测量IQ调制器中的相位和延迟误差.

测量I/Q调制器中的相位和延迟误差

测量I/Q调制器中的相位和延迟误差

类别：测试仪表

 就先进射频发送器而言，直接转换I/Q调制是一种很有吸引力的解决方案，它以较低的成本实现了复杂调制。直接I/Q调制器可以产生任意相位、频率和幅度的波形。在典型应用中，

I/Q调制器产生一个单边带输出信号。理想调制器在I混频器和Q混频器本机

振荡器之间有完美的90。相移，而且没有其它不想要的相位或增益减损，其输出将仅包含所需要的边带信号。实际上，非理想性是由其它相位误差源引起的，如基带I/Q延迟不匹配和DAC歪斜失真。 本文感兴趣的误差

项是由基带信号源引起的I/Q歪斜误差（jDGEN）、由调制器引起的I/Q基带歪斜误差（jMOD）和LO正交误差（jLO）（参见图1）。注意，时延误差（如jDGEN和jMOD）引起了与频率有关的相位误差，这种误差不能用一个不受频率影响的I/Q相位调节补偿。因此，时延误差可能限制校准程序的有效性和图像抑制的程度。 为了针对宽频通信通道（例如，W-CDMA）实现最佳镜频抑制，了解这些误差来源很重要。本文提供一种测量方法，用来确定射频和基带相位误差的来源。该方法需要基带 I/Q 信号发生器和其 I 和 Q 通道输出之间的用户可调相位（jGEN）。采用这信号源可以进行 3 种测量。jDGEN、jMOD、jLO等误差项可从这一系列测量中得出。 

第一种测量——用正常信号连接消除I/Q调制器图像信号（图1）  如图1所示和定义的那样，基带发生器（jDGEN）和在I/Q调制器本身（jMOD）的 I和Q通道之间都可能存在相位差。在调制器中的正交LO信号、LOI和LOQ 之间也许还存在相位误差jLO。因此，不想要的上边带信号（wLO + wBB）与想要的下边带信号（wLO — wBB）都出现在射频输出中。利用三角恒等式和小角度逼近，可以推导出上边带抑制。由下式给出： RSB = 20Log

( jLO + jGEN1 + jDGEN + jMOD ) — 6.02 [dB] (1)  注意，相位j用弧度表示。通过调节信号发生器的相位，可以最大限度地减小图像项，信

号发生器相位设定为

jGEN1 = — jLO — jDGEN — jMOD (2)  第二种测量——采用接到调制器差分I通道输入端的反向差分基带信号，消除I/Q调制器图像信号（图2） 这个配置与图1的区别是，连接到调制器的I输入的差分基带信号是反向的。调节可控制的信号发生器相位jGEN2以消除图像信号。在这种情况下，想要的信号是上边带信号（jLO + jBB）和图像信号（jLO — jBB）上。下边带抑制由下式给出： RSB = 20 log ( jLO — jGEN1 — jDGEN — jMOD ) — 6.02 [dB]

(3)  就下式而言，图像信号最小：jGEN2 = jLO — jDGEN — jMOD

(4)  第三种测量——让调制器的I和Q输入反向后消除I/Q调制器图像信号（图3） 在这种配置情况下，I和Q

差分输入被交换了。调节可控制的信号发生器相位jGEN3以消除图像。现在想

要的信号是上边带频率分量（wLO + wBB），图像是在（wLO — wBB）的下边带信号。下边带抑制由下式给出： RSB = 20log ( jGEN3 + jDGEN + jLO + jMOD ) — 6.02 [dB] (5)  就下式而言，图像信号最小：jGEN3 = — jLO — jDGEN + jMOD (6)  相位减损的计

算 解方程 (2)、(4) 和 (6)，可得出： jLO = (jGEN2 — jGEN1)/2 (7)  jDGEN = —(jGEN2 + jGEN3)/2.

(8)  jMOD = (jGEN3 — jGEN1)/2

(9)  作为一个例子，我们现在用上述方法确定LT5528直接 I/Q 调制器的误差项。用Rohde & Schwarz公司的AMIQ I/Q调制发生器作基带信号源。就5个不同的LT5528实例，采用 5MHz和10MHz基带频率测量jLO、jDGEN和jMOD。从测得的相位误差，可以计算等效延迟误差。表1的结果显示，基带信号发生器相位误差jDGEN在这一设置中占主导地位，并等效于大约300ps的延迟误差，相比之下，LT5528的基带相位误差jMOD的等效延迟仅为约 25ps ~ 30ps。在这个例子中，基带信号源相位误差jDGEN是主要误差源。在实际应用中，这个误差应该仔细进行特性描述和补

偿。

相位测量方案

制信号控制两片计数器。得到的两路计数值送入单片机进行处理得相位差值。 对以上方案进行比较，方案一在所测频率较高时，受锁相环工作频率等参 数的影响会造成相位差测量的误差，采用方案二由高精度的晶振产生稳定的基 准频率，可以满足系统高精度、高稳定度的要求。 相位测量论证与选择 方案一：利用单片机实现测量相位差，实现框图如图1-1所示。 信号1整形电路方波1测频 键盘 信号2整形电路方波2异或门 测脉宽单片机 显示DFF 图1-1利用单片机实现测量相位差原理图 直接利用单片机的内部时钟以异或门的输出为闸门进行计数。理论上晶振为12M时MCS-51单片机的最窄脉宽为1us，误差即为±1us。当要实现1?的步进时，计数脉宽最少为360us，以正弦波计，最高的频率为 1 360*10-6 ＝2.78KHz。显然，此种方法硬件原理上难以保证测量精度，需在软 件上采用?∑技术来提高精度，增加了软件量。 方案二：采用相差－电压测量法。即通过数字鉴相器，如异或门鉴相电路 输出相差脉冲，经过低通滤波器滤出其中的直流成分（其中含有相位信息），设 计原理框图如图1-2所示。 信号输入1数字 鉴相器滤波器A/D单片机显示信号输入2异或门 图1-2数字鉴相、相位－电压法原理框图 此方案为数字方法与模拟方法相结合，数字鉴相器的设计解决了模拟鉴相器的频带限制，但精度问题依然存在。 方案三：采用相差－时间测量法。设计原理框图如图1-3所示。 信号输入A 信号输入B 数字 鉴相器 周期/脉冲 计数/锁存 单片机显示

?360O ??=n N 其中，n为方波相位差对应时间间隔内的脉冲数，N为方波一个周期内的脉冲数。 上述两种方案从对硬件的要求而言，方案一在FPGA芯片基础上需要一片CD4046和一片AD0809，而方案二则在FPGA芯片基础上只需要一片LM393；从测量性能方面来说，在低频率方面，方案一的相位差总共只能有256个量级，而采用通过FPGA记脉冲数的方法测量的精度将远远高出此量级。因此，选用方案二，采用比较器LM393和FPGA来实 现测相。 相位差测量 方案一：将被测的两路正弦波信号整成方波信号，利用异或门电路进行鉴相处理，将得到的脉冲序列经过RC平滑滤波取出其直流分量，该直流电平的幅值与两路信号的相位 差成正比，将此信号送入A/D转换器由单片机进行运算处理从而计算出相位差值。 方案二：采用脉冲填充计数法，将正弦波信号整成方波信号，其前后沿分别对应于正弦波的正相过零点与负相过零点，对两路方波信号进行异或操作之后输出脉冲序列的脉宽可以反映两列信号的相位差，以输入信号所整成的方波信号作为基频，经锁相环倍频得到的高频脉冲作为闸门电路的计数脉冲，由单片机对获取的计数值进行处理得到两路信号的相位差。 方案三：将两路被测正弦波信号整成方波信号，通过图3-5所示的鉴相器，输出一路具有不同占空比的脉冲波形。由图３-６的仿真波形可知，该脉冲信号的占空比与这两路信号 图3-5鉴相器原理图 图3-6鉴相器的仿真波形 的相位差成正比： 相位差=N1*360°/（N1+N2）(3-5)其中N1是高电平脉宽时间内的计数器，N2是低电平脉宽时间内的计数值。

相位差检测

目录 一、题目要求 ........................................................ 错误!未定义书签。 二、方案设计与论证 ............................................ 错误!未定义书签。 移相电路 ......................... 错误!未定义书签。 检测电路 ......................... 错误!未定义书签。 显示电路 ......................... 错误!未定义书签。 三、结构框图等设计步骤................. 错误!未定义书签。 设计流程图........................ 错误!未定义书签。 电路图 ........................... 错误!未定义书签。 移相电路图................... 错误!未定义书签。 检测电路图................... 错误!未定义书签。 显示电路图................... 错误!未定义书签。 四、仿真结果及相关分析................. 错误!未定义书签。 移相效果 ......................... 错误!未定义书签。 相位差波形........................ 错误!未定义书签。 相位差度数........................ 错误!未定义书签。 五、误差分析........................... 错误!未定义书签。 误差分析 ......................... 错误!未定义书签。 六、总结与体会......................... 错误!未定义书签。 七、参考文献........................... 错误!未定义书签。 八、附录............................... 错误!未定义书签。 元器件清单........................ 错误!未定义书签。

全相位FFT相位测量方法

全相位FFT 相位测量方法 1.基本原理 全相位数据来源为()()(),11x n N n N --≤≤-，可以认为对于时间序列中的一点()0x ，存在且只存在N 个包含该点的N 维向量： ()()()()()()()()()0110,1,,11,0,,21,2,,0T T T N x x x x N x x x x N x x N x N x -=-???? =--????=-+-+???? (1) 将(1)式中每个向量进行圆周移位把样本点()0x 移到首位，则得到另外的N 个N 维向量 ()()()()()()()()()0 1 10,1,,10,1,,10,1,,1T T T N x x x x N x x x x x x x N x -'=-???? '=-????'=-+-???? (2) 对准()0x 相加得到全相位数据向量 ()()()()()()()1 0,111,,111T AP x Nx N x x N x N N x N = -+-+-+--???? (3) 根据DFT 的移位性质，式(2)中i x '的傅里叶变换()i X k '和式(1)的i x 的离散傅里叶变换()i X k 之间有很明确的关系 ()()[]2,0,1ki j N i i X k X k e i N π'=∈- (4) 当输入序列为 ()()2/,11j mn N x n e N n N πθ+=-+≤≤- (5) 其中，s f m f N =，s f 为采样频率。式(3)对i 求和的平均即为全相位FFT 的输出，

()()()()()()()()()()()()21 1 0221100 2211 222/2/2 21 11111111sin 1sin /ki N N j N ap i i i i kn ki N N j j N N i n m k i m k n N N j j j N N i n j m k j m k j j m k N j m k N j X k X k X k e N N x n i e e N e e e N e e e N e e m k e N m k N πππππθππθππθππ--==---==-----==------'= ==-=--=---????=-???? ∑∑∑∑∑∑ (6) 由(6)式可知，全相位FFT 谱的相位值为θ，即为中心样点()0x 的理论相位值，该值与频率偏离值m-k 无关。当输入序列为 ()()()()() 2/2/cos 2/,11 1 2 j mn N j mn N x n mn N N n N e e πθπθπθ+-+=+-+≤≤-=+ (7) 根据(6)式得到其全相位FFT 为 ()()()()()22 22sin sin 112sin /2sin /j j ap m k m k X k e e N m k N N m k N θθππππ----????????=+---???????? (8) 在峰值谱线k m =处，(8)式等号右侧前项远大于后项，因此k m =处的相位即为输入序列初相θ。因此，基于全相位FFT 的相位测量流程如下图所示 图1 基于全相位FFT 的相位测量流程 2.测相性能 对()0cos 260s n x n f f π??=?+? ???，()()11N n N --≤≤- 。 （1）使用apFFT 估计相位的条件 使用apFFT 进行相位测量，需要满足条件02s f f >。 （2）数据长度与相位测量准确程度的关系 当03,12s f Hz f Hz ==，得到相位估计值与N 的关系如图

时间和相位的测量

第二章 频率、时间和相位的测量 2.1 频率的测量 2.1.1 频率的模拟测量 一、直读法 1．平衡电桥法 图2-1-1 电桥平衡条件：4 3221 1)1 )( 1(R R c j R c j R x x =++ ωω 实部相等 4 3 2121R R C C R R = +， 虚部相等 01 1221=- x x C R C R ωω ，即 2 1211c c R R x = ω 取 C C C R R R ====2121 则须 432R R =，Rc f x π21 = 在432R R =条件下，R 调节旋纽按频率刻度，可从刻度上直接读得被测信号频率fx 。 2．谐振法 图2-1-2 LC f x π21= 变电感——改变频段（频率粗调） 调电容——频率细调（电容旋纽按频率刻度） 3．频率电压转换法 图2-1-3 x m x m B f U T U u U ??=?= =ττ 0 电压表接频率刻度 二、比较法 1、 拍频法 2、 差频法 三、示波法 1、测被测信号周期——被测信号加Y 通道，扫描信号加X 通道 2、观察李沙育图形：被测信号加Y 通道、标准信号加X 通道 2.1.2 频率（周期）的数字测量 x x T f 1= 一、计数法测量的基本原理 图2-1-4，图2-1-5 21t t NT T A ?-?+==][2 1A A T t t N T ?-?+ ][N N T A ?+=

A T t t N 2 1?-?= ? A A T t T t ≤?≤≤?≤2100 当21t t ?=?时，0=?N 当A T t =?1，02=?t 时，1=?N 当01=?t ，A T t =?2时，1-=?N 脉冲计数最大绝对误差（量化误差）1=?N 脉冲计数最大相对误差 T T N N N A ±=±=?1 二、通用计数器的基本组成及工作方式 1、基本组成 图2-1-6 B mT T = 所以 B A A B A f f m T T m T T N === m ——分频系数 三、频率（周期）的测量误差与测量范围 1．“测频”方式 m Nf f c x = 所以c c x x f f N N f f ?+?=? c c f f ?——标准频率准确度 ①最大相对误差：|)|(|)|1 ()( max c c x c c c x x f f mf f f f N f f ?+±=?+±=? ②测量范围max min ~x x f f 1°上限max x f 受计数器容量和速度限制 （a ） max N f mf N c x ≤= c x f m N f m a x ≤∴

实验二 相位差测量

实验二相位差测量 一、实验目的 1、掌握将相位差转换为电压的原理。 2、掌握脉冲电压的脉宽与电压平均值成正比的原理。 3、掌握磁电系仪表的基本读数是电流（电压）的平均值。 4、了解硬件电路的设计方法和基本的硬件调试方法。 二、实验类型 综合型 三、实验仪器 四、实验原理 1、原理图

Y 图1 相位表原理图 2、 电路原理 此电路可以检测-180--+180的相位差。两路输入信号Y1、Y2经整形后成为两路与原信号同频率同相位的方波。方波送入异或门CD4070，CD4070的输出是电压脉冲，脉冲宽度与输入信号的相位差绝对值成正比。用磁电式仪表测CD4070的输出电压（根据磁电系仪表的原理，测量值为电压的平均值），测量值Uo 与脉冲宽度成线性关系。因此可得Uo 与输入信号的相位差绝对值成正比。输入信号的超前、滞后由LED 显示，当Y1超前Y2时，LED1亮；当Y1滞后Y2时，LED2亮。 3、 相位差与时间差的关系 360?=T Δt φ 4、 脉冲电压的平均值与脉宽成正比 T U a dt U T dt u T U H a H T av ===??0 011 其中：a ——脉宽。T ——脉冲电压周期。U H ——脉冲电压高电平。 5、 磁电系电压表的读数是电压的平均值。 五、实验内容和要求 1、内容和要求

搭出相位差测量电路，并在具体电路上验证，调系数。具体要求：掌握基本的硬件插接技术，布线必须正确、接触良好，其次要求布线合理、清晰、美观。 2、测量数据 构造如图2所示的电路，信号发生器产生频率为100Hz 的正弦波，调节RC 参数可以改变Y1（电源电压）与Y2（电阻电压，与回路电流同相位）之间的相位差，记为0j 。Y1和Y2作为相位表的输入信号，用磁电系电压表（或万用表测量）测量相位表的输出电压，当输出电压测出后，脉宽a 就可以算出来，a 算出来后，相位差也就可以算出来，记为1j ，比较0j 和1j 。记录发光二极管（LED ）的状态，用以确定两路正弦信号的相位关系（超前/滞后）。 表1 阻抗角测量记录表格 Vcc 图2 用相位表测量阻抗角 3、硬件调试方法 制作硬件时，若输出电压值或LED 的状态不正确，需调试硬件电路，找出错误并改正。建议采用以下方法调试硬件： （1）用电压表测量各点电压，或者用示波器观察各点波形。

测量相位差的主要方法

一二测量相位差的方法主要有哪些？ 测量相位差可以用示波器测量，也可以把相位差转换为时间间隔，先测量出时间间隔，再换算为相位差，可以把相位差转换为电压，先测量出电压，再换算为相位差，还可以与标准移相器进行比较的比较法(零示法)等方法。 怎么用示波器来测量相位差? 应用示波器测量两个同频正弦电压之间的相位差的方法很多，本节介绍具有实用意义的直接比较法。将u1、u2分别接到双踪示波器的Y1通道和Y2通道，适当调节扫描旋钮和Y增益旋钮，使荧光屏显示出如图2.42所示的上、下对称的波形。 比较法测量相位差 设u1过零点分别为A、C点，对应的时间为t A、t C；u2过零点分别为B、D点，对应的时间为t B、t D。正弦信号变化一周是360°，u1过零点A比u2过零点B提前t B-t A出现，所以u1超前u2的相位。 u1超前u2的相位，即u1与u2的相位差为 (2.56) T为两同频正弦波的周期; ΔT为两正弦波过零点的时间差。 数字式相位计的结构与工作原理是什么?

三数字相位计框图 将待测信号u1(t)和u2(t)经脉冲形成电路变换为尖脉冲信号，去控制双稳态触发电路产生宽度等于ΔT的闸门信号以控制时间闸门的启、闭。晶振产生的频率为fc的正弦信号，经脉冲形成电路变换成频率为fc的窄脉冲。 在时间闸门开启时通过闸门加到计数器， 得计数值n，再经译码，显示出被测两信号的相位差。这种相位计可以测量两个信号的“瞬时”相位差，测量迅速，读数直观、清晰。 数字式相位计称做“瞬时”相位计，它可以测量两个同频正弦信号的瞬时相位，即它可以测出两同频正弦信号每一周期的相位差。 基于相位差转换为电压方法的模拟电表指示的相位计的测量原理是什么? 如图2.44所示，利用非线性器件把被测信号的相位差转换为电压或电流的增量，在电压表或电流表表盘上刻上相位刻度，由电表指示可直读被测信号的相位差。转换电路常称做检相器或鉴相器。常用的鉴相器有差接式相位检波电路和平衡式相位检波电路两种。 数字相位计框 图

数字式相位差测量仪说明书

目录 绪论 (1) 摘要 (2) 1 结构设计与方案选择 (3) 1.1 基于过零检测法的数字式相位差测量仪方法概述 (4) 1.1.1 相位－电压法 (4) 1.1.2 相位－时间法 (5) 1.2 方案的比较与选择 (6) 2 相位－时间法单元电路的原理分析与实现方法 (6) 2.1 前置电路设计与分析 (6) 2.1.1 放大整形电路的分析与实现 (6) 2.1.2 锁相倍频电路的分析与实现 (7) 2.2 计数器及数显部分的设计与分析 (9) 2.2.1 计数器部分的分析与实现 (9) 2.2.2 译码显示部分的分析与实现 (10) 3 结论 (12) 4 参考文献 (13) 附录1：元器件名细表 (14) 附录2：相位时间法总体电路原理图 (15) 附录3：相位时间法总体电路PCB板 (16) 附录4：相位时间法总体电路PCB板3D视图 (17)

随着科学技术突飞猛进的发展，电子技术广泛的应用于工业、农业、交通运输、航空航天、国防建设等国民经济的诸多领域中，而电子测量技术又是电子技术中进行信息检测的重要手段，在现代科学技术中占有举足轻重的作用和地位。数字相位差测试仪在工业领域中是经常用到的一般测量工具，比如在电力系统中电网并网合闸时，需要两电网的电信号相同，这就需要精确的测量两工频信号之间的相位差。更有测量两列同频信号的相位差在研究网络、系统的频率特性中具备重要意义。相位测量的方法很多，典型的传统方法是通过显示器观测，这种方法误差较大，读数不方便。为此，我们设计了一种数字相位差测量仪，实现了两列信号相位差的自动测量及数显。近年来，随着科学技术的迅速发展，很多测量仪逐渐向“智能仪器”和“自动测试系统”发展，这使得仪器的使用比较简单，功能越来越多。 本低频数字相位测量仪主要是测量电压和电流的相位差，由整形放大电路、基本门电路、锁相倍频、计数译码等集成电路构成。测量的分辨率可达到0.1°，可测信号的频率范围为0Hz～250Hz，幅度为0.5Ⅴ，由于74HC4046的性能比较好，使得所制得的仪器精度相对较高，达到了任务书中所规定的要求。

载波相位测量原理

GPS 精密定位 载波相位测量原理 由于载波的波长远小于码的波长，所以在分辨率相同的情况下，载波相位的观测精度远较码相位的观测精度为高。例如，对载波L1而言，其波长为19cm ，所以相应的距离观测误差约为2mm ；而对载波L2的相应误差约为2．5mm 。载波相位观测是目前最精度最高的观测方法，它对精密定位上作具有极为重要的意义。但载波信号是一种周期性的正弦信号，而相位测量又只能测定其不足一个波长的部分，因而存在着整周不确定性问题，使解算过程比较复杂。 由于GPS 信号已用相位调制的方法在载波上调制了测距码和导航电文，所以收到的载波的相位已不再连续(凡是调制信号从0变1或从1变0时，载波的相位均要变化1800)。所以在进行载波相位测量以前，首先要进行解调工作，设法将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获取或波。这一工作称为重建载波。 一、 重建载波 恢复载波一般可采用两种方法：码相关法和平方法。采用码相关法恢复载波信号时用户还可同时提取测距信号和卫星电文。但采用这种方法时用户必须知道测距码的结构(即接收机必须能产生结构完全相同的测距码)。采用平方法，用户无需掌握测距码的码结构，但在自乘的过程中只能获得载波信号(严格地说是载波的二次谐波，其频率比原载波频率增加了一倍)，而无法获得测距码和卫星电文。码相关法和平方法的具体做法及其原理在接收机工作原理中曾介绍过。 二、 相位测量原理 若卫星S 发出一载波信号，该信号向各处传播。设某一瞬间，该信号在接收机R 处的相位为φR ，在卫星S 处的相位为φS ，φR 、φS 为从某一起点开始计算的包括整周数在内的载波相位，为方便计算，均以周数为单位。若载波的波长为λ，则卫星S 至接收机R 间的距离为ρ=λ（φS —φR ），但我们无法测量出卫星上的相位φS 。如果接收机的振荡器能产生一个频率与初相和卫星载波信号完全相同的基准信号，问题便迎刃而解，因为任何一个瞬间在接收机处的基准信号的相位就等于卫星处载波信号的相位。因此（φS —φR ）就等于接收机产生的基准信号的相位φK (T K )和接收到的来自卫星的载波信号相位φK j (T K )之差： )()()(k k k j k k j k T T T ??-=Φ 某一瞬间的载波相位测量值（观测量）就是该瞬间接收机所产生的基准信号的相位φK (T K )和接收到的来自卫星的载波信号的相位φK j (T K )之差。因此根据某一瞬间的载波相位测量值就可求出该瞬间从卫星到接收机的距离。 但接收机只能测得一周内的相位差，代表卫星到测站 距离的相位差还应包括传播已经完成的整周数N K j ： )()()(k k k j k j k k j k T T N T ??-+=Φ 假如在初始时刻t0观测得出载波相位观测量为： )()()(000t t N t k j k j k k j k ??-+=Φ N K j 为第一次观测时相位差的整周数，也叫整周模糊 度。 载波频率增加了一倍