用于無線電波測(cè)距的時(shí)延量值傳遞方法

用于無線電波測(cè)距的時(shí)延量值傳遞方法

1測(cè)距時(shí)延量值傳遞標(biāo)準(zhǔn)的研究進(jìn)展隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在航空航天測(cè)量、雷達(dá)、衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域?qū)嚯x測(cè)量精度的要求越來越高，使用的測(cè)量信號(hào)越來越復(fù)雜。然而，基本測(cè)量原理是基于測(cè)量無線電波在空間傳輸時(shí)間的測(cè)量。用于測(cè)距的無線電波不僅要在空間傳輸,也要在產(chǎn)生和接收它的設(shè)備中傳輸。測(cè)距計(jì)算時(shí)扣除設(shè)備中的傳輸時(shí)延從而得到信號(hào)在空間傳輸?shù)臏?zhǔn)確時(shí)間。為了提高距離的測(cè)量精度,就要盡可能準(zhǔn)確地確定信號(hào)在設(shè)備中的傳輸時(shí)延,尤其是接收機(jī)的組合時(shí)延。時(shí)延測(cè)量技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)開展的研究比較多,但大多是在低頻、同頻狀態(tài)下測(cè)量相對(duì)時(shí)延,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足測(cè)距精度不斷提高的需要。在某些特殊需求時(shí),例如接收機(jī)組合時(shí)延,國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的儀器又沒有直接實(shí)現(xiàn)的功能。因此,有時(shí)會(huì)因?yàn)橹笜?biāo)要求的準(zhǔn)確度高、儀器缺乏、測(cè)試手段不足而無法滿足用戶需求,需要利用和開發(fā)現(xiàn)有儀器的潛能。在對(duì)線性系統(tǒng)時(shí)延測(cè)量、變頻信道時(shí)延測(cè)量、擴(kuò)頻體制下時(shí)延測(cè)量(含線性系統(tǒng)和變頻信道)的方法進(jìn)行了試驗(yàn)和研究后,我們給出了各種測(cè)試方法及測(cè)量不確定度,并根據(jù)工程實(shí)際需求,提出了“時(shí)延量值傳遞標(biāo)準(zhǔn)”的新方案。本文僅簡(jiǎn)單介紹研究情況,以后將會(huì)陸續(xù)撰文分別進(jìn)行詳細(xì)的闡述。2信號(hào)傳輸系統(tǒng)的時(shí)延特性當(dāng)信號(hào)通過某一傳輸系統(tǒng)或某一網(wǎng)絡(luò)時(shí),其輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)總會(huì)產(chǎn)生滯后時(shí)間,這就是時(shí)延。而幾乎所有的信號(hào)傳輸系統(tǒng)(真空除外)都是有色散的,其時(shí)延不是常數(shù),它隨信號(hào)頻率變化而變化。時(shí)延與信號(hào)頻率的關(guān)系稱為系統(tǒng)的時(shí)延特性。由于系統(tǒng)的時(shí)延具有色散性,使得一個(gè)系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)不能籠統(tǒng)地用一個(gè)時(shí)延術(shù)語或時(shí)延特性來描述,需要用不同的時(shí)延術(shù)語和時(shí)延特性來描述同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng),如相時(shí)延、群時(shí)延、包絡(luò)時(shí)延等等。2.1信號(hào)滯后時(shí)間相時(shí)延表示單一頻率的信號(hào)或群信號(hào)中某個(gè)單一頻率分量通過系統(tǒng)傳輸,系統(tǒng)輸出信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的滯后時(shí)間,它是系統(tǒng)在該頻率上的相位移與所論信號(hào)的角頻率之比。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為τp(ω)=φ(ω)ω,(s)(1)τp(ω)=φ(ω)ω,(s)(1)2.2絡(luò)相移特性包絡(luò)時(shí)延指的是傳輸系統(tǒng)輸出信號(hào)的包絡(luò)對(duì)輸入信號(hào)的包絡(luò)的延遲時(shí)間,是包絡(luò)相移與包絡(luò)角頻率之比,用于測(cè)量群時(shí)延和已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)時(shí)延特性。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為τe(ω)=φ(ωc+Ω)-φ(ω-Ω)2Ω=φcΩ,(s)(2)τe(ω)=φ(ωc+Ω)?φ(ω?Ω)2Ω=φcΩ,(s)(2)2.3信號(hào)的生延和信號(hào)的傳播失真的情況,是一個(gè)波群的信號(hào)能量從系統(tǒng)輸出的信號(hào)不群時(shí)延是指群信號(hào)通過線性系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)傳播時(shí),系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)整體產(chǎn)生的時(shí)延,表示波群的信號(hào)能量從系統(tǒng)的輸入端傳到輸出端所需的時(shí)間,用來表示系統(tǒng)的傳播延遲和信號(hào)的傳播失真。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為τg(ω)=dφ(ω)dω,(s)(3)τg(ω)=dφ(ω)dω,(s)(3)3基于時(shí)延的測(cè)量方案根據(jù)測(cè)量使用的儀器不同,目前時(shí)延測(cè)量主要可采用的方案有5種,即用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量時(shí)延、用示波器測(cè)量時(shí)延、用矢量信號(hào)分析儀測(cè)量時(shí)延、用時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x測(cè)量時(shí)延和用相位計(jì)測(cè)量時(shí)延。3.1基于頻率偏移的測(cè)量網(wǎng)絡(luò)分析測(cè)量原理是用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量被測(cè)件的相位-頻率特性曲線,對(duì)測(cè)得的相頻響應(yīng)曲線按式(4)計(jì)算出被測(cè)件的群時(shí)延特性:τ=-dφdω=-1360×dθdf,(s)(4)τ=?dφdω=?1360×dθdf,(s)(4)式中:φ的單位是弧度,ω的單位是弧度/秒,θ的單位是度,f的單位是赫。在被測(cè)件為變頻模式的情況下,為了解決被測(cè)件工作時(shí)輸入頻率與輸出頻率不同頻的問題,必須使用具有頻率偏移模式選件的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。美國(guó)Agilent公司近年推出的PNA系列網(wǎng)絡(luò)儀,采用了矢量混頻器測(cè)量校準(zhǔn)(VMC)技術(shù),扣除了校準(zhǔn)混頻器的固有時(shí)延,是目前可以進(jìn)行混頻器(接收機(jī))絕對(duì)時(shí)延測(cè)量的網(wǎng)絡(luò)分析儀。鑒于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀不能送出和接收經(jīng)過數(shù)字及模擬調(diào)制的信號(hào),該方法只能工作在連續(xù)波狀態(tài),不能在調(diào)制狀態(tài)下進(jìn)行信道時(shí)延測(cè)量。3.2信號(hào)時(shí)延加碼測(cè)量原理是利用寬帶儲(chǔ)存示波器具有的高速數(shù)據(jù)采集及儲(chǔ)存能力,通過示波器測(cè)試不同通道間的時(shí)間延遲。目前數(shù)字存儲(chǔ)示波器的采樣率高達(dá)40Gsample/s,工作頻段已經(jīng)擴(kuò)展至12GHz,因此,在時(shí)域直觀地觀察到信號(hào)通過被測(cè)件的時(shí)延是完全可行的。測(cè)量時(shí),將同一射頻信號(hào)利用功分器分為兩路信號(hào),一路直接連接到示波器的通道上,一路經(jīng)過被測(cè)件連接到示波器的另一通道上,然后利用示波器測(cè)量這兩個(gè)通道的通道延遲時(shí)間。當(dāng)被測(cè)件是BPSK調(diào)制器時(shí),應(yīng)使用脈沖源作為調(diào)制信號(hào),觀察調(diào)制信號(hào)加入時(shí)刻到輸出信號(hào)出現(xiàn)相位翻轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)刻之間的延遲時(shí)間。利用數(shù)字存儲(chǔ)示波器可以直觀地觀察到信號(hào)通過被測(cè)件的時(shí)延,這是該方案的一大優(yōu)點(diǎn)。示波器可以利用外觸發(fā)信號(hào)控制顯示信號(hào)起始時(shí)間,測(cè)量不同通道的絕對(duì)時(shí)延和相對(duì)時(shí)延。示波器方案是目前能夠測(cè)量BPSK調(diào)制器調(diào)制信號(hào)輸入端到射頻信號(hào)輸出端的時(shí)延的唯一方法,是通過原理分析和大量實(shí)驗(yàn)確定的。該測(cè)試方法的關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確找到調(diào)制器相位翻轉(zhuǎn)點(diǎn)。3.3如何確定時(shí)間信息矢量信號(hào)分析儀利用數(shù)字取樣和數(shù)學(xué)變換技術(shù)形成信號(hào)的傅里葉頻譜,能夠測(cè)量信號(hào)的頻率、幅度和相位,以及測(cè)量信號(hào)的疊加特性、傳遞函數(shù)及兩個(gè)信號(hào)的相互關(guān)系,具有實(shí)時(shí)信號(hào)分析能力,特別適于分析數(shù)字調(diào)制信號(hào)。測(cè)量時(shí)延需使用雙通道矢量信號(hào)分析儀,其工作原理是利用雙通道間的互相關(guān)功能,通過FFT分析和互相關(guān)運(yùn)算,確定兩路相參信號(hào)間的時(shí)間關(guān)系。將兩個(gè)通道的信號(hào)在每個(gè)時(shí)刻相乘,再把乘積值相加,完成對(duì)兩通道數(shù)據(jù)的傅里葉變換并運(yùn)算,然后對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行反傅里葉變換(IFFT),實(shí)現(xiàn)兩通道信號(hào)的相關(guān)運(yùn)算,如下式:Ryx(τ)=ΙFFΤ{F(y)×conj[F(x)]}(5)Ryx(τ)=IFFT{F(y)×conj[F(x)]}(5)式中,IFFT為反傅里葉變換;conj為取共軛復(fù)數(shù);F(x)為通道1數(shù)據(jù)的傅里葉變換后的值;F(y)為通道2數(shù)據(jù)的傅里葉變換后的值。兩路相參信號(hào)的互相關(guān)運(yùn)算結(jié)果,在信號(hào)時(shí)延差的位置上便會(huì)出現(xiàn)相關(guān)數(shù)值的峰值。找到相關(guān)峰值所在的時(shí)間點(diǎn)從而確定時(shí)間信息。實(shí)際上,它就是兩個(gè)序列的反卷積運(yùn)算。3.4測(cè)量不確定度分量的檢測(cè)時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x是專用的時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x器,可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)之間的延遲時(shí)間。時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x有兩個(gè)獨(dú)立的輸入通道,可分別設(shè)置兩個(gè)通道的觸發(fā)沿、觸發(fā)電平。其中一個(gè)通道輸入開門信號(hào),另一個(gè)通道輸入關(guān)門信號(hào)。開門信號(hào)打開閘門,關(guān)門信號(hào)關(guān)閉閘門,在閘門開通期間,計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)標(biāo)發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)標(biāo)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),由累計(jì)的計(jì)數(shù)值算出開門信號(hào)和關(guān)門信號(hào)間的時(shí)間差。為了提高測(cè)量結(jié)果的可信程度,提高測(cè)量準(zhǔn)確定度,要盡可能地修正系統(tǒng)誤差引入的測(cè)量不確定度分量,采用的方法就是在測(cè)量被測(cè)信號(hào)前,在相同的測(cè)量狀態(tài)下進(jìn)行校準(zhǔn)。假設(shè)校準(zhǔn)結(jié)果為x1,插入DUT后的測(cè)量結(jié)果為x2,則信號(hào)在DUT中的傳輸時(shí)延值△T按式(6)計(jì)算:ΔΤ=x2-x1(6)ΔT=x2?x1(6)3.5相位測(cè)群時(shí)延及相時(shí)延用相位計(jì)可以測(cè)群時(shí)延和相時(shí)延。用相位計(jì)測(cè)量群時(shí)延采用靜態(tài)法。根據(jù)定義和推導(dǎo),群時(shí)延可以近似表示如下:τg(ω)=-dφ(ω)dω=-1360?dφ(f)df≈1360?ΔφΔf,(s)(7)或τp(f)≈(φ2-φ1)360?1f2-f1,(s)(8)用相位計(jì)測(cè)量相時(shí)延:τp(ω)=φ(ω)ω,(s)則τp(f)=φ(f)360?f,(s)(9)從式(8)和式(9)可知,用相位計(jì)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的群時(shí)延,必須在兩個(gè)頻率f1和f2上測(cè)兩次相位φ1和φ2才可得到τg(f)?f=f2+f12。用相位計(jì)測(cè)相時(shí)延,只需在一個(gè)頻率上測(cè)一次相位即可。4被測(cè)件與連續(xù)波的延特性綜上所述,可以看出:矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀法可以測(cè)量線性網(wǎng)絡(luò)的相時(shí)延、群時(shí)延和包絡(luò)時(shí)延;示波器法可以測(cè)量連續(xù)波、脈沖信號(hào)通過被測(cè)件時(shí)的相時(shí)延和脈沖傳輸時(shí)延;矢量信號(hào)分析儀法可以測(cè)量數(shù)字調(diào)制信號(hào)通過被測(cè)件時(shí)的群時(shí)延;時(shí)間間隔測(cè)試儀法可以測(cè)量連續(xù)波或脈沖信號(hào)通過被測(cè)件時(shí)的相時(shí)延和脈沖傳輸時(shí)延;相位計(jì)法可以測(cè)量連續(xù)波信號(hào)通過被測(cè)件時(shí)的相時(shí)延和群時(shí)延。當(dāng)被測(cè)件是理想的線性網(wǎng)絡(luò)時(shí),其時(shí)延特性表現(xiàn)為相時(shí)延、群時(shí)延與包絡(luò)時(shí)延在數(shù)值上相等,即此時(shí)τp(ω)=τg(ω)=τe(ω)。各種方法測(cè)量時(shí)延目前所能達(dá)到的最佳不確定度見表1。從表中可見,國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的最先進(jìn)的時(shí)延測(cè)試儀器和方法對(duì)較理想的線性網(wǎng)絡(luò)測(cè)量時(shí)延的不確定度最佳值達(dá)到0.003ns。但是,采用這些儀器和方法直接測(cè)量接收機(jī)或變頻模塊,則測(cè)量不確定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到用戶需求。而且,幾乎沒有一種儀器和現(xiàn)有的常規(guī)方法可以一次性直接測(cè)出接收機(jī)的組合時(shí)延值。因此,如何提高測(cè)量準(zhǔn)確度和一次性直接測(cè)量接收機(jī)組合時(shí)延是必須想辦法解決的問題。5“時(shí)延傳遞標(biāo)準(zhǔn)”的應(yīng)用以上介紹的方法可以解決在研制或生產(chǎn)過程中測(cè)量部件或單元時(shí)延的問題,但不能解決接收機(jī)組合時(shí)延的測(cè)量問題。組合時(shí)延即(射頻和中頻系統(tǒng)的群時(shí)延)+(數(shù)字信號(hào)處理單元等系統(tǒng)的脈沖傳輸時(shí)延)。由于信號(hào)處理單元里含有數(shù)字解調(diào)處理,不宜使用儀器直接測(cè)量。而且在接收機(jī)中,這兩種時(shí)延的連接點(diǎn)或分界處可能在某個(gè)單元中某塊器件的內(nèi)部,不便分離也不便測(cè)試。即使能夠分開測(cè)量,分段測(cè)量又引入了更多的不確定度影響,累計(jì)誤差很大,降低了測(cè)量準(zhǔn)確度。為了滿足接收機(jī)組合時(shí)延測(cè)量的實(shí)際需要,我們提出了“時(shí)延傳遞標(biāo)準(zhǔn)”的新方案,該方案的核心思想是建立“時(shí)延傳遞標(biāo)準(zhǔn)”?！皶r(shí)延傳遞標(biāo)準(zhǔn)”是滿足信號(hào)無失真?zhèn)鬏敆l件的近乎理想的線性網(wǎng)絡(luò)。我們利用以上研究的各種測(cè)試方法同時(shí)對(duì)“時(shí)延傳遞標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行定標(biāo),然后用傳遞標(biāo)準(zhǔn)去檢驗(yàn)接收機(jī)的時(shí)延測(cè)量不確定度?！皶r(shí)延傳遞標(biāo)準(zhǔn)”應(yīng)用于接收機(jī)閉環(huán)測(cè)量時(shí),一種方法是利用接收機(jī)內(nèi)部的自校電路,使用“時(shí)延傳遞標(biāo)準(zhǔn)”對(duì)其進(jìn)行量值傳遞,保證自校電路測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度;另一種方法是構(gòu)成含有“時(shí)延傳遞標(biāo)準(zhǔn)”的有線閉環(huán)回路,測(cè)出總的時(shí)延值后再扣除上行時(shí)延值,得到接收機(jī)的時(shí)延值并給予驗(yàn)證?！皶r(shí)延傳遞標(biāo)準(zhǔn)”應(yīng)用于無線開環(huán)測(cè)量時(shí),需在信號(hào)通路中引入已準(zhǔn)確定標(biāo)的“時(shí)延傳遞標(biāo)準(zhǔn)”,通過量值傳遞的方法,測(cè)量接收機(jī)組合時(shí)延的不確定度可望達(dá)到0.01～0.02ns。6產(chǎn)品的測(cè)量工藝研究結(jié)果表明,測(cè)量時(shí)延的方法有多種,可分別應(yīng)用在不同的情況,使用時(shí)應(yīng)根據(jù)具體的測(cè)試需求選用適宜的測(cè)量方法。根據(jù)被測(cè)對(duì)象和指標(biāo)要求,可以選用整體測(cè)量、間接測(cè)量、分項(xiàng)測(cè)量、含調(diào)制測(cè)量、低頻測(cè)量等多種測(cè)量方法。特別是用整體測(cè)量的方法進(jìn)行產(chǎn)品的指標(biāo)鑒定,其不確定度可達(dá)到0.02ns。另外,信號(hào)含有數(shù)字調(diào)制時(shí)可采用矢量信號(hào)分析儀測(cè)線性電路的時(shí)延。該儀器是近年來隨著數(shù)字電路增多新發(fā)展起來的測(cè)試設(shè)備,雖然目前準(zhǔn)確度還不夠高,但可直接觀察數(shù)字調(diào)制信號(hào)的傳輸延遲情況,與工