一种宽带信号分析仪及带内平坦度的补偿方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种宽带信号分析仪及带内平坦度的补偿方法。

背景技术

宽带雷达、5G通信等的快速发展对信号分析仪分析带宽的要求越来越高，宽带跳频信号测试、预失真测试等应用场景中要求信号分析带宽在毫米波频段达到GHz级。理想情况下器件具有理想线性特性，在任意带宽的信号中，频带内没有任何波动。但信号接收前端的级间阻抗失配和模拟器件增益不平衡等因素都会造成宽带系统带内平坦度的恶化，严重影响系统测量结果的准确性，因此需要进行带内平坦度的补偿，以提升动态范围、线性度等技术指标。

现有技术方案，如“超宽带自适应波动补偿方法和系统”(CN201710047097.5)，采用频域采样的技术方法，对系统进行扫频，采集系统在整个工作频率范围内的频率响应，得到带内波动数据。当系统的目标波动补偿滤波器为复数滤波器时，将带内波动数据的频点搬移到基带内，并对带内波动数据取反得到复数滤波器带内的频域响应，根据复数滤波器带内的频域响应计算得到目标波动补偿滤波器系数；当目标波动补偿滤波器为实数滤波器时，将带内波动数据的频点搬移到数字中频的第一奈奎斯特区内，并对带内波动数据取反得到实数滤波器带内的频域响应，根据实数滤波器带内的频域响应计算得到目标波动补偿滤波器系数。将计算得到的目标波动补偿滤波器系数配置到目标波动补偿滤波器中。根据系统中目标波动补偿滤波器的类型对应进行处理，得到所需的波动补偿滤波器，通过加入一个频域响应与系统带内波动相反的波动补偿滤波器来抵消系统的带内波动，从而改善系统中每个载波信号频带内的平坦度。

其中，根据复数滤波器带内的频域响应计算得到目标波动补偿滤波器系数，包括以下步骤：

对所述复数滤波器带内的频域响应进行快速傅立叶逆变换得到时域信号；

根据预设的滤波频带范围，采用多种窗函数对所述时域信号进行截取，并对比采用不同窗函数设计出的波动补偿滤波器的补偿效果；

获取补偿效果最优的波动补偿滤波器的系数作为所述目标波动补偿滤波器系数。

根据所述实数滤波器带内的频域响应计算得到目标波动补偿滤波器系数的步骤，包括以下步骤：

根据所述实数滤波器带内的频域响应，采用FIRPM函数设计出相应的实数滤波器；

获取所述实数滤波器的系数作为所述目标波动补偿滤波器系数。

现有技术中方案的核心是对带内频谱进行等间隔采样得到信号的频域响应，再通过取反得到补偿滤波器的频域响应，从而抵消带内的波动。为了精细表征采集信号带内的频域响应，需要对信号带内频谱进行密集采样，则随着信号带宽的增大，采样点数也随之增多，导致补偿滤波器的阶数升高。因此，现有技术在滤波器阶数不高时，带内频响仍然会存在较大波动。而为了提高平坦度补偿精度，则必须以提高补偿滤波器的阶数为代价，例如当信号分析带宽达到1GHz甚至更高时，补偿滤波器的阶数将超过200阶，为了提高宽带信号的带内平坦度，需以提高补偿滤波器阶数为代价，因此会占用大量的硬件处理资源，设计难度和成本增加，系统功耗和复杂度也随之增大。同时，现有技术方案受限于频域采样本身的缺陷，造成通带和阻带间存在过渡带，导致频响波动加剧，从而影响带内平坦度的补偿效果。因此现需要一种能够解决利用现有技术方法所需滤波器阶数过高，占用大量的硬件处理资源，且随着带宽的增大滤波器阶数和系统复杂度不断升高的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种宽带信号分析仪及带内平坦度的补偿算法，以解决利用现有技术中的宽带信号带内平坦度的补偿方法导致滤波器阶数高、处理资源消耗过大的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种宽带信号分析仪，包括：依次连接的至少一个超外差变频接收单元、至少一个滤波单元、ADC、数字下变频和抽取滤波单元、自适应滤波单元、数据处理与显示单元和扫描控制器；超外差变频接收单元包括：衰减器、混频器和本振信号，衰减器、混频器和滤波单元依次连接，本振信号的输出端与混频器的输入端相连，本振信号的输入端与扫描控制器的输出端相连，扫描控制器的输入端与ADC的输出端相连。

进一步地，滤波单元包括：第一滤波单元和第二滤波单元，第一滤波单元包括第一中频滤波器，第二滤波单元包括:第二中频滤波器和抗混叠滤波器。第一超外差变频接收单元和第一中频滤波器构成第一混频单元，第二超外差变频接收单元和第二滤波单元构成第二混频单元，第一级混频单元和第二级混频单元依次连接构成多级混频，抗混叠滤波器的输出端与ADC的输入端相连。

一种带内平坦度的补偿方法，包括如下步骤：

S1，信号源产生501个间隔2MHz的1GHz带宽多载波信号，通过射频端口输入宽带信号分析仪；

S2，宽带信号分析仪接收到信号后，经多级混频、ADC信号采集、数字下变频和抽取滤波单元处理后得到IQ信号数据，保存IQ信号并导入MATLAB软件；

S3，利用MATLAB产生501个间隔2MHz的1GHz带宽信号作为期望信号d(n)，将导入的IQ信号数据作为输入信号x(n)，根据自适应滤波算法并利用遗忘因子的计算方法，得到一组阶数为N的最佳滤波器系数；

S4，在宽带信号分析仪采集处理板的FPGA中设计与步骤S3阶数相同的补偿滤波器；

S5，将由步骤S3得到的滤波器系数配置到S4的补偿滤波器中，即可完成对宽带信号带内平坦度的补偿。

进一步地，步骤S3包括：

计算输出信号y(n)：

y(n)＝w

计算估计误差信号e(n)：

e(n)＝d(n)-y(n)

更新卡尔曼增益向量k(n)：

更新逆相关矩阵P(n)：

更新滤波器抽头权向量w(n)：

w(n)＝w(n-1)+k(n)e

重复上述步骤，最终得到一组最佳的滤波器系数。

其中，遗忘因子λ计算方法如下：

λ

本发明技术方案，具有如下优点：

(1)提出采用时域自适应滤波算法，通过迭代调整滤波器的系数使得滤波后的时域信号波形逐渐逼近期望输出，无须通过对采集信号频响进行密集采样并取反的方式得到补偿滤波器的频响，降低了对滤波器阶数的要求，同时能够避免过渡带带内频响波动大的问题，提高补偿效果；

(2)提出采用变遗忘因子的递推最小二乘算法实现自适应滤波，在加快收敛速度的同时降低稳态误差，提高处理精度；

(3)提出基于自适应滤波的宽带信号带内平坦度补偿方法，信号源产生501个间隔2MHz的1GHz带宽多载波信号，通过射频端口输入宽带信号分析仪，经多级混频、ADC信号采集、数字下变频和抽取滤波单元等处理后得到IQ信号数据，采用变遗忘因子的递推最小二乘算法进行求解，得到一组阶数为N的最佳滤波器系数，将这组滤波器系数配置到采集处理板上FPGA的补偿滤波器中，实现对系统带内波动的补偿；

(4)本发明能够将1GHz带宽信号补偿滤波器的阶数从200余阶降低至100阶以下，解决现有技术滤波器阶数高、处理资源消耗过大的问题，同时可以使带内平坦度优于±2dB，达到当前最先进水平，提高宽带信号采集精度；

(5)本发明不会在边界处引入过渡带而造成带内频响的波动，因此利用低阶的滤波器即可有效提高宽带信号的带内平坦度。

附图说明

图1是本发明的一种宽带信号分析仪的结构示意图；

图2是图1的一种宽带信号分析仪的多级混频结构示意图；

图3是本发明的一种带内平坦度的补偿方法示意图。

其中，上述附图中的附图标记为：

11、超外差变频接收单元；12、滤波单元；13、ADC；14、数字下变频和抽取滤波单元；15、自适应滤波单元；16、数字处理与显示单元；17、扫描控制器。

具体实施方式

需要注意的是，在本发明的描述中，术语如“上”、“下”、“前”、“后”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，只是为了便于叙述本发明各部件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，不能理解为对本发明的限制。

另外，在发明中如涉及“第一”、“第二”等描述仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

如图1所示的一种宽带信号分析仪，包括：依次连接的第一超外差变频接收单元、第一滤波单元、第二超外差变频接受单元、第二滤波单元、ADC13、数字下变频和抽取滤波单元14、自适应滤波单元15、数据处理与显示单元和扫描控制器17；所述超外差变频接收单元11包括：衰减器、混频器和本振信号，所述衰减器、所述混频器和所述滤波单元12依次连接，所述本振信号的输出端与所述混频器的输入端相连，所述本振信号的输入端与所述扫描控制器17的输出端相连，所述扫描控制器17的输入端与所述ADC13的输出端相连。

宽带信号通过射频端口输入，超外差变频接收单元11将输入信号与一个频率可调谐的本振信号混频变成一个中频信号，中频信号经过滤波单元12滤除镜频信号，ADC13对中频信号进行采集，实现模拟信号到数字信号的转换，随后根据所要求的分析带宽和频率分辨率进行数字下变频和抽取滤波单元14处理，形成的基带IQ信号数据进入自适应滤波单元15进行带内平坦度的补偿，补偿后的数据进行频谱分析和显示。其中，扫描控制器17用来控制可调谐本振信号。

图1所示的数据处理与显示单元将补偿滤波后的信号进行FFT处理，并将统计频谱轨迹，或最大保持频谱轨迹，或最小保持频谱轨迹，或平均处理频谱轨迹等一种或多种测量轨迹在多个显示窗口同时显示。扫描控制器17依据信号特征控制调谐本振的频率切换和某一调谐频点的驻留时间。

具体地，如图1和图2所示，滤波单元包括：第一滤波单元和第二滤波单元，第一滤波单元包括第一中频滤波器，第二滤波单元包括:第二中频滤波器和抗混叠滤波器。第一超外差变频接收单元和第一中频滤波器构成第一混频单元，第二超外差变频接收单元和第二滤波单元构成第二混频单元，第一级混频单元和第二级混频单元依次连接构成多级混频，抗混叠滤波器的输出端与ADC的输入端相连。

图1所示的超外差变频接收单元11和滤波单元12可以构成一级或多级变频方案。滤波单元12可包括多个滤波单元12级联，这些滤波单元12可以包括每一级中频链路上的滤波器和ADC13前端的抗混叠滤波器，每一级中频滤波器带宽不同，且越靠近射频输入端的中频滤波器带宽越大。图2表示了一种超外差变频接收单元11和滤波单元12两级变频的技术方案，图2中的第一中频滤波器带宽大于第二中频滤波器带宽，第二中频滤波器带宽大于抗混叠滤波器带宽，第二中频滤波器也可与抗混叠滤波器合并成一个滤波单元12。

图1所示的自适应滤波单元15与现有频域补偿滤波的技术方案不同，采用时域自适应滤波算法。该算法通过迭代算法不断调整滤波器的系数，使得输出信号逐渐逼近期望信号，最终使估计误差信号达到最小，从而得到一组最佳的滤波器系数。将这组滤波器系数配置到采集处理板上FPGA的补偿滤波器中，补偿滤波器的参数可调，即可实现对系统波动的补偿，提高信号带内的平坦度。

如图1、图2和图3所示的一种带内平坦度的补偿方法，包括如下步骤：

S1，信号源产生501个间隔2MHz的1GHz带宽多载波信号，通过射频端口输入宽带信号分析仪；

S2，宽带信号分析仪接收到信号后，经多级混频、ADC13信号采集、数字下变频和抽取滤波单元14处理后得到IQ信号数据，保存IQ信号并导入MATLAB软件；

S3，利用MATLAB产生501个间隔2MHz的1GHz带宽信号作为期望信号d(n)，将导入的IQ信号数据作为输入信号x(n)，根据自适应滤波算法并利用遗忘因子的计算方法，得到一组阶数为N的最佳滤波器系数；

S4，在宽带信号分析仪采集处理板的FPGA中设计与步骤S3阶数相同的补偿滤波器；

S5，将由步骤S3得到的滤波器系数配置到S4的补偿滤波器中，即可完成对宽带信号带内平坦度的补偿。

如图3所示的带内平坦度的补偿方法，通过时域自适应滤波算法的实现，该算法是在时域通过迭代不断调整滤波器系数，缩减输出信号与期望信号之间的估计误差信号，当估计误差信号达到最小时，即得到最优的补偿滤波器系数。其中，输入信号x(n)是由信号源产生1GHz带宽信号输入宽带信号分析仪，再经多级混频、ADC13信号采集、数字下变频和抽取滤波单元14的处理后得到的IQ信号数据。输出信号y(n)是输入信号x(n)和补偿滤波器的卷积。期望信号d(n)是用数字方法产生的1GHz带宽无失真信号。估计误差信号e(n)是期望信号d(n)与输出信号y(n)的差。根据估计误差信号e(n)可对滤波器系数进行迭代更新，直到误差达到最小。

具体地，图3所示的自适应算法采用变遗忘因子的递推最小二乘算法。传统递推最小二乘RLS算法的计算步骤如下：

计算输出信号y(n)：

y(n)＝w

计算先验估计误差信号e(n)：

e(n)＝d(n)-y(n)

更新卡尔曼增益向量k(n)：

更新逆相关矩阵P(n)：

更新滤波器抽头权向量w(n)：

w(n)＝w(n-1)+k(n)e

重复上述步骤，最终得到一组最佳的滤波器系数。

其中，遗忘因子λ计算方法如下：

λ

在RLS算法中，遗忘因子λ影响收敛速度和稳态误差。遗忘因子小，收敛快，但是稳态误差大；遗忘因子大，收敛慢，但是稳态误差小。迭代开始时误差大，所以遗忘因子要小，以加快收敛速度，当误差变小时，遗忘因子要变大，以减小稳态误差。本发明的一种带内平坦度补偿方法设置一个误差阈值，当滤波器输出的估计误差信号大于误差阈值时，遗忘因子趋于λ

改进后的遗忘因子变化公式如下：

λ

本发明与现有技术方案相比，无须通过对采集信号频响进行密集采样并取反的方式得到补偿滤波器的频响，从而大大降低了对滤波器阶数的要求，能够将1GHz带宽信号补偿滤波器的阶数从200余阶降低至100阶以下，解决现有技术滤波器阶数高、处理资源消耗过大的问题，同时可以使带内平坦度优于±2dB，达到当前最先进水平，提高宽带信号采集精度，减少了对宝贵的硬件处理资源的占用。同时，本发明也不存在现有技术方案的过渡带频响波动问题，从而提高了对宽带信号带内平坦度的补偿效果。

最后应说明的是，上述实施方式的说明仅用于说明本发明的技术方案，并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。