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法、調制法等。矢網法測量變頻系統(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制法[2]。調制法又分為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 信號經過衛(wèi)星轉發(fā)器后,被送入模擬FM 解調器解調,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,需要窄帶模擬解調器,窄帶模擬解調器實現難度大,若設備調試不到位,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、數字解調、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,直接進行數字信號處理,最大的優(yōu)點就是參數可調,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。數字信號處理消除了模擬解調器和時間間隔測試設備帶來的測量誤差。模擬解調器可能帶來解調信號的畸變;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字化軟件解調,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)或線性網絡時,信號整體產生的時延[6][7]。其數學表達式為

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生相位失真的條件下,群時延特性應為常數。對于FM 信號,FM 調制信號經過系統(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

本方案的實現分為如下幾個模塊:采樣器、數字下變頻器、數字濾波器、數字頻率估計器、數字相位估計器、數字群時延計算器。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 調制信號和低頻原始信號的采樣。兩路信號同時采樣,進而數字化,采樣率和采樣深度由外部參數控制。

2)數字下變頻器:完成對兩路數字信號的下變頻。不管是中頻FM 調制信號,還是低頻原始信號,都不是“零中頻”信號,這不便于數字處理。數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制頻率兩個外部輸入參數控制。

3)數字濾波器: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)數字頻率估計器:輸入信號與本地信號必然存在一定頻偏,數字頻率估計器估計出這一偏差,并且補償掉。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,在數字頻率估計器估計頻率范圍之內。輸入參數為采樣深度和調制頻率。

5)數字相位估計器:由于數字頻率估計器已經補償了頻偏,數字相位估計器完成對兩個近似直流信號的相位估計。數字相位估計器估計的是一段數據的平均相位,這樣可以有效消除噪聲,提高相位估計精度。輸入參數為采樣深度。

6)數字群時延計算器:由數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制頻率,由外部參數輸入決定。

以上各個模塊采用參數控制,不同衛(wèi)星群時延測試只需修改相應參數,達到了通用化;同時,運算全部為數字信號處理,消除了模擬解調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)正交解調方法[8-11],具體見3.2～3.4 節(jié)描述。

3.2 調制信號相位估計

調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

調制信號經過采樣后如下式

式中, Am為調制信號幅度, ωm為調制信號頻率, φm,0為調制信號初始相位,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為調制信號頻偏值,為其估計值,angle{}表示對復數取相位,L 為一正整數,具體參數值與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 信號數字解調

FM 信號經過采樣后,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為調頻指數, ωm為調制信號角頻率, φm為調制信號初相位。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 信號數字解調原理框圖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

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

同時,與利用矢量網絡分析儀測得的電纜時延數據進行比較。本實驗調制信號頻率為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 中測試數據是一次帶內群時延測量結果。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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