用于无线电波测距的时延量值传递方法

用于无线电波测距的时延量值传递方法

1测距时延量值传递标准的研究进展随着科学技术的发展，在航空航天测量、雷达、卫星导航等领域对距离测量精度的要求越来越高，使用的测量信号越来越复杂。然而，基本测量原理是基于测量无线电波在空间传输时间的测量。用于测距的无线电波不仅要在空间传输,也要在产生和接收它的设备中传输。测距计算时扣除设备中的传输时延从而得到信号在空间传输的准确时间。为了提高距离的测量精度,就要尽可能准确地确定信号在设备中的传输时延,尤其是接收机的组合时延。时延测量技术目前在国内开展的研究比较多,但大多是在低频、同频状态下测量相对时延,远远不能满足测距精度不断提高的需要。在某些特殊需求时,例如接收机组合时延,国内外现有的仪器又没有直接实现的功能。因此,有时会因为指标要求的准确度高、仪器缺乏、测试手段不足而无法满足用户需求,需要利用和开发现有仪器的潜能。在对线性系统时延测量、变频信道时延测量、扩频体制下时延测量(含线性系统和变频信道)的方法进行了试验和研究后,我们给出了各种测试方法及测量不确定度,并根据工程实际需求,提出了“时延量值传递标准”的新方案。本文仅简单介绍研究情况,以后将会陆续撰文分别进行详细的阐述。2信号传输系统的时延特性当信号通过某一传输系统或某一网络时,其输出信号相对于输入信号总会产生滞后时间,这就是时延。而几乎所有的信号传输系统(真空除外)都是有色散的,其时延不是常数,它随信号频率变化而变化。时延与信号频率的关系称为系统的时延特性。由于系统的时延具有色散性,使得一个系统或网络不能笼统地用一个时延术语或时延特性来描述,需要用不同的时延术语和时延特性来描述同一个网络和系统,如相时延、群时延、包络时延等等。2.1信号滞后时间相时延表示单一频率的信号或群信号中某个单一频率分量通过系统传输,系统输出信号对输入信号的滞后时间,它是系统在该频率上的相位移与所论信号的角频率之比。其数学表达式为τp(ω)=φ(ω)ω,(s)(1)τp(ω)=φ(ω)ω,(s)(1)2.2络相移特性包络时延指的是传输系统输出信号的包络对输入信号的包络的延迟时间,是包络相移与包络角频率之比,用于测量群时延和已调信号的包络时延特性。其数学表达式为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信号的生延和信号的传播失真的情况,是一个波群的信号能量从系统输出的信号不群时延是指群信号通过线性系统或网络传播时,系统或网络对信号整体产生的时延,表示波群的信号能量从系统的输入端传到输出端所需的时间,用来表示系统的传播延迟和信号的传播失真。其数学表达式为τg(ω)=dφ(ω)dω,(s)(3)τg(ω)=dφ(ω)dω,(s)(3)3基于时延的测量方案根据测量使用的仪器不同,目前时延测量主要可采用的方案有5种,即用网络分析仪测量时延、用示波器测量时延、用矢量信号分析仪测量时延、用时间间隔测量仪测量时延和用相位计测量时延。3.1基于频率偏移的测量网络分析测量原理是用矢量网络分析仪测量被测件的相位-频率特性曲线,对测得的相频响应曲线按式(4)计算出被测件的群时延特性:τ=-dφdω=-1360×dθdf,(s)(4)τ=−dφdω=−1360×dθdf,(s)(4)式中:φ的单位是弧度,ω的单位是弧度/秒,θ的单位是度,f的单位是赫。在被测件为变频模式的情况下,为了解决被测件工作时输入频率与输出频率不同频的问题,必须使用具有频率偏移模式选件的矢量网络分析仪。美国Agilent公司近年推出的PNA系列网络仪,采用了矢量混频器测量校准(VMC)技术,扣除了校准混频器的固有时延,是目前可以进行混频器(接收机)绝对时延测量的网络分析仪。鉴于矢量网络分析仪不能送出和接收经过数字及模拟调制的信号,该方法只能工作在连续波状态,不能在调制状态下进行信道时延测量。3.2信号时延加码测量原理是利用宽带储存示波器具有的高速数据采集及储存能力,通过示波器测试不同通道间的时间延迟。目前数字存储示波器的采样率高达40Gsample/s,工作频段已经扩展至12GHz,因此,在时域直观地观察到信号通过被测件的时延是完全可行的。测量时,将同一射频信号利用功分器分为两路信号,一路直接连接到示波器的通道上,一路经过被测件连接到示波器的另一通道上,然后利用示波器测量这两个通道的通道延迟时间。当被测件是BPSK调制器时,应使用脉冲源作为调制信号,观察调制信号加入时刻到输出信号出现相位翻转点时刻之间的延迟时间。利用数字存储示波器可以直观地观察到信号通过被测件的时延,这是该方案的一大优点。示波器可以利用外触发信号控制显示信号起始时间,测量不同通道的绝对时延和相对时延。示波器方案是目前能够测量BPSK调制器调制信号输入端到射频信号输出端的时延的唯一方法,是通过原理分析和大量实验确定的。该测试方法的关键是如何准确找到调制器相位翻转点。3.3如何确定时间信息矢量信号分析仪利用数字取样和数学变换技术形成信号的傅里叶频谱,能够测量信号的频率、幅度和相位,以及测量信号的叠加特性、传递函数及两个信号的相互关系,具有实时信号分析能力,特别适于分析数字调制信号。测量时延需使用双通道矢量信号分析仪,其工作原理是利用双通道间的互相关功能,通过FFT分析和互相关运算,确定两路相参信号间的时间关系。将两个通道的信号在每个时刻相乘,再把乘积值相加,完成对两通道数据的傅里叶变换并运算,然后对运算结果进行反傅里叶变换(IFFT),实现两通道信号的相关运算,如下式:Ryx(τ)=ΙFFΤ{F(y)×conj[F(x)]}(5)Ryx(τ)=IFFT{F(y)×conj[F(x)]}(5)式中,IFFT为反傅里叶变换;conj为取共轭复数;F(x)为通道1数据的傅里叶变换后的值;F(y)为通道2数据的傅里叶变换后的值。两路相参信号的互相关运算结果,在信号时延差的位置上便会出现相关数值的峰值。找到相关峰值所在的时间点从而确定时间信息。实际上,它就是两个序列的反卷积运算。3.4测量不确定度分量的检测时间间隔测量仪是专用的时间间隔测量仪器,可以测量两个信号之间的延迟时间。时间间隔测量仪有两个独立的输入通道,可分别设置两个通道的触发沿、触发电平。其中一个通道输入开门信号,另一个通道输入关门信号。开门信号打开闸门,关门信号关闭闸门,在闸门开通期间,计数器对时标发生器产生的时标信号进行计数,由累计的计数值算出开门信号和关门信号间的时间差。为了提高测量结果的可信程度,提高测量准确定度,要尽可能地修正系统误差引入的测量不确定度分量,采用的方法就是在测量被测信号前,在相同的测量状态下进行校准。假设校准结果为x1,插入DUT后的测量结果为x2,则信号在DUT中的传输时延值△T按式(6)计算:ΔΤ=x2-x1(6)ΔT=x2−x1(6)3.5相位测群时延及相时延用相位计可以测群时延和相时延。用相位计测量群时延采用静态法。根据定义和推导,群时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)用相位计测量相时延:τp(ω)=φ(ω)ω,(s)则τp(f)=φ(f)360⋅f,(s)(9)从式(8)和式(9)可知,用相位计测网络的群时延,必须在两个频率f1和f2上测两次相位φ1和φ2才可得到τg(f)‚f=f2+f12。用相位计测相时延,只需在一个频率上测一次相位即可。4被测件与连续波的延特性综上所述,可以看出:矢量网络分析仪法可以测量线性网络的相时延、群时延和包络时延;示波器法可以测量连续波、脉冲信号通过被测件时的相时延和脉冲传输时延;矢量信号分析仪法可以测量数字调制信号通过被测件时的群时延;时间间隔测试仪法可以测量连续波或脉冲信号通过被测件时的相时延和脉冲传输时延;相位计法可以测量连续波信号通过被测件时的相时延和群时延。当被测件是理想的线性网络时,其时延特性表现为相时延、群时延与包络时延在数值上相等,即此时τp(ω)=τg(ω)=τe(ω)。各种方法测量时延目前所能达到的最佳不确定度见表1。从表中可见,国内外现有的最先进的时延测试仪器和方法对较理想的线性网络测量时延的不确定度最佳值达到0.003ns。但是,采用这些仪器和方法直接测量接收机或变频模块,则测量不确定度远远达不到用户需求。而且,几乎没有一种仪器和现有的常规方法可以一次性直接测出接收机的组合时延值。因此,如何提高测量准确度和一次性直接测量接收机组合时延是必须想办法解决的问题。5“时延传递标准”的应用以上介绍的方法可以解决在研制或生产过程中测量部件或单元时延的问题,但不能解决接收机组合时延的测量问题。组合时延即(射频和中频系统的群时延)+(数字信号处理单元等系统的脉冲传输时延)。由于信号处理单元里含有数字解调处理,不宜使用仪器直接测量。而且在接收机中,这两种时延的连接点或分界处可能在某个单元中某块器件的内部,不便分离也不便测试。即使能够分开测量,分段测量又引入了更多的不确定度影响,累计误差很大,降低了测量准确度。为了满足接收机组合时延测量的实际需要,我们提出了“时延传递标准”的新方案,该方案的核心思想是建立“时延传递标准”。“时延传递标准”是满足信号无失真传输条件的近乎理想的线性网络。我们利用以上研究的各种测试方法同时对“时延传递标准”进行定标,然后用传递标准去检验接收机的时延测量不确定度。“时延传递标准”应用于接收机闭环测量时,一种方法是利用接收机内部的自校电路,使用“时延传递标准”对其进行量值传递,保证自校电路测试结果的准确度;另一种方法是构成含有“时延传递标准”的有线闭环回路,测出总的时延值后再扣除上行时延值,得到接收机的时延值并给予验证。“时延传递标准”应用于无线开环测量时,需在信号通路中引入已准确定标的“时延传递标准”,通过量值传递的方法,测量接收机组合时延的不确定度可望达到0.01～0.02ns。6产品的测量工艺研究结果表明,测量时延的方法有多种,可分别应用在不同的情况,使用时应根据具体的测试需求选用适宜的测量方法。根据被测对象和指标要求,可以选用整体测量、间接测量、分项测量、含调制测量、低频测量等多种测量方法。特别是用整体测量的方法进行产品的指标鉴定,其不确定度可达到0.02ns。另外,信号含有数字调制时可采用矢量信号分析仪测线性电路的时延。该仪器是近年来随着数字电路增多新发展起来的测试设备,虽然目前准确度还不够高,但可直接观察数字调制信号的传输延迟情况,与工