基于LabView的BPSK調(diào)制器時(shí)延測(cè)量方法

陳光堯 趙 嫚 陳 煒/ 1. 上海交通大學(xué)；. 上海精密計(jì)量測(cè)試研究所

基于LabView的BPSK調(diào)制器時(shí)延測(cè)量方法

陳光堯1,2趙 嫚2陳 煒2/ 1. 上海交通大學(xué)；2. 上海精密計(jì)量測(cè)試研究所

對(duì)于發(fā)射裝置用BPSK數(shù)字基帶調(diào)制器的時(shí)延測(cè)量問題，提出利用寬帶數(shù)字示波器作為高速數(shù)采捕獲信號(hào)波形、軟件解調(diào)并計(jì)算插入時(shí)延的測(cè)量方法。論述傳輸系統(tǒng)中時(shí)延的定義，集成了一套實(shí)驗(yàn)室級(jí)的BPSK調(diào)制器時(shí)延測(cè)量裝置。

時(shí)延；調(diào)制解調(diào)；測(cè)量

0 引言

設(shè)備時(shí)延是指信號(hào)經(jīng)過設(shè)備時(shí)產(chǎn)生的附加時(shí)延，是設(shè)備的固有特性。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，設(shè)備時(shí)延是影響定位、授時(shí)、時(shí)間同步等性能的重要因素之一[1]。目前，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中采用測(cè)量設(shè)備時(shí)延的儀器及方法主要有高速存儲(chǔ)示波器法[2,3]、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀法[2,4,5]兩種。這兩種方法都可以測(cè)量輸入輸出信號(hào)不同頻的變頻設(shè)備的時(shí)延，其中矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀法測(cè)量原理需要一個(gè)與被測(cè)變頻設(shè)備相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)混頻器，但對(duì)于輸出帶有調(diào)制信號(hào)的調(diào)制器時(shí)延則無能為力。文獻(xiàn)[6]指出寬帶示波器是目前能夠測(cè)量BPSK調(diào)制器調(diào)制信號(hào)輸入端到射頻信號(hào)輸出端時(shí)延的唯一方法。

近年來，寬帶數(shù)字存儲(chǔ)示波器得到不斷發(fā)展，最高帶寬可達(dá)40 GHz以上，利用高速存儲(chǔ)示波器測(cè)量BPSK調(diào)制器的設(shè)備時(shí)延成為可能。對(duì)于一個(gè)理想的BPSK調(diào)制信號(hào)，從理論上說，正弦波應(yīng)該在調(diào)制信號(hào)變化時(shí)刻發(fā)生相位變化，在調(diào)制前和調(diào)制后正弦波是等幅的。在用寬帶數(shù)字存儲(chǔ)示波器實(shí)際測(cè)試過程中，信號(hào)并不是一個(gè)理想波形，而是出現(xiàn)一個(gè)幅度最小點(diǎn)，這是由于調(diào)制時(shí)刻信號(hào)頻帶最寬，由濾波器的有限帶寬引起的能量衰減最大，出現(xiàn)幅度最小點(diǎn)（即包絡(luò)零點(diǎn)）[7]。通常的做法是直接使用示波器測(cè)量基帶信號(hào)邊沿和相位翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的時(shí)間差。這種方法的問題在于，相位翻轉(zhuǎn)點(diǎn)不容易定位，存在人為誤差，測(cè)量準(zhǔn)確度差。可利用軟件無線電的技術(shù)，將寬帶數(shù)字存儲(chǔ)示波器視作高速數(shù)據(jù)采集器，把采集到的信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)，經(jīng)過相干解調(diào)還原基帶信號(hào)，并獲取過零點(diǎn)，從而準(zhǔn)確定位信號(hào)的相位翻轉(zhuǎn)點(diǎn)，提高時(shí)延測(cè)量的測(cè)量準(zhǔn)確度。

1 測(cè)量原理

當(dāng)信號(hào)通過某一傳輸系統(tǒng)或某網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)會(huì)產(chǎn)生滯后時(shí)間，即為時(shí)延。假設(shè)系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延是非色散的，那么系統(tǒng)的時(shí)延為一常數(shù)。然而幾乎所有的信號(hào)傳輸（真空除外）都是色散的，其時(shí)延不是常數(shù)，它隨信號(hào)頻率變化，這種特性是時(shí)延與信號(hào)頻率的系統(tǒng)的時(shí)延特性。實(shí)際情況下，傳輸信號(hào)并不是一個(gè)單一頻率成分的信號(hào)，而是一個(gè)頻率成分復(fù)雜的群信號(hào)，對(duì)于群信號(hào)通過線性系統(tǒng)或線性網(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)間延遲稱為群時(shí)延或群延遲（Group delay）。

群時(shí)延(τg)是相位移φ(ω)的變化與信號(hào)角頻率ω變化的比值，表達(dá)式為

由于BPSK信號(hào)實(shí)質(zhì)是一種載波抑制的雙邊帶調(diào)幅信號(hào)，信號(hào)的包絡(luò)頻率即為調(diào)制頻率。根據(jù)包絡(luò)不失真條件，當(dāng)信號(hào)在傳輸過程中，包絡(luò)頻率遠(yuǎn)小于信號(hào)頻率時(shí)，其包絡(luò)沒有失真，或其失真的程度可以忽略時(shí)，此時(shí)信號(hào)的包絡(luò)時(shí)延（τe）等于信號(hào)的群時(shí)延。

采用相干解調(diào)的方法，信號(hào)與載波相乘,然后通過低通濾波器或進(jìn)行積分可以濾除高頻分量，即可得到基帶信號(hào)。BPSK解調(diào)原理如圖1所示。

圖1 BPSK解調(diào)原理框圖

經(jīng)過解調(diào)后的信號(hào)為保留了已調(diào)信號(hào)時(shí)延信息的基帶信號(hào)，基帶信號(hào)與參考信號(hào)的過零點(diǎn)進(jìn)行比較，得到兩路信號(hào)時(shí)延差。但是由于解調(diào)過程中需要使用低通濾波器還原基帶信號(hào)，選擇常用的數(shù)字濾波器無論是FIR濾波器還是IIR濾波器都會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生時(shí)延。如果不對(duì)濾波器的時(shí)延進(jìn)行修正，就會(huì)對(duì)最終的調(diào)制器時(shí)延測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響?？衫肔abView軟件中的零相位濾波器程序Zero Phase Filter.vi實(shí)現(xiàn)濾波器的零時(shí)延。

零相位濾波器的原理是利用兩次時(shí)域翻轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的。信號(hào)經(jīng)過第一次濾波后，做時(shí)域翻轉(zhuǎn)再通過同一個(gè)濾波器，然后再做一次時(shí)域翻轉(zhuǎn)，所得輸出信號(hào)與輸入信號(hào)有著相同的相位，即零相位濾波。零相位濾波器原理如圖2所示。

圖2 零相位濾波器原理[8]

時(shí)域翻轉(zhuǎn)是將一個(gè)信號(hào)序列按時(shí)間順序翻轉(zhuǎn)成另一個(gè)信號(hào)序列。設(shè)信號(hào)為X(z)，經(jīng)過第一次濾波器H(z)濾波后，做時(shí)域翻轉(zhuǎn)得到X(1/z)·H(1/z)，該信號(hào)再通過同一個(gè)濾波器，然后再做一次時(shí)域翻轉(zhuǎn)，所得輸出信號(hào)為Y(z)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

圖2中的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)有著相同的相位。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要將第一次濾波后的輸出做時(shí)間反轉(zhuǎn)后再通過同一個(gè)濾波器，然后再做一次時(shí)間反轉(zhuǎn)。根據(jù)以上原理，利用零相位濾波器子VI可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的零時(shí)延。

2 測(cè)量裝置

測(cè)量裝置由基帶信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀、數(shù)字示波器、計(jì)算機(jī)及分析軟件和被測(cè)調(diào)制器組成。系統(tǒng)中的示波器作為高速數(shù)據(jù)采集器采集調(diào)制信號(hào)波形，為了保證采集信號(hào)的時(shí)延特性不失真，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，示波器的采樣率需要達(dá)到被采集信號(hào)頻率的八至十倍。由于系統(tǒng)選用的高性能數(shù)字示波器可達(dá)到的最高采樣速率25 GHz，可對(duì)3 GHz以下射頻信號(hào)直接進(jìn)行分析采樣，對(duì)于3 GHz以上的信號(hào)，系統(tǒng)通過頻譜分析儀將信號(hào)下變頻至中頻404 MHz輸出給示波器，由數(shù)字示波器對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣。測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 時(shí)延測(cè)量系統(tǒng)框圖

具體測(cè)量方法如下：首先，基帶信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生被傳輸?shù)幕鶐盘?hào)，與同步信號(hào)一同送入數(shù)字示波器，測(cè)得初始時(shí)延校準(zhǔn)值T1。其次，將基帶信號(hào)通過被測(cè)調(diào)制器調(diào)制為BPSK信號(hào)，經(jīng)過頻譜分析儀（載波頻率3 GHz以上）與基帶信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的同步信號(hào)共同進(jìn)入數(shù)字示波器，利用數(shù)字示波器的高速高精度采集功能將兩路信號(hào)進(jìn)行取樣，然后將取樣數(shù)據(jù)通過總線送入計(jì)算機(jī)，利用純軟件方式對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，得到基帶數(shù)據(jù)后與另一路同步信號(hào)的相位進(jìn)行比較，測(cè)得此時(shí)的插入時(shí)延T2。

則被測(cè)調(diào)制器的插入時(shí)延ΔT可以表示為

式中：ΔT— 被測(cè)調(diào)制器的插入時(shí)延；

T1— 測(cè)量系統(tǒng)初始時(shí)延校準(zhǔn)值；

T2— 接入被測(cè)調(diào)制器后，系統(tǒng)時(shí)延測(cè)量值；

T3— 混頻器的群時(shí)延；

T4— 軟件解調(diào)時(shí)延修正系數(shù)其中，系統(tǒng)測(cè)量的插入時(shí)延包含了混頻器的群時(shí)延和軟件解調(diào)時(shí)延誤差，混頻器的群時(shí)延可以用網(wǎng)絡(luò)分析儀法測(cè)得[9]。軟件解調(diào)時(shí)延修正系數(shù)由軟件算法進(jìn)行修正。

測(cè)量軟件采用LabView軟件實(shí)現(xiàn)。LabView是當(dāng)前用于數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和虛擬儀器開發(fā)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工具，而且是一個(gè)基于圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，可利用它方便快捷地建立自己的虛擬儀器程序而無需復(fù)雜的程序代碼編寫。軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程

3 結(jié)語

用數(shù)字示波器作為高速數(shù)據(jù)采集器捕獲調(diào)制信號(hào)波形，經(jīng)過軟件解調(diào)后的信號(hào)保留了已調(diào)信號(hào)的時(shí)延信息，通過計(jì)算兩路信號(hào)時(shí)延差，得到與參考基帶信號(hào)間的時(shí)延關(guān)系。將采集到的信號(hào)波形送計(jì)算機(jī)進(jìn)行軟件處理分析計(jì)算測(cè)量結(jié)果，可以測(cè)量真實(shí)信號(hào)傳輸時(shí)的相對(duì)時(shí)延值，在扣除了混頻器的時(shí)延后，可以得到被測(cè)器件的插入時(shí)延值。

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A method of BPSK modulator delay measurement based on LabView

Chen Guangyao1,2，Zhao Man2，Chen Wei2
（1.Shanghai Jiaotong University; 2.Shanghai Precision Metrolog & Test Research Institute）

The basic idea in this paper is to realize delay measuring for the BPSK modulator in satellites’ navigation system. Discuss the definition of transmit system delay. From the practice, a delay measuring system of the BPSK modulator based on software radio is established. In the measuring system, a digital oscilloscope is working as a high speed data collector to capture the modulated signal. By using software demodulation，insert-delay measurement is done under BPSK modulation.

delay; modulation and demodulation; measurement