相关效率性能进行测试，得到多个第二测试结果；

第三数据发送与处理单元，用于对每组第三激励噪声信号中的每一路高斯白噪声带限信号进行数模转换，得到多路第三噪声模拟信号，并将每一路的第三模拟信号输入至待测三阶数字相关器；对待测三阶数字相关器的线性度性能进行测试，得到第三测试结果；

第四数据发送与处理单元，用于对第三激励噪声信号中的每一路高斯白噪声带限信号进行数模转换，得到多路第三噪声模拟信号，并将每一路的第三噪声模拟信号输入至待测三阶数字相关器；对待测三阶数字相关器的稳定度性能进行测试，得到第四测试结果；和

第五数据发送与处理单元，用于对第四激励噪声信号中的每一路高斯白噪声带限信号进行数模转换，得到多路第四噪声模拟信号，并将每一路的第四噪声模拟信号输入至待测三阶数字相关器；对待测三阶数字相关器的相关相位误差性能进行测试，得到第五测试结果。

作为上述技术方案的改进之一，所述第一数据发送与处理单元的具体过程为：

任意选择一组第一激励噪声信号，并将该组第一激励噪声信号中的两路非相关的高斯白噪声带限信号进行数模转换，得到两路第一噪声模拟信号，并将每一路的第一噪声模拟信号输入至待测三阶数字相关器的k，j两通道；其中，k，j两通道为任选的两个通道；

计算该组第一激励噪声信号的第一模拟相关系数：

其中，

其中，

其中，s

其中，k

其中，

其中，Φ为标准正态分布的概率分布函数；

其中，

其中，

根据该组第一激励噪声信号在三阶数字相关器中计算得到的真实模拟相关系数，计算该组第一激励噪声信号的待测三阶数字相关器的相关偏置u

其中，

将待测三阶数字相关器的相关偏置u

重复上述过程，将每组第一激励噪声信号输入至待测三阶数字相关器，对待测三阶数字相关器进行相关偏置测试，得到多个待测三阶数字相关器的相关偏置，进而得到多个第一测试结果。

作为上述技术方案的改进之一，所述第二数据发送与处理单元的具体过程如下：

任意选择一组第二激励噪声信号，并将该组第二激励噪声信号中的两路相关的高斯白噪声带限信号进行数模转换，得到多路第二噪声模拟信号，并将每一路的第二模拟信号输入至待测三阶数字相关器的k，j两通道；其中，k，j两通道为任选的两个通道；

计算该组第二激励噪声信号的第二模拟相关系数：

其中，

其中，

其中，s

其中，k

其中，

其中，Φ为标准正态分布的概率分布函数；

其中，

其中，

利用第一测试结果u

将待测三阶数字相关器的相关效率η，作为第二测试结果；

重复上述过程，将每组第二激励噪声信号输入至待测三阶数字相关器，对待测三阶数字相关器进行相关效率测试，得到多个待测三阶数字相关器的相关效率，进而得到多个第二测试结果。

作为上述技术方案的改进之一，所述第三数据发送与处理单元的具体过程如下：

任意选择一组第三激励噪声信号，并将该组第三激励噪声信号中的两路相关的高斯白噪声带限信号进行数模转换，得到多路第三噪声模拟信号，并将每一路的第三模拟信号输入至待测三阶数字相关器的k，j两通道；其中，k，j两通道为任选的两个通道；

计算该组第三激励噪声信号的第三模拟相关系数：

其中，

其中，

其中，s

其中，k

其中，

其中，Φ为标准正态分布的概率分布函数；

其中，

其中，

重复上述过程，将每组第三激励噪声信号输入至待测三阶数字相关器，得到多个待测三阶数字相关器的模拟相关系数，并将u

作为上述技术方案的改进之一，所述第四数据发送与处理单元的具体过程如下：

任意选择一组第三激励噪声信号，并将该组第三激励噪声信号中的两路相关的高斯白噪声带限信号进行数模转换，得到多路第三噪声模拟信号，并将每一路的第三模拟信号输入至待测三阶数字相关器的k，j两通道；其中，k，j两通道为任选的两个通道；

计算该组第三激励噪声信号的第三模拟相关系数：

其中，

其中，

其中，s

其中，k

其中，

其中，Φ为标准正态分布的概率分布函数；

其中，

其中，

重复上述过程，将每组第三激励噪声信号输入至待测三阶数字相关器，得到多个待测三阶数字相关器的模拟相关系数，并对多个待测三阶数字相关器的模拟相关系数进行筛选和校正处理，得到处理后的模拟相关系数；再建立直角坐标系，以为

作为上述技术方案的改进之一，所述第五数据发送与处理单元的具体过程为：

采用Labview任意相关性信号生成算法，数据生成模块生成两路定量(0°-360°)的、具有相位偏移θ的高斯白噪声带限信号，作为CHi信号和CHj信号；

分别对CHi信号和CHj信号进行数模转换，得到两路第四噪声模拟信号，并分别将每一路第四噪声模拟信号进行数模转换，得到对应的第四模拟信号，并进行自相关和互相关运算处理，以及模数转换之后，得到i

计算CHi信号和CHj信号的相位

其中，M

其中,

计算CH1信号和CH2信号的实测相位

其中，M

进而确定待测三阶数字相关器的相关相位误差：

将待测三阶数字相关器的相关相位误差，作为第五测试结果。

本发明还提供了一种用于三阶数字相关器的性能测试方法，该方法包括：

数据参数设置模块向数据生成模块同时发送多路所需要的激励噪声信号的设置参数；

数据生成模块根据发送的激励噪声信号的设置参数，对应地生成任意波形的第一激励噪声信号、第二激励噪声信号、第三激励噪声信号和第四激励噪声信号；

数据发送与处理模块分别将第一激励噪声信号、第二激励噪声信号、第三激励噪声信号和第四激励噪声信号进行数模转换，分别得到对应的噪声模拟信号，并将其依次顺序输入至待测三阶数字相关器，对待测三阶数字相关器的相关偏置性能、相关效率性能、稳定度性能、线性度性能和相位误差性能进行测试，得到对应的测试结果，完成对三阶数字相关器的性能测试。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、本申请中，系统全链路实现自动化，激励信号仿真模块和数据分析模块使用同一控制台实现，可以一边生成激励噪声做测试实验，一边对实验结果做数据分析，提高测试效率。

2、本发明方法通过使用多通道DAC播放仿真生成的激励信号使得待测大规模数字相关器多通道同时测试得以实现。

3、相关器实测数据分析结果依靠数据仿真结果进行分析，避免测试数据长度有限导致的非理想特性对测试结果的影响。依靠和相关器同等的三阶量化逻辑实现数据软仿真，避免测试数据的概率普非理想高斯导致的测量误差，提高测试精度。

4、基于Labview信号仿真算法，可以定量的生成多路相关度可控且线性递增的测试信号，并重复使用，进而测试系统的稳定度和线性度，有效避免灵敏度对稳定度测试的影响，使得对数字相关器性能评估更为完备。

附图说明

图1是本发明的一种用于三阶数字相关器的性能测试方法的流程图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明提供了一种用于三阶数字相关器的性能测试系统，该测试系统设置在控制台上，其包括：数据参数设置模块、数据生成模块和数据发送与处理模块；

所述数据参数设置模块，用于向数据生成模块同时发送多路所需要的激励噪声信号的设置参数；

具体地，所述激励噪声信号的设置参数包括：噪声信号的相关系数、功率、积分时间、采样率和带宽。

所述数据生成模块，用于根据发送的激励噪声信号的设置参数，对应地生成任意波形的第一激励噪声信号、第二激励噪声信号、第三激励噪声信号和第四激励噪声信号；

具体地，所述数据生成模块包括：

第一激励信号生成单元，用于根据数据发射与处理终端发送的激励噪声信号的设置参数，对应地生成100M带宽的、积分时长2.4s的多路不相关的高斯白噪声带限信号，得到多组第一激励噪声信号；

第二激励信号生成单元，用于根据数据发射与处理终端发送的激励噪声信号的设置参数，对应地生成积分时长2.4s、相关系数从0开始，以0.1为步进递增的、100M带宽的多路高斯白噪声带限信号，作为多组第二激励噪声信号；

第三激励信号生成单元，用于根据数据发射与处理终端发送的激励噪声信号的设置参数，对应地生成积分时长2.4s、相关系数为(0:10

第四激励信号生成单元，用于根据数据发射与处理终端发送的激励噪声信号的设置参数，对应地生成模拟相关系数为0.04+j0.02的两组高斯白噪声带限信号CH1信号和CH2信号，作为第四激励噪声信号。

所述数据发送与处理模块，用于分别将第一激励噪声信号、第二激励噪声信号、第三激励噪声信号和第四激励噪声信号进行数模转换，分别得到对应的噪声模拟信号，并将其依次顺序输入至待测三阶数字相关器；对待测三阶数字相关器的相关偏置性能、相关效率性能、稳定度性能、线性度性能和相位误差性能进行测试，得到对应的测试结果，完成对三阶数字相关器的性能测试。

具体地，所述数据发送与处理模块包括：第一数据发送与处理单元、第二数据发送与处理单元、第三数据发送与处理单元、第四数据发送与处理单元和第五数据发送与处理单元；

第一数据发送与处理单元，用于同时对每组第一激励噪声信号中的每一路高斯白噪声带限信号进行数模转换，得到多路第一噪声模拟信号，并将每一路的第一噪声模拟信号输入至待测三阶数字相关器，对待测三阶数字相关器的相关偏置性能进行测试，得到多个第一测试结果；

具体地，所述第一数据处理单元的具体过程为：

根据任意一组第一激励噪声信号，对待测三阶数字相关器的相关偏置性能进行测试分析，其具体过程如下：

任意选择一组第一激励噪声信号，并将该组第一激励噪声信号中的两路非相关的高斯白噪声带限信号进行数模转换，得到两路第一噪声模拟信号，并将每一路的第一噪声模拟信号输入至待测三阶数字相关器的k，j两通道；其中，k，j两通道为任选的两个通道；

计算该组第一激励噪声信号的第一模拟相关系数：

其中，

其中，

其中，s

其中，k

其中，

其中，Φ为标准正态分布的概率分布函数；

其中，

其中，

根据该组第一激励噪声信号在三阶数字相关器中计算得到的真实模拟相关系数，计算该组第一激励噪声信号的待测三阶数字相关器的相关偏置u

其中，

将待测三阶数字相关器的相关偏置，作为第一测试结果；

重复上述过程，将每组第一激励噪声信号输入至待测三阶数字相关器，对待测三阶数字相关器进行相关偏置测试，得到多个待测三阶数字相关器的相关偏置，进而得到多个第一测试结果。

在本实施例中，采用8路具有非相关的第一模拟信号进行任意两两组合，并输入对应的任选的两通道中，能够获得26个相关偏置，且每个相关偏置的精度均为10

第二数据发送与处理单元，用于同时对每组第二激励噪声信号中的每一路高斯白噪声带限信号进行数模转换，得到多路第二噪声模拟信号，并将每一路的第二噪声模拟信号输入至待测三阶数字相关器，对待测三阶数字相关器的相关效率性能进行测试，得到多个第二测试结果；

具体地，根据任意一组第二激励噪声信号，对待测三阶数字相关器的相关效率性能进行测试分析，其具体过程如下：

任意选择一组第二激励噪声信号，并将该组第二激励噪声信号中的两路相关的高斯白噪声带限信号进行数模转换，得到多路第二噪声模拟信号，并将每一路的第二模拟信号输入至待测三阶数字相关器的k，j两通道；其中，k，j两通道为任选的两个通道；

计算该组第二激励噪声信号的第二模拟相关系数：

其中，

其中，

其中，s

其中，k

其中，

其中，Φ为标准正态分布的概率分布函数；

其中，

其中，

进而利用第一测试结果，计算该组第二激励噪声信号的待测三阶数字相关器的相关效率η：

其中，

将待测三阶数字相关器的相关效率，作为第二测试结果；

重复上述过程，将每组第二激励噪声信号输入至待测三阶数字相关器，对待测三阶数字相关器进行相关效率测试，得到多个待测三阶数字相关器的相关效率，进而得到多个第二测试结果；

通过上述计算得到的相关效率至少在99.7％以上，因此，对应的相关效率误差在0.3％以内，大大提高了准确度。

第三数据发送与处理单元，用于同时对每组第三激励噪声信号中的每一路高斯白噪声带限信号进行数模转换，得到多路第三噪声模拟信号，并将每一路的第三噪声模拟信号输入至待测三阶数字相关器，对待测三阶数字相关器的线性度性能进行测试，得到第三测试结果；

具体地，根据任意一组第三激励噪声信号，对待测三阶数字相关器的线性度性能进行测试分析，其具体过程如下：

任意选择一组第三激励噪声信号，并将该组第三激励噪声信号中的两路相关的高斯白噪声带限信号进行数模转换，得到多路第三噪声模拟信号，并将每一路的第三模拟信号输入至待测三阶数字相关器的k，j两通道；其中，k，j两通道为任选的两个通道；

计算该组第三激励噪声信号的第三模拟相关系数：

其中，

其中，

其中，s

其中，k

其中，

其中，Φ为标准正态分布的概率分布函数；

其中，

其中，

重复上述过程，将每组第三激励噪声信号输入至待测三阶数字相关器，得到多个待测三阶数字相关器的模拟相关系数，并将u

通过上述计算得到的线性度≥0.99。

第四数据发送与处理单元，用于同时对每组第三激励噪声信号中的每一路高斯白噪声带限信号进行数模转换，得到多路第三噪声模拟信号，并将每一路的第三噪声模拟信号输入至待测三阶数字相关器，对待测三阶数字相关器的稳定度性能进行测试，得到多个第四测试结果；

具体地，根据任意一组第三激励噪声信号，对待测三阶数字相关器的线性度性能进行测试分析，其具体过程如下：

任意选择一组第三激励噪声信号，并将该组第三激励噪声信号中的两路相关的高斯白噪声带限信号进行数模转换，得到多路第三噪声模拟信号，并将每一路的第三模拟信号输入至待测三阶数字相关器的k，j两通道；其中，k，j两通道为任选的两个通道；

计算该组第三激励噪声信号的第三模拟相关系数：

其中，

其中，

其中，s

其中，k

其中，

其中，Φ为标准正态分布的概率分布函数；

其中，

其中，

重复上述过程，将每组第三激励噪声信号输入至待测三阶数字相关器，得到多个待测三阶数字相关器的模拟相关系数，并对多个待测三阶数字相关器的模拟相关系数进行筛选和校正处理，得到处理后的模拟相关系数；再建立直角坐标系，以为

通过上述计算过程，测试得到的模拟相关系数的标准差，即稳定度为≤2.5E-5。

第五数据发送与处理单元，用于同时对每组第四激励噪声信号中的每一路高斯白噪声带限信号进行数模转换，得到多路第四噪声模拟信号，并将每一路的第四噪声模拟信号输入至待测三阶数字相关器，对待测三阶数字相关器的相关相位误差性能进行测试，得到多个第五测试结果；

具体地，采用Labview任意相关性信号生成算法，数据生成模块生成两路定量(0°-360°)的、具有相位偏移θ的高斯白噪声带限信号，作为CHi信号和CHj信号；

分别对CHi信号和CHj信号进行数模转换，得到两路第四噪声模拟信号，并分别将每一路第四噪声模拟信号进行数模转换，得到对应的第四模拟信号，并进行自相关和互相关运算处理，以及模数转换之后，得到i

计算CHi信号和CHj信号的相位

其中，M

其中,

计算CH1信号和CH2信号的实测相位

其中，M

进而确定待测三阶数字相关器的相关相位误差：

将待测三阶数字相关器的相关相位误差，作为第五测试结果。

通过上述计算得到的相位误差<0.13°。

其中，所述测试系统还包括：评估分析模块，用于根据得到的测试结果，分别对待测三阶数字相关器的相关偏置性能、相关效率性能、稳定度性能、线性度性能和相位误差性能进行评估和分析。

具体地，根据现有的对相关偏置性能测试的测试标准，利用得到的第一测试结果中每个相关偏置的精度均在10

根据现有的对相关效率性能测试的测试标准，利用得到的第二测试结果中每个相关效率均在99.7％以上，其相关效率误差在0.3％以内，超过该测试标准，评估待测三阶数字相关器的相关效率性能为最佳；

根据现有的对线性度性能测试的测试标准，利用得到的第三测试结果中每个模拟相关系数和软仿真的模拟相关系数的相关度在0.99以上，超过该测试标准，评估待测三阶数字相关器的线性度性能为最佳；

根据现有的对相关偏置性能测试的测试标准，利用得到的第四测试结果中每个稳定度，超过该测试标准，评估待测三阶数字相关器的稳定度性能为最佳；

根据现有的对相关相位误差性能测试的测试标准，利用得到的第五测试结果中相位误差在0.13°以内，超过该测试标准，评估待测三阶数字相关器的相关相位误差性能为最佳。

本发明还提供了一种用于三阶数字相关器的性能测试方法，该方法包括：

数据参数设置模块向数据生成模块同时发送多路所需要的激励噪声信号的设置参数；

数据生成模块根据发送的激励噪声信号的设置参数，对应地生成任意波形的第一激励噪声信号、第二激励噪声信号、第三激励噪声信号和第四激励噪声信号；

数据发送与处理模块分别将第一激励噪声信号、第二激励噪声信号、第三激励噪声信号和第四激励噪声信号进行数模转换，分别得到对应的噪声模拟信号，并将其依次顺序输入至待测三阶数字相关器，对待测三阶数字相关器的相关偏置性能、相关效率性能、稳定度性能、线性度性能和相位误差性能进行测试，得到对应的测试结果，完成对三阶数字相关器的性能测试。

所述方法还包括：评估分析模块根据得到的测试结果，分别对待测三阶数字相关器的相关偏置性能、相关效率性能、稳定度性能、线性度性能和相位误差性能进行评估和分析。

本发明的系统基于Labview信号仿真算法，可以定量的生成多路相关度可控且线性递增的测试信号，并重复使用，进而测试系统的稳定度和线性度，有效避免灵敏度对稳定度测试的影响。

本发明的方法可以避免设置在额外的放大器及功分器等器件误差对测试结果的影响，不仅降低测试系统的复杂度，还可以校正数据自身非理想特性对测试结果的影响，从而提高测试精度。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施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，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都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。