接收机多通道相位一致性测试方法与试验

多波束天线通道幅相一致性校正及实现朱丽龚文斌杨根庆（中科院上海微系统与信息技术研究所,上海 200050）摘要：本文针对多波束天线接收机的通道幅相一致性校正，提出了一种基于自适应算法的校正方法并在FPGA 中实现了该方法。

在满足系统要求的前提下，该方法不但实现起来相对容易，而且算法的精度和动态范围也有一定的保证。

仿真和试验结果表明，该方法是可行的。

关键词：多波束天线，通道失衡，幅相误差，最小均方误差，校正1．引言随着人们对卫星通信要求的不断提高，卫星通信技术得到了很大的发展。

其中，卫星多波束天线目前己成为提高卫星通信性能、降低系统成本的一项关键性技术。

多通道接收机是DBF 天线系统中信号的必经之路，正是这种多接收通道的结构，使DBF 天线系统增加了幅度和相位误差的潜在来源。

与多个天线阵列相连接的多个接收机通道必须要有很高的一致性，否则通道间的失配将严重影响数字波束系统的性能。

对多通道间误差的校正正是星载数字多波束天线的关键技术之一。

由于目前国内对星载DBF 天线的研究还处于初级阶段，所以需要更多的借鉴智能天线、自适应天线和雷达等领域已有的研究成果。

本文主要针对基于卫星应用的两维阵列DBF 天线系统，采用目前最常用的LMS 算法设计并在FPGA 中实现了对其前端射频多通道接收机的幅相校正系统，最后给出了测试结果。

测试结果表明，这种采用定点数制的LMS 算法对系统的幅相误差具有较好的校正性能。

2．数字多波束天线的幅相校正原理数字多波束天线的组成如图1所示。

前端天线阵是由多个天线单元组成两维阵列，阵元接收的信号经射频前端电路、A/ D 转换电路、数字下变频器后送入数字波束形成器处理。

[2][1]设计一个六边形排列的7单元天线阵，A/D后端的数字下变频器和波束形成器均采用FPGA 实现。

天线阵接收到的信号首先通过射频通道混频后得到中频信号，再将此模拟中频信号经过ADC 后得到数字中频信号，然后送入DDC 进行下变频；下变频后，每路信号分为正交的I、Q 两路，这些正交的信号再送入波束成形器中进行波束成形，最后的输出即为合成的波束。

多通道ADC一致性的高精度测量方法来源：北京理工大学信息与电子学院作者：刘楷，吴琼之，孙林，苏福顺在散射计数字处理系统中，需要多通道ADC电路来对数据进行采样。

在该系统中，需要对ADC采集后的数据进行数字下变频、脉冲压缩和波束合成等处理。

然而，由于采样电路的路数很多，各个ADC通道由于布线差异、时钟误差等环境因素的影响，导致了ADC 通道之间出现一致性问题，特别是当存在多片ADC芯片并行工作时，会出现两种不同的通道差异：一种是同一片ADC的两路采集电路之间的差异，另一种是不同片ADC采集电路之间的差异。

这种差异会增大后期信号处理的误差，降低整个系统的精度。

因此采样通道一致性是一个非常重要的问题。

本文提出一种高精度多通道ADC通路之间的一致性测量方法，测量各个采样电路的一致性，以便后期进行修正。

1 通道一致性测量原理本文的背景是散射计，在评估前端采样电路整体性能的时候，我们的目标是将整体误差限定在一定的范围内。

由于工程中的多路通道采用的是同一型号的ADC芯片，所以在测试之前，假设各个ADC芯片的转换效率、接口、供电电源、功耗以及输入范围没有差异，满足系统要求。

那么各个通路之间的采样差异与几项关键的规格有关。

其中比较重要且对后级数据处理有较大影响的指标是：各通路幅度增益一致性、直流偏置一致性和延迟一致性。

因此把这三项一致性指标的考察作为本文的核心。

1.1 直流偏置测试从ADC的直流特性入手，因为ADC的交流参数测试存在多种非标准方法，基于直流特性更容易对两片ADC集成芯片进行比较。

直流特性通常比交流特性更能反映器件问题。

所以本文对一致性考察的第一项就是直流偏置的一致性。

本文对直流偏置一致性的考察是对采样得到的双通道数据进行归一化处理后分别对两个通道的信号求均值，设y1是采样通道1后经过归一化处理的结果，y2是采样后通道2经过归一化处理的结果。

即可得到直流偏置一致性：△DC=mean(y2)-mean(y1) (1)1.2 幅度增益幅度增益是ADC芯片的重要指标，增益误差会导致降低动态范围。

多通道接收机幅相校准测试系统的设计【摘要】通过介绍了某接收系统的校正原理实现接收机幅相一致性参数自动测量，解决了测试参数多、测试量大的问题，并通过幅相调节网络补偿各通道的幅度和相位，提高接收系统的幅相一致性水平。

【关键词】多通道接收机；幅相校准；设计1.引言现代雷达系统为了获得良好的性能，在强杂波环境中检测目标，通常采用将接收到的射频回波信号下变频到中频，再经正交解调器分解为I、Q信号。

但是由于电路的不对称、各支路所选器件的不完善以及雷达工作频率和周围温度等环境的变化导致各通道I/Q支路的幅相特性不平衡及通道间的幅度相位不一致，从而造成系统的虚警或者增大系统测量误差。

因此，各通道I分量与Q分量两路信号的幅相一致性指标以及通道间的幅相一致性指标是影响接收系统性能的主要因素之一。

2.幅相校准测试系统的校准原理雷达接收单元采用5通道工作体制，工作频率范围覆盖0.05GHz～20GHz，为了解决宽带接收条件下的幅度相位一致性问题，接收单元采用在通道中插入相位均衡网络和幅度调节网络的方法来进行幅相补偿，实现该各通道间的幅相一致性能。

图1是接收单元内部射频信号到中频信号的简单处理流程。

5路线性通道的每个支路由接收前端，滤波器和开关电路、通道中频处理电路、AGC控制电路、正交相检电路、相位均衡网络和幅度调节网络等组成。

接收通道设计时，提高中频接收机增益的预留量，采用程控衰减器进行预衰，实际操作中作为调节网络实现幅度调节功能。

3.幅相校准测试系统的组成3.1 幅相校准测试系统的硬件组成幅相校准测试系统以测控计算机为核心，包括了射频信号源，数字示波器，程控多路开关以及用于智能仪表连接的GPIB接口卡，系统框图如图2所示。

测控计算机采用研华IPC610工控机，射频信号源为HP83732B，可提供10MHz～20GHz频率范围的射频信号输出。

数字示波器采用Agilent 54845，具有4通道，1GS采样，500M带宽，同时支持相位比较功能。

收稿日期：２０２２－０４－２１基金项目：国家自然科学基金（Ｕ２２４１２７７）引用格式：史磊，晏怀斌，于骏申．一种多通道数字接收机的设计与测试方法［Ｊ］．测控技术，２０２３，４２（７）：８０－８６．ＳＨＩＬ，ＹＡＮＨＢ，ＹＵＪＳ．ＤｅｓｉｇｎａｎｄＴｅｓｔＭｅｔｈｏｄｏｆａＭｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌＤｉｇｉｔａｌＲｅｃｅｉｖｅｒ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆ＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２３，４２（７）：８０－８６．一种多通道数字接收机的设计与测试方法史　磊，晏怀斌，于骏申（上海船舶电子设备研究所，上海　２０１１０８）摘要：设计了一种可用于测控系统的多通道数字接收机，结合性能指标测试，表明该接收机具有有效性和通用性。

重点阐述了该多通道数字接收机设计组成和下属各模块的设计原理，通过对幅度相位一致性、短路噪声、固定增益和采集预处理效果等接收机关键性能指标开展仿真测试和数据分析，给出某型测控设备中的实际测试结果，验证了设计的多通道数字接收机满足某型测控系统实际使用需求。

针对特定功能的测控系统，可通过尝试调整接收机相关模块的设计参数，为特定功能接收机设计提供参考。

关键词：多通道；数字接收机；信号调理；采集预处理中图分类号：ＴＰ２９ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００－８８２９（２０２３）０７－００８０－０７ｄｏｉ：１０．１９７０８／ｊ．ｃｋｊｓ．２０２２．１０．３０９ＤｅｓｉｇｎａｎｄＴｅｓｔＭｅｔｈｏｄｏｆａＭｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌＤｉｇｉｔａｌＲｅｃｅｉｖｅｒＳＨＩＬｅｉ牞ＹＡＮＨｕａｉｂｉｎ牞ＹＵＪｕｎｓｈｅｎ牗ＳｈａｎｇｈａｉＭａｒｉｎｅＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｑｕｉｐｍｅｎｔＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ牞Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１１０８牞Ｃｈｉｎａ牘Ａｂｓｔｒａｃｔ牶Ａｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌｄｉｇｉｔａｌｒｅｃｅｉｖｅｒｆｏｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｅｘｔｅｓｔ牞ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓａｎｄｕｎｉｖｅｒｓａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｒｅｃｅｉｖｅｒａｒｅｓｈｏｗｎ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌｄｉｇｉｔａｌｒｅｃｅｉｖｅｒａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｉｔｓｓｕｂｏｒｄｉｎａｔｅｍｏｄｕｌｅｓａｒｅｅｍｐｈａｓｉｚｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔａｎｄｄａｔａａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｋｅｙｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｅｘｅｓｏｆｔｈｅｒｅｃｅｉｖｅｒ牞ｓｕｃｈａｓａｍｐｌｉｔｕｄｅａｎｄｐｈａｓｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ牞ｓｈｏｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔｎｏｉｓｅ牞ｆｉｘｅｄｇａｉｎａｎｄａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｅｆｆｅｃｔ牞ｔｈｅａｃｔｕａｌｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｉｎａｃｅｒｔａｉｎｔｙｐｅｏｆｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｒｅｇｉｖｅｎ牞ｗｈｉｃｈｖｅｒｉｆｉｅｓｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｍｕｌｔｉ ｃｈａｎｎｅｌｄｉｇｉｔａｌｒｅｃｅｉｖｅｒｍｅｅｔｓｔｈｅａｃｔｕａｌｕｓｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆａｃｅｒｔａｉｎｔｙｐｅｏｆｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｏｔｈｅｒｓｐｅｃｉｆｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｒｅ ｃｅｉｖｅｒｗｉｔｈｓｐｅｃｉｆｉｃｆｕｎｃｔｉｏｎｓｂｙｔｒｙｉｎｇｔｏａｄｊｕｓｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｒｅｃｅｉｖｅｒｒｅｌａｔｅｄｍｏｄｕｌｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ牶ｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌ牷ｄｉｇｉｔａｌｒｅｃｅｉｖｅｒ牷ｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ牷ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ 伴随着单片微波集成电路、微组装技术、Ａ／Ｄ采样电路、大规模可编程逻辑电路、多通道数字接收技术的快速发展，数字接收机几乎已经可以完全取代模拟接收机，成为当前接收机技术发展的主要方向。

2020年第 4 期 声学与电子工程 总第 140 期声呐多通道接收机测试系统的设计与实现李淑萍 董卫珍 李玉娥（上海船舶电子设备研究所，上海，201108）摘要传统的声呐接收机通道测试需要使用多台仪器联合测试，所需的成本较高、操作复杂，且无法对通道特性进行全面准确的分析。

针对这些缺陷，文章设计了一种声呐多通道测试系统，并开发了基于LabView的通道特性测试软件，用于实现对接收机通道各项性能指标的测试。

实验结果表明该系统具有操作便捷、测试准确、稳定性高等优点，满足对接收机性能的测试需求。

关键词声呐；多通道；接收机；Labview；测试系统多通道接收机是多波束声呐的重要组成部分，主要完成接收小信号的放大、滤波、可编程增益控制等[1-3]。

接收机工作状态是否正常、技术指标是否满足要求，直接影响着声呐的整体性能。

多通道声呐接收机要求各个通道在一定带宽内具有平坦的幅频特性，且带外噪声抑制效果好，通道间需要保证一定的幅度、相位一致性，接收机整体要求噪声低、灵敏度高、增益可控范围大[4-5]。

为了准确评估接收机各通道之间幅度一致性、相位一致性、带宽、噪声、增益可控范围等各项技术指标，常用测试系统由扫频仪、频谱分析仪、示波器等专业设备搭建，价格昂贵且无法满足多通道快速测试的需求，为此有必要研发声呐系统多通道接收机测量系统。

本文设计并开发的声呐多通道接收机测试系统，基于LabView软件设计配合硬件电路开发，能快速有效的完成接收机各项指标的测试。

1测试系统组成声呐多通道接收机测试系统主要由信号源模块、数据采集模块、主控计算机等几个部分组成。

信号源模块向接收系统发送多通道模拟小信号；主控计算机运行测试软件，控制信号源产生测试所需的信号，调用不同功能模块对接收机各项技术指标进行测试；数据传输模块完成接收系统各个通道的数据采集并通过千兆网口上传至主控计算机。

测试系统组成框图如图1所示。

信号源模块为测试系统提供测试信号，由信号源、信号分配两部分组成。

多通道数字阵列模块接收通道测试方法研究和实现作者：丁志钊吴家亮刘忠林蒋玉峰来源：《电子技术与软件工程》2016年第02期摘要多通道数字阵列模块接收通道的输出信号为通过光缆传输的高速I/Q数据，所有接收通道的性能指标测试都依赖于对1/Q数据的分析和计算。

为解决因数字化、集成化带来的接收通道测试难题，根据当今大规模集成电路、微波技术和光电技术的研究成果，提出了一种基于高速I/Q数据接收/分析、复杂工作状态控制、被测模块与测试仪器同步、多通道射频激励信号输入的测试实现方法。

实际测试证明方法可行有效，也具有一定的推广应用价值。

【关键词】数字阵列模块接收通道 I/Q数据同步1 引言与模拟T/R组件相比，多通道数字阵列模块的组成和功能非常复杂，不再只是实现发射、回波信号的幅度和相位调理。

在接收状态下，输出信号不再是通过同轴电缆传输的模拟信号，而是通过光缆传输的高速大容量I/Q数据，矢量网络分析仪等传统测试设备已经无法与数字阵列模块进行连接，也就无法对其性能标进行测试，所有接收通道性能指标都依赖于对I/Q数据的分析和计算，这是数字阵列模块与模拟T/R组件在测试方面最大的不同，也是最大的测试难点所在。

因此，必须寻求一种新的测试解决思路和手段。

2 接收通道测试需求虽然在技术体制和实现方式上与模拟T/R组件有较大的不同，但是数字阵列模块接收通道的测试参数类型基本是一致的，主要有接收增益、隔离度、接收延时、噪声系数和通道间幅相一致性等。

3 接收通道测试方法测试实现的总体思路为：在主控计算机的控制下，首先通过光缆和状态控制单元完成被测模块的工作状态控制，然后在同步信号的作用下，信号发生器输出的射频激励信号通过开关功分单元输入至被测模块中，而被测模块输出的I/Q数据进入接收分析单元进行数字信号处理，最后对计算结果进行补偿，如考虑射频传输通道的插损等，最终得到接收通道的性能指标（见图1）。

噪声系数的测试与上述过程基本一致，只是它不需要开关功分单元的参与。