衛(wèi)星群時延特性測量新方案的設計和實現(xiàn)

劉 彬 劉 楓 劉崇華

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

1 引言

群時延特性是衛(wèi)星轉發(fā)器特性的一個重要指標[1]。在衛(wèi)星轉發(fā)器測試中,群時延測量是一個重要的測試項目。群時延測量方法主要有矢網(wǎng)法、調(diào)制法等。矢網(wǎng)法測量變頻系統(tǒng)的群時延比較復雜,因此轉發(fā)器群時延測量常常采用調(diào)制法[2]。調(diào)制法又分為AM 法和FM 法。FM 法比AM 法具有更好的性能[3-4],FM 法發(fā)送一個原始信號和一個此信號的FM 信號,FM 信號經(jīng)過衛(wèi)星轉發(fā)器后,被送入模擬FM 解調(diào)器解調(diào),恢復的信號與原始信號進行時間差測量。此方法一般需要研制FM 模擬解調(diào)器進行測量。但對于窄帶轉發(fā)器群時延性能的測量,需要窄帶模擬解調(diào)器,窄帶模擬解調(diào)器實現(xiàn)難度大,若設備調(diào)試不到位,很難滿足群時延測試精度的需求,測試結果往往誤差較大。

針對原有方法的不足,綜合考慮近些年軟件無線電思想的提出和應用[5],本文提出了適用于衛(wèi)星整星綜合測試的群時延特性測量方案。本方案對信號進行中頻采樣、數(shù)字解調(diào)、計算相位差,進而測量衛(wèi)星群時延,具備了如下優(yōu)點:1)通用性強。本方案對信號采樣后,直接進行數(shù)字信號處理,最大的優(yōu)點就是參數(shù)可調(diào),易于移植,可以滿足各型號衛(wèi)星群時延測試需求。2)成本低廉。相比以往方案,本方案不需要專用的模擬解調(diào)器和時間間隔測試設備,所有的相關運算全在通用計算機上完成。3)易于自動化。軟件式的運行方式,減少了儀器之間連接和控制,方法也便于集成到通用測試軟件中,便于移植和維護。4)測量精度高。數(shù)字信號處理消除了模擬解調(diào)器和時間間隔測試設備帶來的測量誤差。模擬解調(diào)器可能帶來解調(diào)信號的畸變;信號的抖動和噪聲會使時間間隔測試設備測量的時間間隔存在誤差。本測試方法采用全數(shù)字化軟件解調(diào),理論上只存在熱噪聲帶來的誤差。

2 群時延定義

群時延是群信號通過線性系統(tǒng)或線性網(wǎng)絡時,信號整體產(chǎn)生的時延[6][7]。其數(shù)學表達式為

上式中, φ(ω)為系統(tǒng)的相頻特性。群時延即是相頻特性的一階頻率負微分。實際測量中,往往認為Δω很小。近似測量群時延, 即τg(ω)≈-在滿足信號傳輸不產(chǎn)生相位失真的條件下,群時延特性應為常數(shù)。對于FM 信號,FM 調(diào)制信號經(jīng)過系統(tǒng)的時延即為此群信號的群時延。

3 群時延測量新方案

3.1 測量原理

本方案的實現(xiàn)分為如下幾個模塊:采樣器、數(shù)字下變頻器、數(shù)字濾波器、數(shù)字頻率估計器、數(shù)字相位估計器、數(shù)字群時延計算器。原理框圖見圖1。

圖1 方案原理框圖Fig.1 Block diagram of the method

各子模塊功能如下:

1)采樣器:完成對中頻FM 調(diào)制信號和低頻原始信號的采樣。兩路信號同時采樣,進而數(shù)字化,采樣率和采樣深度由外部參數(shù)控制。

2)數(shù)字下變頻器:完成對兩路數(shù)字信號的下變頻。不管是中頻FM 調(diào)制信號,還是低頻原始信號,都不是“零中頻”信號,這不便于數(shù)字處理。數(shù)字下變頻器把輸入信號搬移到零中頻。下變頻頻率由中頻頻率和調(diào)制頻率兩個外部輸入?yún)?shù)控制。

3)數(shù)字濾波器:采樣器的帶寬一般較寬,較寬的帶寬會帶來噪聲。數(shù)字濾波器濾除有用信號帶寬之外的噪聲,以提高系統(tǒng)信噪比,進而提高測試精度。

4)數(shù)字頻率估計器:輸入信號與本地信號必然存在一定頻偏,數(shù)字頻率估計器估計出這一偏差,并且補償?shù)?。否則,載波相位隨時間變化,無法計算群時延值。設計中,考慮到輸入信號與本地信號頻偏范圍,在數(shù)字頻率估計器估計頻率范圍之內(nèi)。輸入?yún)?shù)為采樣深度和調(diào)制頻率。

5)數(shù)字相位估計器:由于數(shù)字頻率估計器已經(jīng)補償了頻偏,數(shù)字相位估計器完成對兩個近似直流信號的相位估計。數(shù)字相位估計器估計的是一段數(shù)據(jù)的平均相位,這樣可以有效消除噪聲,提高相位估計精度。輸入?yún)?shù)為采樣深度。

6)數(shù)字群時延計算器:由數(shù)字相位估計器估計的兩路信號相位計算群時延值。這里,首先消除了相位估計的2π模糊度,其次采用相位差代替時間差。計算群時延值時需要調(diào)制頻率,由外部參數(shù)輸入決定。

以上各個模塊采用參數(shù)控制,不同衛(wèi)星群時延測試只需修改相應參數(shù),達到了通用化;同時,運算全部為數(shù)字信號處理,消除了模擬解調(diào)器和時間間隔測量的不確定性,提高了測試精度。

相位估計、頻率估計, 采用傳統(tǒng)正交解調(diào)方法[8-11],具體見3.2～3.4 節(jié)描述。

3.2 調(diào)制信號相位估計

調(diào)制信號相位估計應先消除頻偏,再進行相位估計。原理框圖見圖2。

圖2 相位估計Fig.2 Phase estimation

調(diào)制信號經(jīng)過采樣后如下式

式中, Am為調(diào)制信號幅度, ωm為調(diào)制信號頻率, φm,0為調(diào)制信號初始相位,T 為采樣間隔。

對Smod(kT)進行正交下變頻低通濾波后,得到Sm1(kT)。頻率估計如下式

式中, Δωm為調(diào)制信號頻偏值,為其估計值,angle{}表示對復數(shù)取相位,L 為一正整數(shù),具體參數(shù)值與Δωm、T 相關,N 為采樣深度。

按照上式估計, Δωm的范圍為一般來說,在保證頻偏估計范圍的前提下, L越大越好。

3.3 FM 信號數(shù)字解調(diào)

FM 信號經(jīng)過采樣后,如下式

式中, Ac為信號幅度, ωc為信號角頻率, φc,0為信號初相位, βFM為調(diào)頻指數(shù), ωm為調(diào)制信號角頻率, φm為調(diào)制信號初相位。其功率譜見圖3。

圖3 FM 信號頻譜Fig.3 Spectrum of FM signal

先利用主載波估計出載波頻偏和初始相位。消除載波頻偏和初始相位后,對第一邊頻分量進行濾波,得到FM 信號,再估計其頻偏和相位。原理框圖見圖4。

圖4 FM 信號數(shù)字解調(diào)原理框圖Fig.4 Block diagram of FM signal digital demodulation

載波頻偏Δωc和相位φc,0估計算法、FM 調(diào)制信號頻偏Δω′m和相位φm估計算法與3.2 節(jié)類似。最終可得。(注:為Δωc估計值,為φc,0估計值,為Δω′m估計值, ^φm為φm估計值。)

3.4 群時延計算

根據(jù)第2 節(jié)群時延定義,可得

4 實驗結果

4.1 電纜時延測量

在C 頻段對同一批次不同長度的測試電纜時延進行測量,測試框圖見圖5,被測件為電纜。

圖5 時延測試框圖Fig.5 Block diagram of delay measurement

信號源同時產(chǎn)生射頻FM 調(diào)制信號和原始低頻信號,射頻FM 調(diào)制信號經(jīng)過被測電纜,會有一定時延。射頻FM 調(diào)制信號下變頻至中頻后與原始低頻信號同時經(jīng)采樣器采樣,再由計算機數(shù)字信號處理計算出電纜時延。

同時,與利用矢量網(wǎng)絡分析儀測得的電纜時延數(shù)據(jù)進行比較。本實驗調(diào)制信號頻率為400kHz,采樣器采樣速率為2GHz,采樣深度為400k;信號源為Agilent E8257D、下變頻器為R&S FSEK30 頻譜儀、采樣器為Agilent 54833D 示波器、矢量網(wǎng)絡分析儀為Agilent E8362B。測試結果如表1。

表1 電纜時延測試結果Table 1 Result of cable delay measurement

由表1 可見,本方案測量值與矢量網(wǎng)絡分析儀測試值符合性很好,誤差小于1ns,且時延和電纜長度呈線性。

4.2 衛(wèi)星C 頻段轉發(fā)器群時延測量

本方案在某個衛(wèi)星上進行了轉發(fā)器群時延特性測試,測試框圖見圖5,被測件為某衛(wèi)星轉發(fā)器。

本實驗調(diào)制信號頻率為400kHz, 采樣器采樣速率為2GHz,采樣深度為400k;信號源為Agilent E8257D、下變頻器為Agilent E4440A 頻譜儀、采樣器為Agilent 54833D 示波器。表2 是某型號衛(wèi)星轉發(fā)器在整星熱試驗前后測試結果。

由表2 可見,熱試驗前后兩次測量曲線符合性較好,前后測試結果最大相差0.4ns,充分證明了本方案測試精度高,測試重復性強。

表2 轉發(fā)器群時延測試結果Table 2 Result of satellite transponder group delay measurement

4.3 UHF-UHF 頻段模擬衛(wèi)星轉發(fā)器群時延測量

本方案在實驗室條件下,在UHF-UHF 模擬衛(wèi)星轉發(fā)器進行了實驗驗證。此模擬衛(wèi)星轉發(fā)器是為某衛(wèi)星綜合測試開發(fā)的,測試框圖見圖5,被測件為模擬衛(wèi)星轉發(fā)器。

本實驗調(diào)制信號頻率為4kHz,采樣器采樣速率為100M Hz,采樣深度為1M ;信號源為Agilent E8257D、下變頻器用Agilent E4447A 頻譜儀替代、采樣器用Agilent 54833D 示波器替代。

表3 UHF-UHF 頻段模擬衛(wèi)星轉發(fā)器群時延測試結果Table 3 Results of UHF-UHF band satellite transponder simulator group delay measurement

表3 中測試數(shù)據(jù)是一次帶內(nèi)群時延測量結果。為得到本方法在UHF 頻段的測試精度,在中心頻點進行60 次獨立測量。結果見圖6。

由圖6 可見,測試誤差近似正態(tài)分布。統(tǒng)計得到本方案在UHF 頻段的測試標準差約為6.3ns,測試誤差峰峰值約為30.1ns,完全滿足UHF 頻段群時延測試要求。

5 結論

圖6 測試誤差分布圖Fig.6 Distribution of measurement error

衛(wèi)星轉發(fā)器測試的發(fā)展方向之一是測試的自動化和通用化[12]。本方案利用通用的測試設備的功能開發(fā)測試軟件完成群時延測試方案,具有通用性、自動化、精度高的特點,完全適應衛(wèi)星轉發(fā)器測試的發(fā)展方向。本方案已經(jīng)在C 頻段和U HF 頻段得到了驗證,應用效果良好,滿足衛(wèi)星測試需求,具有工程應用意義。

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