檀祝根，翟　寧，陳永強

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；

2.中國人民解放軍63783部隊，新疆 喀什844000)

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PCAL信號的產生原理及實現

檀祝根1，翟寧1，陳永強2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；

2.中國人民解放軍63783部隊，新疆 喀什844000)

摘要基于甚長基線干涉測量(VLBI)技術進行航天測控時，需要采用帶寬合成的方法對測控系統(tǒng)的相位延遲進行校準。介紹了一種相位校準信號(PCAL Signal)，分析了PCAL信號的原型梳狀譜信號的時域和頻域特性，詳細闡述了利用階躍恢復二極管(SRD)產生梳狀譜信號的原理，給出了PCAL信號的設計實現方法，同時結合工程實踐提出了在產生PCAL信號時一些需要注意的地方。利用該方法產生的PCAL信號已應用，通過對PCAL信號相關處理得到的相位群時延特性曲線，可以有效地減小觀測通道相位不一致性引起的測量誤差，對最終測量結果起到了一個很好的修正作用。

關鍵詞VLBI觀測；PCAL信號；階躍恢復二極管；梳狀譜

0引言

在深空測控的VLBI[1]系統(tǒng)中，各測站接收設備的相位延遲各不相同，為了得到精確的測量結果，在進行數據相關時需要減小由此引起的測量誤差，所以需要對各測站接收設備的相位延遲進行校準，這可以通過信號走過兩測站接收設備的相位差實現。由于需要觀測的信號帶寬很寬，單個頻率的信號測得的相位差存在整周模糊，需要觀測合理分布的多通道的多測量值來解模糊，這一方法稱為帶寬合成[2]，首先分辨最窄有效帶寬的模糊度，接著是分辨出更寬帶寬的整周模糊，就可以獲得整個測量帶寬內的真實群時延特性曲線。在帶寬合成時，必須測量出各個子觀測通道的群時延，為此設計了一個寬帶信號，在天線場放入口處饋入，與天線接收的射頻信號一起經過下變頻、基帶轉換、記錄并送數據處理中心進行相關處理[3]，可以得到觀測時間內傳輸設備的群時延特性曲線，這個過程稱之為觀測通道的相位校準[4]，相應的寬帶信號稱之為相位校準信號，即PCAL信號。本文設計生成的PCAL信號具有良好的副頻特性和相頻特性，可以完全覆蓋S/X頻段的有效信號帶寬，并且信號頻譜間隔可變，信號電平動態(tài)調節(jié)范圍廣，能夠很好地用于接收設備的相位校準，提高測量精度。

1PCAL信號特性

一般來說，PCAL信號是由梳狀譜[5]信號經過一系列處理得到的，梳狀譜信號因其波形與梳子相似而得名，其時域和頻域特性如圖1和圖2所示，時域為周期性的脈沖串，頻域信號功率譜包絡呈現辛格函數(sinx/x)的形式，譜線的頻率間隔取決于時域脈沖信號的周期，例如脈沖周期為100 ns，頻譜間隔為10 MHz。譜線的第一個零點取決于輸出信號脈沖的寬度，脈寬越窄，第一個零點頻率越高，以50 ps脈寬為例，譜線的第一個零點應該位于20 GHz處，在整個梳狀譜信號的頻段內頻譜幅度相差較大，但是在某一小段帶寬內的頻譜幅度基本一致，完全能夠滿足應用要求。

圖1　梳狀譜信號時域特性

圖2　梳狀譜信號頻域特性

2PCAL信號產生原理

PCAL信號是由梳狀譜信號經過脈沖截取得到，原理框圖如圖3所示，參考信號經過放大、匹配濾波后，經由偏壓電路的電壓調整輸入到階躍恢復二極管(SRD)，就可以輸出包含各次諧波的窄脈沖，即梳狀譜信號，再經過脈沖截取等處理得到想要的PCAL信號。

輸入的參考信號決定了輸出的梳狀譜信號的最大頻率間隔，如輸入參考信號為10 MHz，則輸出梳狀譜信號的最大頻率間隔為10 MHz。

圖3　PCAL信號產生原理

要使階躍恢復二極管產生較大的窄電流脈沖，從而獲得豐富的諧波輸出，需要先將輸入信號放大到一定的功率來推動階躍恢復二極管，同時放大器的輸出功率不能太大，否則會對二極管過渡激勵，使信號相位噪聲嚴重變壞。

匹配濾波器[6]起到信號隔離和能量的有效傳輸的作用，不僅將放大器輸出的功率最大限度的加到二極管上，還避免了二極管產生的諧波能量反串到放大器中，同時要求濾波器的有效帶內群時延特性為常數，以避免相位失真。

偏壓電路的作用是給階躍恢復二極管提供偏置電壓用的，階躍恢復二極管依靠偏置電壓的正負變化形成電流的跳變，從而在電路中形成一個很窄的脈沖，偏壓電路的輸出電壓不能太大，否則會把階躍恢復二極管擊穿。

階躍恢復二極管[7]有2個重要的參數：階躍恢復時間Tt和少數載流子壽命τ。階躍恢復時間Tt是指反向電流從最大值的80%下降到20%所需要的時間，Tt越小，所產生的脈沖寬度越窄，梳狀譜信號高次諧波分量越多，它決定了輸出信號頻率的上限，Tt越大，脈沖寬度越寬，輸出信號總功率越大，一般在滿足輸出頻率上限要求的情況下盡量增加脈沖寬度。少數載流子壽命τ決定了二極管最低輸入頻率，為使二極管正常工作，要求τ至少大于輸入信號周期的3倍。在設計之初，必須依據輸入參考信號頻率和最高輸出諧波頻率來確定這2個參數，選取合適的階躍恢復二極管。

梳狀譜信號的相位噪聲[8]比參考信號的相位噪聲大很多，主要來自以下3個方面： 倍頻產生的噪聲、階躍二極管內部引入的噪聲和放大器產生的噪聲。

倍頻器產生的相位噪聲跟倍頻次數有關，一般有以下關系：

y(nfr)/y(fr)=20log10n。

上式說明了當倍頻數為n時，理論上相位噪聲惡化20log10n，這是無法避免的。

階躍恢復二極管引入噪聲的原因包括調幅非線性引起的噪聲、過激勵引起的噪聲和電阻熱噪聲等，為了減小這一項噪聲，需要細致的調節(jié)電路的匹配、偏壓和輸入參考信號電平。

放大器產生的噪聲主要來自于有源器件的加性噪聲，為了降低這項噪聲，需要增加相應負反饋電路。

脈沖截取部分主要是通過數字電路實現，通過脈沖截取，可以在不改變PCAL信號整體帶寬的情況下獲得不同頻率間隔的PCAL信號，以滿足不同工程應用。

3PCAL信號實現

在工程應用中，對于PCAL信號有以下指標要求：在使用帶寬內信號電平可調，帶內信號幅度抖動不大于±0.5 dB，相位抖動不大于1°，PCAL信號頻率間隔為5M/n(n取1～100)。

眾所周知，影響信號相位穩(wěn)定性[9]的因素是多方面的，除了設備元器件本身的特性和電纜特性等，還包括輸入參考信號的質量和外部環(huán)境溫度的變化，為了保證輸出信號相位的抖動足夠小，除了選用性能指標優(yōu)異的元器件和電纜外，還要求高穩(wěn)定度的參考源和恒溫調節(jié)措施。假設PCAL信號產生器選用的參考信號為10 MHz，來自于高穩(wěn)定度的銣鐘，1 kHz相噪不大于-145 dBc/Hz，換算成信噪比為S/N=99.7 dB，按照倍頻公式，在X頻段PCAL信號的最高頻率8 500 MHz的信噪比為：

S/N1=99.7-20*log10(8 500/10)=41.1 dB。

考慮器件不理想帶來的相位噪聲惡化，取S/N1=35 dB，換算成為相位抖動[10]：

Δφ=arctan(10(-35/10))=0.02°。

可以滿足系統(tǒng)要求的相位抖動不大于1°的指標。

為了保證溫度波動小，PCAL信號產生設備放置于一個溫度可調節(jié)的溫箱內，可以實現溫度的自動調節(jié)。

為了產生不同頻譜間隔的PCAL信號，需要對梳狀譜信號進行脈沖截取處理，為此在梳狀譜發(fā)生器后面增加了一個開關，同時產生控制信號選取對應的梳狀譜脈沖信號，改變控制信號的頻率即可得到不同頻譜間隔的PCAL信號，控制信號的相位必須與梳狀譜信號的相位一致，否則會導致輸出的PCAL信號波形失真，不滿足使用要求。

由于脈沖截取過程中會產生信號能量的損失，PCAL信號在不同的頻率間隔時電平是不一樣的，為了保證PCAL信號產生設備的輸出端的信號電平滿足使用要求，在改變頻率間隔時同時需要調節(jié)輸出信號的電平，因此在PCAL信號產生設備內部增加了一個數控衰減器，步進0.5 dB，范圍為0～60 dB。

基于以上分析，得到PCAL信號產生器實現框圖如圖4所示，按照此框圖設計的PCAL信號產生器的X頻段PCAL信號頻譜如圖5所示。

圖4　PCAL信號產生器實現

圖5　X頻段PCAL信號頻譜

4結束語

在利用VLBI技術進行航天器的跟蹤測量時，VLBI觀測設備通過接收PCAL信號進行數據相關和帶寬綜合等處理，可以很好地對觀測設備群時延特性進行分析，從而減小測量誤差，對測量結果進行比較精確的校準，是VLBI觀測中的重要組成部分。在設計PCAL信號時，尤其需要注意到各個單元模塊之間的信號匹配問題，如果匹配不好，會使得信號的幅頻特性變差，難以很好地達到時延校準的目的。設計實現PCAL信號產生器的過程很復雜，需要考慮的因素還有很多，只能在實踐中進行探索總結。

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檀祝根男，(1981—)，工程師。主要研究方向：航天測控。

翟寧女，(1992—)，助理工程師。主要研究方向：航天測控。

The Principle and Implementation of PCAL Signal

TAN Zhu-gen1，ZHAI Ning1，CHEN Yong-qiang2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;

2.Unit63783 ,PLA,KashiXinjiang844000,China)

AbstractWhen using the VLBI tracking and measuring technology for space tracking,we need a kind of bandwidth synthesis method for phase delay calibration of the measurement and control system.So the PCAL signal is introduced in this paper.The features of the comb spectrum signal in time domain and frequency domain are analyzed,which is the prototype of PCAL signal.The principle of how to produce the comb spectrum signal is expounded using the SRD.On this basis,the method of how to produce the PCAL signal is put forward.What needs to be paid attention to when producing the PCAL signal is summed up in combination with the practical project.The PCAL signal generated by using this method has been applied to practical engineering.According to the instrumental group-delay acquired from the correlation of the PCAL signal,the measurement error can be minimized and the measurement result can be well revised.

Key wordsVLBI observation；PCAL signal；SRD；comb-spectrum

作者簡介

收稿日期：2015-03-13

中圖分類號V556

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2015)06-0032-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.09

引用格式：檀祝根，翟寧，陳永強.PCAL信號的產生原理及實現[J].無線電工程，2015，45(6)：32-34,98.