測量接收機中模擬解調(diào)參數(shù)的自動配置技術(shù)研究

張 峰，周欽山

（中電科思儀科技股份有限公司，山東 青島 266555）

0 引 言

隨著軍事通信及民用通信的迅速發(fā)展，寬頻帶信號發(fā)生技術(shù)也得到迅猛發(fā)展，其特點是信號頻帶越來越寬、調(diào)制制式也越來越復(fù)雜。寬頻帶信號的典型特征參數(shù)包括信號頻率參數(shù)、幅度參數(shù)及調(diào)制參數(shù)等。傳統(tǒng)頻譜分析儀能夠?qū)崿F(xiàn)信號頻譜參數(shù)的測試，但是不具備對調(diào)制參數(shù)特別是寬帶調(diào)制參數(shù)的測試能力，因此，相應(yīng)的寬頻帶信號周期性檢定與校準(zhǔn)需要的測量裝置與測量方法逐步發(fā)生變化[1-2]。

模擬解調(diào)是模擬調(diào)制的反過程。對調(diào)制參數(shù)的精確測量，可以為模擬調(diào)制發(fā)射機和信號發(fā)生器提供有效可靠的檢驗手段。模擬解調(diào)不僅在頻率調(diào)制（Fequency Modulation，F(xiàn)M）或幅度調(diào)制（Amplitude Modulation，AM）發(fā)射機的測試中是必須的，即使在現(xiàn)代的數(shù)字世界中，對來自數(shù)字調(diào)制發(fā)射機的模擬調(diào)制，模擬調(diào)制測量的應(yīng)用也有助于故障排除。模擬調(diào)制參數(shù)的測量功能在以下方面具有廣泛應(yīng)用[3-4]。

（1）用于信號發(fā)生器的計量。調(diào)制參數(shù)的測量功能不僅可以計量信號發(fā)生器中的模擬調(diào)制輸出性能，還可以測量信號發(fā)生器的剩余調(diào)幅/調(diào)頻。

（2）用于雷達(dá)發(fā)射機測試。雷達(dá)信號測試分為功率和頻譜測試以及脈內(nèi)調(diào)制測試。線性調(diào)頻脈內(nèi)調(diào)制測試，觀察脈內(nèi)頻率變化情況，包括線性度和調(diào)頻帶寬。利用AM 解調(diào)功能，可以測試脈沖波形、升降沿等信息。

（3）用于對數(shù)字通信發(fā)射機中的特殊問題進(jìn)行故障診斷，進(jìn)行瞬態(tài)事件和信號穩(wěn)定時間分析，量化許多劣化調(diào)制質(zhì)量的誤差和損傷[5-6]。

（4）用于通信裝備輸出的調(diào)制信號的調(diào)制度分析。

（5）FM 立體聲發(fā)射機測試。

同時，隨著數(shù)字通信、雷達(dá)、信息戰(zhàn)及電子對抗等技術(shù)的發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)π盘柕恼{(diào)制質(zhì)量要求越來越高，傳統(tǒng)的使用模擬解調(diào)器或者頻譜儀進(jìn)行調(diào)制信號測量的方式已經(jīng)不能滿足高精度的計量檢驗要求。測量接收機能夠依據(jù)待測試的寬頻帶、大動態(tài)信號的頻譜特征參數(shù)（如頻率、幅度、占用帶寬等），創(chuàng)建能自動配置通道參數(shù)的測量規(guī)則處理器，實現(xiàn)無失真精確測量，提取寬頻帶信號包含的信息量（如調(diào)制頻率、調(diào)制誤差、調(diào)制失真等參數(shù)），大幅度降低測量誤差，實現(xiàn)由“頻譜測量”到“信息測量”的轉(zhuǎn)變[7-8]。在使用過程中，需要測試人員根據(jù)待測試信號特征（如調(diào)制率，邊帶幅度等），依據(jù)測試經(jīng)驗，手動調(diào)整通道參數(shù)。采用不同的通道設(shè)置參數(shù)，會得到不同的測試結(jié)果，具有較大局限性。

1 總體方案設(shè)計

測量接收機的總體方案設(shè)計如圖1 所示，主要包含3 個功能單元，分別為信號接收單元、信號處理單元以及模擬解調(diào)參數(shù)自動配置單元。

圖1 總體方案設(shè)計

信號接收單元包含變頻接收通道、信號調(diào)理通道以及可變帶寬濾波通道。變頻接收通道將寬頻帶信號降頻至能被模數(shù)變換器直接采集的頻段；信號調(diào)理通道根據(jù)信號幅度大小可優(yōu)化調(diào)整衰減器的衰減量，實現(xiàn)對大功率信號測試能力，通過改變開關(guān)放大器的增益量提高弱信號測量能力，綜合實現(xiàn)信號幅度的大動態(tài)范圍測試；可變帶寬濾波通道可根據(jù)待測試信號特征參數(shù)調(diào)整帶寬，實現(xiàn)解調(diào)帶寬限定功能，降低進(jìn)入測試通道內(nèi)的噪聲，以此提高測試結(jié)果精度。

信號處理單元包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器和信息運算處理器。中頻信號進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，生成代表信號特征的IQ 數(shù)據(jù)，經(jīng)過信息運算處理器，得到信號的頻譜特征參數(shù)、時域特征參數(shù)。信號的頻域特征參數(shù)與時域特征參數(shù)同時送達(dá)3 規(guī)則處理模塊，得到最優(yōu)的模擬解調(diào)參數(shù)。

2 模擬解調(diào)參數(shù)自動配置

模擬解調(diào)參數(shù)自動配置單元包含兩部分內(nèi)容，分別為參數(shù)預(yù)處理器和自動規(guī)則處理器。信號的頻域與時域特征參數(shù)同時送達(dá)參數(shù)預(yù)處理器進(jìn)行分解，送達(dá)規(guī)則預(yù)處理得到相關(guān)控制量，進(jìn)而實現(xiàn)信號接收單元參數(shù)自動調(diào)整。

3 模擬解調(diào)誤差分析

測量誤差主要受硬件通路和軟件算法兩方面的影響。硬件方面，通道中的近端相噪會影響較小頻偏的FM 調(diào)頻指數(shù)測量，如圖2 所示。

圖2 模擬解調(diào)誤差分析

本底噪聲會影響AM 的調(diào)幅度和FM 的調(diào)頻指數(shù)。幅度平坦度及非線性指標(biāo)會影響調(diào)制失真的測量。因此，高性能的硬件接收平臺非常重要。

調(diào)制信號是包含載波信號及無數(shù)對邊頻分量的集合。合理設(shè)置通道增益，實現(xiàn)無失真測試，能夠降低測試誤差。合理設(shè)置解調(diào)帶寬，實現(xiàn)對全部邊頻信號的包絡(luò)檢測，同時減少寬帶噪聲疊加的影響，對測試結(jié)果的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性具有重要意義。

4 模擬解調(diào)參數(shù)自動配置技術(shù)

模擬解調(diào)參數(shù)自動配置技術(shù)基于變頻接收技術(shù)實現(xiàn)待測試信號頻率、幅度及占用帶寬預(yù)測試，根據(jù)自動規(guī)則處理技術(shù)及相關(guān)的判定準(zhǔn)則，精確設(shè)置接收通道參數(shù)，達(dá)到減小失真與降低噪聲的權(quán)衡，實現(xiàn)精確測量。該技術(shù)具有以下特點：

（1）根據(jù)頻率特征精確調(diào)整可調(diào)諧本振，實現(xiàn)與輸入信號頻率對齊，降低輸入頻率漂移對測試結(jié)果的影響；

（2）根據(jù)信號幅度特征調(diào)節(jié)步進(jìn)衰減器和開關(guān)放大器的參數(shù)，實現(xiàn)測量動態(tài)范圍最大化；

（3）根據(jù)信號占用帶寬特征參數(shù)設(shè)置可調(diào)帶通濾波器，優(yōu)化解調(diào)帶寬，降低帶外噪聲引入的測量誤差。

模擬解調(diào)參數(shù)自動配置技術(shù)包括步進(jìn)衰減器設(shè)置、解調(diào)帶寬設(shè)置以及解調(diào)時間設(shè)置3 部分，設(shè)置流程如圖3 所示。

圖3 模擬解調(diào)參數(shù)自動配置流程

4.1 步進(jìn)衰減器設(shè)置

步進(jìn)衰減器的設(shè)置按照以下步驟進(jìn)行。

（1）輸入待測試信號，根據(jù)預(yù)設(shè)初始狀態(tài)（步進(jìn)衰減器40 dB，關(guān)閉前置放大器，此時信號不產(chǎn)生失真）進(jìn)入信號接收單元并傳輸至基波混頻器。

（2）根據(jù)預(yù)設(shè)定頻率值，在時域方式下合理設(shè)置掃描時間（1 s，對應(yīng)調(diào)制率1 Hz）和10 MHz 預(yù)濾波器帶寬，測試得到信號峰值功率Ppeak。

（3）根據(jù)公式計算衰減器設(shè)置值，ATT=Ppeak+AMP-Lmixer（默認(rèn)為2 dB 步進(jìn)）。其中，ATT為步進(jìn)衰減器設(shè)置值，Ppeak為信號峰值功率，單位為dBm；AMP為開關(guān)放大器增益值，當(dāng)放大器為開時，增益為28-0.1×FREQ（頻率設(shè)置值，單位為GHz），放大器關(guān)時，增益為-0.1×FREQ；Lmixer為最優(yōu)混頻器電平設(shè)置值，默認(rèn)為-10 dBm+0.1×FREQ。

（4）根據(jù)步驟（3）設(shè)置步進(jìn)衰減器值。

4.2 解調(diào)帶寬設(shè)置

步進(jìn)衰減器的設(shè)置主要有以下步驟。

4.2.1 解調(diào)帶寬設(shè)置原則

頻域觀測分析調(diào)制信號是具備無數(shù)邊頻、覆蓋一定帶寬的信號包絡(luò)，合理的測量帶寬即解調(diào)帶寬對測試結(jié)果具有重要意義。解調(diào)帶寬過大，會引入過多的噪聲，造成測量值偏大；解調(diào)帶寬過小，會導(dǎo)致邊頻信號測試不全，采集信息量不足，測試結(jié)果產(chǎn)生失真。為合理估算信號測試的解調(diào)帶寬，確定邊頻信號無失真覆蓋，本文采用2×（99.99%占用帶寬）作為信號解調(diào)帶寬。這樣不僅能減少無用噪聲進(jìn)入解調(diào)帶寬，降低測試誤差，而且能根據(jù)信號發(fā)射功率覆蓋的區(qū)間實現(xiàn)有用信息覆蓋。

4.2.2 解調(diào)帶寬設(shè)置步驟

首先設(shè)置最大預(yù)濾波帶寬為10 MHz，進(jìn)行FFT測量。首次測試時設(shè)置解調(diào)時間為17 ms，計算此時信號占用帶寬。如果此時占用帶寬大于2%的預(yù)濾波帶寬，繼續(xù)執(zhí)行上述步驟，否則進(jìn)行第二次占用帶寬測試，設(shè)置此時占用帶寬為300 kHz；中頻帶寬應(yīng)該選取2×（99.99%占用帶寬）和2.5 kHz 中的最大值。

4.3 解調(diào)時間設(shè)置方法

解調(diào)時間的設(shè)置按以下步驟進(jìn)行。

（1）設(shè)置IQ 數(shù)據(jù)測量長度為100 000，根據(jù)中頻帶寬計算解調(diào)時間。解調(diào)時間=測量長度/中頻帶寬。

（2）執(zhí)行一次解調(diào)，得到調(diào)制率。

（3）確定解調(diào)時間，保證解調(diào)時間內(nèi)可以采集100 個信號周期，解調(diào)時間=100/調(diào)制率。

5 實現(xiàn)效果

模擬解調(diào)參數(shù)自動配置技術(shù)的實現(xiàn)效果如圖4、圖5 所示。圖4 為調(diào)幅深度為5%的AM 解調(diào)測量圖，圖5 為調(diào)幅深度為99%的AM 解調(diào)測量圖，可以對模擬調(diào)制信號的調(diào)制速率、AM 信號的調(diào)制深度等參數(shù)進(jìn)行解調(diào)。

圖4 調(diào)幅深度為5%的AM 解調(diào)

圖5 調(diào)幅深度為99%的AM 解調(diào)

6 結(jié) 語

本文設(shè)計了基于信號頻域和時域預(yù)測試結(jié)果配置接收通道參數(shù)的測量規(guī)則處理器、反饋自動控制步進(jìn)衰減器、開關(guān)放大器以及預(yù)濾波器，解決了噪聲及失真的影響，最終實現(xiàn)了模擬調(diào)制的解調(diào)及高精度的參數(shù)測量功能，可以對模擬調(diào)制信號的調(diào)制速率、AM 信號的調(diào)制深度、FM 信號的調(diào)制頻偏、載波頻偏、PM 信號的調(diào)制相偏、諧波失真以及調(diào)制失真等參數(shù)進(jìn)行高精度的測量。