易卿武，宋海濤

（中國電子科技集團(tuán)公司 第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，為了產(chǎn)生和維持精密的系統(tǒng)時間，需要對系統(tǒng)收發(fā)鏈路的傳輸時延零值進(jìn)行精確的標(biāo)定，以減小系統(tǒng)誤差，提高定位精度。目前鏈路傳輸時延零值標(biāo)校方法基本可分為兩類，分別是基準(zhǔn)差分法和絕對標(biāo)校法。

基準(zhǔn)差分法是將被標(biāo)校設(shè)備的測量值與基準(zhǔn)設(shè)備測量值進(jìn)行差分，二者的差值視為被標(biāo)校設(shè)備的零值變化量，缺點(diǎn)是基準(zhǔn)設(shè)備的零值穩(wěn)定性難以維持，零值的漂移會在標(biāo)校值中引入偏差。絕對標(biāo)校法是采用基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀或高速示波器的絕對時延標(biāo)校方法。

基于高速示波器的時延測量原理是將待測設(shè)備的輸入測距信號和輸出測距信號分別采集并進(jìn)行處理，得到的時延值做差。缺點(diǎn)是對于頻率過高的射頻信號，高速示波器無法采集，測量頻段范圍有限?；谑噶烤W(wǎng)絡(luò)分析儀的時延測量方法有調(diào)制信號法、背靠背法、矢量混頻器和梳狀波發(fā)生器法（SMC＋PHASE）。本文將重點(diǎn)討論梳狀波發(fā)生器法。

1 基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量方法

1.1 調(diào)制信號法測量

調(diào)制信號法（包含使用雙音法）是最早的時延測量方法之一，測量原理如圖1所示。如被測設(shè)備為上行信道鏈路，將調(diào)制信號分為兩路，分別接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的SRC1和SRC2端口，其中一路直接進(jìn)行信號解調(diào)，另一路調(diào)制信號輸出至被測上行信道，被測設(shè)備將調(diào)制信號上變頻之后再進(jìn)行信號解調(diào)，利用鑒相器測量兩路解調(diào)信號之間的相位差，從而解算出時延差。兩路信號時延差為引入的被測上行信道的時延值。

圖1 調(diào)制信號法測量原理圖

調(diào)制信號法要求矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部的檢波器響應(yīng)是寬帶的，而且響應(yīng)極為平坦，核心是需要對檢測出來的兩路信號相位差進(jìn)行處理。缺點(diǎn)是容易受到噪聲和被測器件非線性的干擾，從而影響測量精度，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀需要寬帶檢波技術(shù)，其靈敏度較差。根據(jù)實(shí)際測量分析，調(diào)制信號法測量精度的典型值只有10ns左右。

1.2 背靠背法測量

圖2 背靠背法測量原理圖

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀背靠背法測量原理圖如圖2所示。以被測設(shè)備為下行信道為例，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量頻率設(shè)置為被測件的射頻輸入頻率。先在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的2個端口間接入2只同型號且互易的寬帶混頻器?；祛l器1將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀端口1的射頻信號轉(zhuǎn)換為中頻，中頻信號經(jīng)過中頻濾波器輸入混頻器2，混頻器2則將中頻信號上變頻回射頻信號送到網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口2。先對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行直通校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完后，去掉混頻器1，接入被測件，此時即可得到被測設(shè)備的時延特性。

背靠背測量法的優(yōu)點(diǎn)在于對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀沒有特殊的要求，該網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)和測量時2個端口都工作在同頻狀態(tài)。但是這種方法校準(zhǔn)端面與測量端面不相同，得到的被測件時延特性實(shí)際上是相對于已知混頻器的值，所以這種測量較為粗略。由于連接的重復(fù)性加上濾波器與混頻器對之間以及混頻器與測試設(shè)備之間的失配效應(yīng)，會將誤差引入測量過程。

1.3 矢量混頻器校準(zhǔn)法

矢量混頻器校準(zhǔn)法（VMC）的測量原理如圖3所示。在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀SRC 端口接入?yún)⒖蓟祛l器，并利用VMC校準(zhǔn)方法標(biāo)定參考混頻器及濾波器件傳輸時延和儀器自身時延作為零值處理。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Port1端口輸出RF測試信號，經(jīng)過RF增益調(diào)整器件調(diào)整電平送入被測下行信道鏈路RFin端口，測試信號在被測信道中進(jìn)行變頻濾波放大處理后由IFout端口輸出，再經(jīng)由IF增益調(diào)整器件調(diào)整電平后送入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Port2端口。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀借助與SRC端口連接的參考混頻器及濾波器件，將RF 測試信號進(jìn)行上變頻處理，進(jìn)而測量出測試鏈路的總時延t。RF及IF增益調(diào)整器件均為同頻器件，可直接使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量其傳輸時延，分別記為t1和t2。連接儀器與被測鏈路的電纜組件傳輸時延也可以直接測量，記為t3，則被測下行信道鏈路傳輸時延t′＝t－t1－t2－t3。

圖3 矢量混頻器校準(zhǔn)法測量原理圖

在整個測試過程中，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀要與被測信道鏈路參考同源，且參考混頻器需使用被測信道鏈路的L0信號作為本振激勵，以保證測量精度。矢量混頻器校準(zhǔn)法的優(yōu)勢在于對標(biāo)?；祛l器的量化和全面的矢量誤差修正，VMC 技術(shù)對校準(zhǔn)混頻器進(jìn)行了量化，并采用全面的矢量誤差修正，消除了反射的影響，從而提高了對變頻器件的時延特性測量精度。但VMC方法測量過程需要引入?yún)⒖蓟祛l器和校準(zhǔn)混頻器，操作流程復(fù)雜，有一定的測量誤差。經(jīng)分析使用VMC方法測量變頻器件時延特性最佳測量不確定度為0.2ns。

1.4 梳狀波發(fā)生器法測量

梳狀波發(fā)生器法（SMC＋Phase）是Agilent公司推出的最新測量變頻鏈路時延方法，建立在PNA／PNAX 接收機(jī)不同頻點(diǎn)的相位相干的基礎(chǔ)之上，測量方法和校準(zhǔn)方法最為簡單。

梳狀波發(fā)生器法測量需要具備內(nèi)置PNA／PNAX 接收機(jī)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，如N5241A等型號。校準(zhǔn)過程需要三個常用校準(zhǔn)件包括功率計、梳狀波發(fā)生器和校準(zhǔn)件，其中功率計用做幅度標(biāo)準(zhǔn)，梳狀波發(fā)生器用做相位標(biāo)準(zhǔn)，校準(zhǔn)件（電子或機(jī)械）作為矢量校準(zhǔn)。

2 梳狀波發(fā)生器法

2.1 測量原理

SMC＋Phase測量方法是目前基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量變頻鏈路最為簡單的方法，測量原理圖如圖4所示。只需要將待測設(shè)備直接接入完成校準(zhǔn)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，以下行信道為例，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Port1端口輸出RF測試信號，送入下行信道進(jìn)行下變頻，輸出IF信號連接至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Port2端口，其中Port3端口輸出本振信號至待測設(shè)備。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀讀出的時延值t即為待測設(shè)備的時延值。

圖4 梳狀波發(fā)生器法測量原理圖

梳狀波發(fā)生器法首先要求矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀具備PNA／PNAX 接收機(jī)，對于PNA－X／PNA 來說，獨(dú)有的數(shù)字頻綜能保證每次掃描時，輸出信號的響應(yīng)穩(wěn)定。其次，功率校準(zhǔn)可以保證精確的幅度響應(yīng)，而梳狀波發(fā)生器能提供不同頻點(diǎn)之間的精確的相位關(guān)系，以校準(zhǔn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機(jī)的不同頻點(diǎn)之間的相位。梳狀波發(fā)生器校準(zhǔn)過程中產(chǎn)生信號的頻率范圍及波形如圖5所示，頻率范圍可覆蓋1～50GHz。

圖5 梳狀波發(fā)生器信號波形圖

2.2 測量方法

依照測量原理，要完成對被測信道傳輸時延的測量，需要采用SMC＋Phase法進(jìn)行校準(zhǔn)，以完成整個信道鏈路的絕對時延測量，校準(zhǔn)過程需要功率計、梳狀波發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件（電子或機(jī)械式）三個校準(zhǔn)件，所有的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)都溯源到NIST，方法適應(yīng)于PNA 和PNA－X，也適應(yīng)于測量嵌入式本振的變頻鏈路。利用SMC＋Phase法進(jìn)行校準(zhǔn)和測量的基本步驟如下：

1.在PNA／PNAX 的測試端口連接梳狀波發(fā)生器和功率計，點(diǎn)擊Phase Reference Calibration Wizard，在全頻段對PNA／PNAX 接收機(jī)的幅度、相位進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)界面如圖6（a）所示。校準(zhǔn)過程中，矢網(wǎng)的10MHz參考輸出用作梳狀波發(fā)生器的輸入。

圖6 梳狀波發(fā)生器法校準(zhǔn)界面

第一步校準(zhǔn)完成之后，由于PNA／PNAX 的硬件極為穩(wěn)定，所以這種校準(zhǔn)操作可以相隔數(shù)月之后再進(jìn)行。

2.校準(zhǔn)的第二步只需在測量面進(jìn)行S參數(shù)校準(zhǔn)，使用電子校準(zhǔn)件，連接一次即可完成。校準(zhǔn)界面如圖6（b）所示。

3.校準(zhǔn)完成后，只需要將被測設(shè)備的輸入、輸出和本振連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上，即可進(jìn)行信號時延和幅度測量。

2.3 誤差分析與測試結(jié)果

在被測導(dǎo)航接收信道鏈路中串入高精度可編程延遲線，通過改變可編程延遲線的延遲量模擬被測導(dǎo)航接收信道設(shè)備的時延變化。

引起測量誤差主要因素有：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部觸發(fā)信號抖動引入的誤差，矢網(wǎng)自校準(zhǔn)誤差，電纜擺動引起的測量誤差，環(huán)境溫度變化引起的測量誤差，延遲線時延變化誤差以及端口連接等時延零值誤差等。表1根據(jù)實(shí)際情況給出了基于這些誤差項(xiàng)的估值匯總。

表1 時延標(biāo)定誤差項(xiàng)估算

上述誤差對總的標(biāo)定結(jié)果誤差貢獻(xiàn)均衡，因而總的測量誤差可作以下計算：

實(shí)測結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)測時延變化表

上述測試結(jié)果取均值為0.162ns，與誤差估計值接近，利用梳狀波發(fā)生器法測得被測導(dǎo)航信道鏈路時延變化量與可編程延遲線變化量相差較小，此實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了使用梳狀波發(fā)生器法可以較準(zhǔn)確的測量出導(dǎo)航信道鏈路的絕對時延。

3 結(jié)束語

通過比較四種基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的導(dǎo)航信道鏈路時延測試方法，可以看出，梳狀波發(fā)生器法（SMC＋Phase）與矢量混頻器校準(zhǔn)法（VMC）測量的時延精度最高，但是VMC 法校準(zhǔn)和測量流程較復(fù)雜，SMC＋Phase法操作和設(shè)置簡單，不需要參考混頻器和校準(zhǔn)混頻器，測量精度可溯源到NIST，所以梳狀波發(fā)生器法（SMC＋Phase）測量信道鏈路具有一定的優(yōu)勢。絕對傳輸時延的測量技術(shù)將為信道鏈路的研究及工程設(shè)計提供更準(zhǔn)確、更有價值的參考數(shù)據(jù)和更為靈活的測量思路。

［1］Dunsmore，J.；Ericsson，J；"A novel method for measuring phase and group delay of mixers without a reference mixer，"Microwave Measurements Conference（ARFTG），2010 75th ARFTG，vol.no.pp.1－7，28－28 May 2010.

［2］譚述森.衛(wèi)星導(dǎo)航定位工程［M］.第2版.北京：國防工業(yè)出版社，2010.

［3］寇艷紅譯.ELLIOTT D.KAPLAN.GPS原理與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［4］李德儒.群時延測量技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1990.

［5］劉陽琦.雙向比對實(shí)現(xiàn)電纜時延測量方法［J］.宇航計測技術(shù)，2009（5）：34－36.

［6］楊晶超.基于偽隨機(jī)序列的高精度時延測量技術(shù)研究［J］.國外電子測量技術(shù)，2009.

［7］魏海濤，蔚保國，李剛等.衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備時延精密標(biāo)定方法與測試技術(shù)研究［J］.中國科學(xué)：物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)，2010，40（5），623－627.

［8］Agilent Technologies.PNA Series Network Analyzer Help.Agilent Technologies［S］.2003.