用于無線電波測距的時延量值傳遞方法

1測距時延量值傳遞標準的研究進展隨著科學技術的發展，在航空航天測量、雷達、衛星導航等領域對距離測量精度的要求越來越高，使用的測量信號越來越復雜。然而，基本測量原理是基于測量無線電波在空間傳輸時間的測量。用于測距的無線電波不僅要在空間傳輸,也要在產生和接收它的設備中傳輸。測距計算時扣除設備中的傳輸時延從而得到信號在空間傳輸的準確時間。為了提高距離的測量精度,就要盡可能準確地確定信號在設備中的傳輸時延,尤其是接收機的組合時延。時延測量技術目前在國內開展的研究比較多,但大多是在低頻、同頻狀態下測量相對時延,遠遠不能滿足測距精度不斷提高的需要。在某些特殊需求時,例如接收機組合時延,國內外現有的儀器又沒有直接實現的功能。因此,有時會因為指標要求的準確度高、儀器缺乏、測試手段不足而無法滿足用戶需求,需要利用和開發現有儀器的潛能。在對線性系統時延測量、變頻信道時延測量、擴頻體制下時延測量(含線性系統和變頻信道)的方法進行了試驗和研究后,我們給出了各種測試方法及測量不確定度,并根據工程實際需求,提出了“時延量值傳遞標準”的新方案。本文僅簡單介紹研究情況,以后將會陸續撰文分別進行詳細的闡述。2信號傳輸系統的時延特性當信號通過某一傳輸系統或某一網絡時,其輸出信號相對于輸入信號總會產生滯后時間,這就是時延。而幾乎所有的信號傳輸系統(真空除外)都是有色散的,其時延不是常數,它隨信號頻率變化而變化。時延與信號頻率的關系稱為系統的時延特性。由于系統的時延具有色散性,使得一個系統或網絡不能籠統地用一個時延術語或時延特性來描述,需要用不同的時延術語和時延特性來描述同一個網絡和系統,如相時延、群時延、包絡時延等等。2.1信號滯后時間相時延表示單一頻率的信號或群信號中某個單一頻率分量通過系統傳輸,系統輸出信號對輸入信號的滯后時間,它是系統在該頻率上的相位移與所論信號的角頻率之比。其數學表達式為τp(ω)=φ(ω)ω,(s)(1)τp(ω)=φ(ω)ω,(s)(1)2.2絡相移特性包絡時延指的是傳輸系統輸出信號的包絡對輸入信號的包絡的延遲時間,是包絡相移與包絡角頻率之比,用于測量群時延和已調信號的包絡時延特性。其數學表達式為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信號的生延和信號的傳播失真的情況,是一個波群的信號能量從系統輸出的信號不群時延是指群信號通過線性系統或網絡傳播時,系統或網絡對信號整體產生的時延,表示波群的信號能量從系統的輸入端傳到輸出端所需的時間,用來表示系統的傳播延遲和信號的傳播失真。其數學表達式為τg(ω)=dφ(ω)dω,(s)(3)τg(ω)=dφ(ω)dω,(s)(3)3基于時延的測量方案根據測量使用的儀器不同,目前時延測量主要可采用的方案有5種,即用網絡分析儀測量時延、用示波器測量時延、用矢量信號分析儀測量時延、用時間間隔測量儀測量時延和用相位計測量時延。3.1基于頻率偏移的測量網絡分析測量原理是用矢量網絡分析儀測量被測件的相位-頻率特性曲線,對測得的相頻響應曲線按式(4)計算出被測件的群時延特性: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。在被測件為變頻模式的情況下,為了解決被測件工作時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絡分析儀。美國Agilent公司近年推出的PNA系列網絡儀,采用了矢量混頻器測量校準(VMC)技術,扣除了校準混頻器的固有時延,是目前可以進行混頻器(接收機)絕對時延測量的網絡分析儀。鑒于矢量網絡分析儀不能送出和接收經過數字及模擬調制的信號,該方法只能工作在連續波狀態,不能在調制狀態下進行信道時延測量。3.2信號時延加碼測量原理是利用寬帶儲存示波器具有的高速數據采集及儲存能力,通過示波器測試不同通道間的時間延遲。目前數字存儲示波器的采樣率高達40Gsample/s,工作頻段已經擴展至12GHz,因此,在時域直觀地觀察到信號通過被測件的時延是完全可行的。測量時,將同一射頻信號利用功分器分為兩路信號,一路直接連接到示波器的通道上,一路經過被測件連接到示波器的另一通道上,然后利用示波器測量這兩個通道的通道延遲時間。當被測件是BPSK調制器時,應使用脈沖源作為調制信號,觀察調制信號加入時刻到輸出信號出現相位翻轉點時刻之間的延遲時間。利用數字存儲示波器可以直觀地觀察到信號通過被測件的時延,這是該方案的一大優點。示波器可以利用外觸發信號控制顯示信號起始時間,測量不同通道的絕對時延和相對時延。示波器方案是目前能夠測量BPSK調制器調制信號輸入端到射頻信號輸出端的時延的唯一方法,是通過原理分析和大量實驗確定的。該測試方法的關鍵是如何準確找到調制器相位翻轉點。3.3如何確定時間信息矢量信號分析儀利用數字取樣和數學變換技術形成信號的傅里葉頻譜,能夠測量信號的頻率、幅度和相位,以及測量信號的疊加特性、傳遞函數及兩個信號的相互關系,具有實時信號分析能力,特別適于分析數字調制信號。測量時延需使用雙通道矢量信號分析儀,其工作原理是利用雙通道間的互相關功能,通過FFT分析和互相關運算,確定兩路相參信號間的時間關系。將兩個通道的信號在每個時刻相乘,再把乘積值相加,完成對兩通道數據的傅里葉變換并運算,然后對運算結果進行反傅里葉變換(IFFT),實現兩通道信號的相關運算,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為取共軛復數;F(x)為通道1數據的傅里葉變換后的值;F(y)為通道2數據的傅里葉變換后的值。兩路相參信號的互相關運算結果,在信號時延差的位置上便會出現相關數值的峰值。找到相關峰值所在的時間點從而確定時間信息。實際上,它就是兩個序列的反卷積運算。3.4測量不確定度分量的檢測時間間隔測量儀是專用的時間間隔測量儀器,可以測量兩個信號之間的延遲時間。時間間隔測量儀有兩個獨立的輸入通道,可分別設置兩個通道的觸發沿、觸發電平。其中一個通道輸入開門信號,另一個通道輸入關門信號。開門信號打開閘門,關門信號關閉閘門,在閘門開通期間,計數器對時標發生器產生的時標信號進行計數,由累計的計數值算出開門信號和關門信號間的時間差。為了提高測量結果的可信程度,提高測量準確定度,要盡可能地修正系統誤差引入的測量不確定度分量,采用的方法就是在測量被測信號前,在相同的測量狀態下進行校準。假設校準結果為x1,插入DUT后的測量結果為x2,則信號在DUT中的傳輸時延值△T按式(6)計算:ΔΤ=x2-x1(6)ΔT=x2?x1(6)3.5相位測群時延及相時延用相位計可以測群時延和相時延。用相位計測量群時延采用靜態法。根據定義和推導,群時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)用相位計測量相時延:τp(ω)=φ(ω)ω,(s)則τp(f)=φ(f)360?f,(s)(9)從式(8)和式(9)可知,用相位計測網絡的群時延,必須在兩個頻率f1和f2上測兩次相位φ1和φ2才可得到τg(f)?f=f2+f12。用相位計測相時延,只需在一個頻率上測一次相位即可。4被測件與連續波的延特性綜上所述,可以看出:矢量網絡分析儀法可以測量線性網絡的相時延、群時延和包絡時延;示波器法可以測量連續波、脈沖信號通過被測件時的相時延和脈沖傳輸時延;矢量信號分析儀法可以測量數字調制信號通過被測件時的群時延;時間間隔測試儀法可以測量連續波或脈沖信號通過被測件時的相時延和脈沖傳輸時延;相位計法可以測量連續波信號通過被測件時的相時延和群時延。當被測件是理想的線性網絡時,其時延特性表現為相時延、群時延與包絡時延在數值上相等,即此時τp(ω)=τg(ω)=τe(ω)。各種方法測量時延目前所能達到的最佳不確定度見表1。從表中可見,國內外現有的最先進的時延測試儀器和方法對較理想的線性網絡測量時延的不確定度最佳值達到0.003ns。但是,采用這些儀器和方法直接測量接收機或變頻模塊,則測量不確定度遠遠達不到用戶需求。而且,幾乎沒有一種儀器和現有的常規方法可以一次性直接測出接收機的組合時延值。因此,如何提高測量準確度和一次性直接測量接收機組合時延是必須想辦法解決的問題。5“時延傳遞標準”的應用以上介紹的方法可以解決在研制或生產過程中測量部件或單元時延的問題,但不能解決接收機組合時延的測量問題。組合時延即(射頻和中頻系統的群時延)+(數字信號處理單元等系統的脈沖傳輸時延)。由于信號處理單元里含有數字解調處理,不宜使用儀器直接測量。而且在接收機中,這兩種時延的連接點或分界處可能在某個單元中某塊器件的內部,不便分離也不便測試。即使能夠分開測量,分段測量又引入了更多的不確定度影響,累計誤差很大,降低了測量準確度。為了滿足接收機組合時延測量的實際需要,我們提出了“時延傳遞標準”的新方案,該方案的核心思想是建立“時延傳遞標準”?！皶r延傳遞標準”是滿足信號無失真傳輸條件的近乎理想的線性網絡。我們利用以上研究的各種測試方法同時對“時延傳遞標準”進行定標,然后用傳遞標準去檢驗接收機的時延測量不確定度?！皶r延傳遞標準”應用于接收機閉環測量時,一種方法是利用接收機內部的自校電路,使用“時延傳遞標準”對其進行量值傳遞,保證自校電路測試結果的準確度;另一種方法是構成含有“時延傳遞標準”的有線閉環回路,測出總的時延值后再扣除上行時延值,得到接收機的時延值并給予驗證?！皶r延傳遞標準”應用于無線開環測量時,需在信號通路中引入已準確定標的“時延傳遞標準”,通過量值傳遞的方法,測量接收機組合時延的不確定度可望達到0.01～0.02ns。6產品的測量工藝研究結果表明,測量時延的方法有多種,可分別應用在不同的情況,使用時應根據具體的測試需求選用適宜的測量方法。根據被測對象和指標要求,可以選用整體測量、間接測量、分項測量、含調制測量、低頻測量等多種測量方法。特別是用整體測量的方法進行產品的指標鑒定,其不確定度可達到0.02ns。另外,信號含有數字調制時可采用矢量信號分析儀測線性電路的時延。該儀器是近年來隨著數字電路增多新發展起來的測試設備,雖然目前準確度還不夠高,但可直接觀察數字調制信號的傳輸延遲情況,與工