無線鏈路時延測試與標(biāo)定

宋海濤，申建華

(中國電子科技集團公司第54研究所，河北 石家莊　050081)

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無線鏈路時延測試與標(biāo)定

宋海濤，申建華

(中國電子科技集團公司第54研究所，河北 石家莊050081)

無線鏈路的時延測試標(biāo)定是解決系統(tǒng)建設(shè)過程中衛(wèi)星、地面設(shè)備的時延測試和時間同步閉合問題的關(guān)鍵因素。無線鏈路的時延標(biāo)定，區(qū)別于有線鏈路時延，為包含射頻設(shè)備和空間無線傳輸?shù)穆?lián)合時延測試。本文對無線鏈路的時延定義、變化規(guī)律和影響因素等進行了分析，對單向時延和組合時延測試方法進行了研究，對時延數(shù)據(jù)應(yīng)用和時延測試規(guī)范進行了探索。

衛(wèi)星導(dǎo)航；時延；無線傳輸

0　引言

導(dǎo)航設(shè)備無線時延標(biāo)定需要對包含天線在內(nèi)的設(shè)備時延進行測量和標(biāo)定。其中，天線相位中心和時延的精確標(biāo)定是一大難題[1-5]。特別是對于時間同步地面站所使用的大型天線，相位中心和時延的測量缺乏直接測量手段，通常是分段測量和等光程計算結(jié)合合成天線時延[6-9]，這一方法存在精度檢核困難的問題。分段測試所采用的測量設(shè)備、測試方法、測試信號參數(shù)等均不可能完全相同，也就是說分段測試的測量基準(zhǔn)不一樣，這樣必將導(dǎo)致合成的測量結(jié)果準(zhǔn)確度下降，且測量精度難以評估。因此研究一種新的無線標(biāo)定方法，使所有測量都是通過同一測試終端產(chǎn)生，而且無需分段測量，是精確得到全鏈路的單向時延的關(guān)鍵。

由于無線標(biāo)定中使用了無線鏈路傳送測量信號，測量中的不可控因素較多，信號干擾和測量設(shè)備時延變化等因素都將對標(biāo)定精度產(chǎn)生較大影響。為了提高標(biāo)定精度和進行誤差項分析，需要設(shè)計多種不同的測量試驗、長時間測量數(shù)據(jù)的分析和復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，最終選擇效果最佳的標(biāo)定方法。

1　無線鏈路時延分解

無線鏈路的時延標(biāo)定主要的研究內(nèi)容是發(fā)射天線與接收天線的天線時延的標(biāo)定方法。一個標(biāo)準(zhǔn)的無線鏈路工作狀態(tài)如圖1所示，包括輸出發(fā)射信號的發(fā)射終端，實現(xiàn)調(diào)制與信號放大功能的發(fā)射機，輻射電磁信號的發(fā)射天線，接收電磁信號的接收天線，實現(xiàn)信號放大與解調(diào)的接收機，處理接收信號的接收終端以及收發(fā)天線之間的無線傳輸環(huán)境。時延存在于整個電磁信號傳輸?shù)穆窂街?，為了便于分析，首先根?jù)無線鏈路各器件時延特性的不同，對整個無線鏈路的時延進行必要的分解。

圖1　無線鏈路組成結(jié)構(gòu)圖

電磁信號的起點位于發(fā)射終端信號的產(chǎn)生點處，本地時刻記為t0。電磁信號產(chǎn)生后，經(jīng)發(fā)射機傳送到發(fā)射天線饋源點處，這部分傳輸路徑的時延記為Δt1。該時延可通過長時間的拷機測試進行標(biāo)定。電磁信號進入天線饋源點后，經(jīng)天線輻射單元進入無線傳輸環(huán)境，在發(fā)射天線上的信號傳輸時延記為Δt2。一般來說天線上的時延定義為電磁信號由天線饋源點到天線相位中心這一段傳輸路徑的時延。由于天線工作特性的特殊性，導(dǎo)致該時延很難采用常規(guī)的設(shè)備進行標(biāo)定分析。由發(fā)射天線相位中心到接收天線相位中心的無線傳輸時延記為Δt3。該時延可通過電磁場的傳輸理論進行分析計算。類似的，由接收天線相位中心到接收天線饋源點的傳輸時延記為Δt4。由接收天線饋源點到接收終端前的傳輸時延記為Δt5。電磁信號進入接收終端時，接收終端的本地時刻記為t0′。整個無線鏈路的總的時延Δt0可表示為

Δt0=t0′-t0

無線鏈路的時延特性標(biāo)定主要是通過設(shè)計試驗方法對收發(fā)天線的時延Δt2、Δt4進行標(biāo)定分析。簡單來說，當(dāng)收發(fā)天線采用相同規(guī)格的天線元件時，天線時延可表示為

Δt2=Δt4=(Δt0-Δt1-Δt3-Δt5)/2

2　無線鏈路時延特性分析

從前面的分析可知，無線鏈路時延標(biāo)定實驗的主要測試結(jié)果有4個，分別是矢網(wǎng)輸出的收發(fā)信號總時延Δt0，發(fā)射、接收物理鏈路的時延Δt1，Δt5以及波導(dǎo)天線之間空間鏈路的時延Δt3。

矢網(wǎng)輸出的總時延Δt0是實驗輸出的直接測試結(jié)果。Δt0測量的準(zhǔn)確度直接決定了天線時延的標(biāo)定精度。一般來說，矢網(wǎng)時延的測試結(jié)果精度在0.1ns左右。矢網(wǎng)測試結(jié)果的誤差來源主要有隨機誤差以及系統(tǒng)時延穩(wěn)定性帶來的時延漂移，因此實際的測量結(jié)果可表示為

其中τ(t)與系統(tǒng)的時延穩(wěn)定性有關(guān)，κ為隨機誤差，與測量環(huán)境和設(shè)備的噪聲等有關(guān)。在實驗過程中可以采用以下途徑降低以上誤差的影響。

測試前，對所用到的設(shè)備進行足夠時間的拷機處理，以保證測試過程中設(shè)備工作環(huán)境，包括溫度、濕度等條件的穩(wěn)定性；

測試過程中，將矢網(wǎng)的兩校準(zhǔn)端口對接，理論上來說此時的時延值應(yīng)為0；通過一定時間的觀測，記錄測量時延的變化曲線，并應(yīng)用該曲線對實驗的測試結(jié)果Δt0進行必要的修正。

一般來說，降低隨機誤差干擾的常用手段是多次測量，采用數(shù)值濾波方法，取中間值。

圖2　波導(dǎo)口天線的輻射模式

波導(dǎo)天線之間空間鏈路的時延Δt3的獲得是理論計算的結(jié)果。在本實驗，波導(dǎo)口天線時延標(biāo)定的時延架構(gòu)中，波導(dǎo)口天線的輻射模式如圖2所示。A點為波導(dǎo)口的上端點，O點為波導(dǎo)口面的幾何中心，B點為外部自由空間的任意一點。L為AB間距離，R為OB間距離。

觀察點B處的場分布ψ可利用波導(dǎo)口面處的場分布ψ0來表示[10,11]：

當(dāng)L?λ，觀察點處的場可由波導(dǎo)口面處的初始標(biāo)量場分布ψ0可表示為

對于上述實驗結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩天線的相位中心互相對準(zhǔn)時，即為上式x′=0，z=R的特例，因此接收天線處的場分布可表示為

Δt3=R/c

必須注意的是，上式僅在兩天線相位中心對準(zhǔn)時成立。因此，本實驗測量過程中需要注意以下幾點：

波導(dǎo)天線的相位中心標(biāo)校精度對測試結(jié)果的影響很大。

兩波導(dǎo)天線的相位中心在測試過程中需保證對準(zhǔn)。

滿足以上測試條件后，對于實驗中的對比方案，即兩波導(dǎo)物理上連接的模式匹配下測試方案和兩波導(dǎo)之間距離滿足遠(yuǎn)場條件的無線測量方案，兩種測量方案的結(jié)果應(yīng)該是相同的。

3　結(jié)論

對無線鏈路的時延定義、變化規(guī)律和影響因素等進行了分析，對單向時延和組合時延測試方法進行了研究，對時延數(shù)據(jù)應(yīng)用和時延測試規(guī)范進行了探索。并設(shè)計了無線鏈路的時延測試方法，分析了波導(dǎo)天線的相位中心標(biāo)校精度對測試結(jié)果的影響，以及處理方法。

[1]李剛，魏海濤，孫書良.導(dǎo)航設(shè)備時延測量技術(shù)分析[J].測控遙感與導(dǎo)航定位， 2011,41(12):32-35.

[2]張金濤,孟海濤.變頻器的時延測量方法[J].無線電工程,2011,41(9):41-43.

[3]原亮,劉成,付荔.設(shè)備收發(fā)組合時延傳遞測試技術(shù)研究[J].無線電工程,2012,42(11):29-31.

[4]馬英昌.導(dǎo)航信號產(chǎn)生器設(shè)備時延調(diào)整技術(shù)分析[J].無線電工程,2013,43(10): 13-15.

[5]劉長水，盛利元，楊俊.星間時間同步系統(tǒng)及零值標(biāo)定研究[J].宇航計測技術(shù)，2011,31(4):48-51.

[6]黎英云.微弱多徑信號時延估計技術(shù)研究[M].華中科技大學(xué),2009.

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Measurement and calibration of time delay in wireless routes

SONG Hai-tao，SHEN Jian-hua

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

The measurement and calibration of time delay in the wireless route is an important factor in solving time delay measurement and time synchronization loop problem of the navigation system constructions,including satellite and surface equipment.The wireless calibration of time delay,distinguish with wired route,is a synthetically time delay measurement combined with the radio frequency equipment and wireless transmission.This paper analyzed the definition of time delay in wireless route and the regularization of its transformation under influence factors,studied the measurement method of one-way time delay and combined time delay,and explored the standard and application of time delay calibration.

Satellite navigation; Time delay; Wireless transmission

2016-03-10

宋海濤(1985-)，男，工程師,研究方向：射頻微波.

1001-9383(2016)02-0039-04

TN713

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