CN101251594A - 双向测距与时间比对处理终端 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双向测距与时间比对处理终端，其特征在于：该处理终端具体包括：频率基准；射频前端，包含：噪声源、频率综合、发射通道、接收通道；中频信号处理机；机箱；显控系统；电源配电器；及LAN转接模块；整个处理终端的配置为标准机柜紧固的4U机箱后背板接头互联结构；所述的频率基准、发射通道、接收通道、中频信号处理机和电源配电器安装在标准的4U的机箱内，显控系统计划配置外置笔记本和显控软件实现，通过LAN转接模块与外界交互。整个处理终端设备简单、集成度高；将通信、测距、时间比对在统一信道内完成，节省频带资源；采用伪码测距体制，测距精度高；具备在发射通道模拟动态和时延功能，用以定量检测接收终端性能。

Description

双向测距与时间比对处理终端

(一)技术领域：

本发明涉及一种双向测距与时间比对处理终端，属于航天测控通信技术领域。

(二)背景技术：

基于扩频技术的航天测控通信系统的核心是将伪码扩频、伪码测距、码分多址等数字通信技术引入到测控系统中，实现对卫星的遥测、遥控、测距、测速、跟踪、测角、数传等功能，完成测控任务，靠码分多址实现多目标测控通信。

无线电测距原理是测量无线电波的传输时延。首先发射无线电波，然后测量返回信号相对于发射信号的时延τ，从而计算出目标距离R。R与τ的关系为：R＝τc/2，其中，c为无线电传播速度(光速)。因此，测距就是测传播时延τ。

伪码测距是根据伪码可复制且其自相关函数为冲击函数这一特点，来测定电波传播时延τ的。接收机在本机产生与发射信号相同的测距伪码，不断改变其相位，与带有噪声的接收信号进行相关计算，当相关函数出现尖锐的相关峰时，本地伪码就可完全替代接收信号，此时测量收发测距伪码之间的时延，就是电波传播时延τ。

相关的关键技术如下：

测距模式(方法)：收发端的时钟存在时间和频率差，必须首先获得和(或)消除这一误差，才能得到正确的电波传播时延τ。通过采取选择不同的时差/频差处理方法，可以得到基于扩频技术的不同测距模式(方法)，并显示出各自的优缺点。

扩频信号的同步和电波传播时延的测定：接收机需要在本机产生与发射信号相同的本地载波和本地伪码，并进一步从本地复现伪码的相位值中提取时延信息。可以利用锁频环、科斯塔斯环、延迟锁定环等方法实现扩频信号的同步。接收机在本地历元时刻采样本地复现伪码的码相位值，可以得到本机接收信号时刻相对于对方信号发射时刻的伪时延值，进一步处理后得到真正的传播时延。

测距精度误差及其测试：测量设备钟差及其变化、测量设备距离变化、测量设备固有的电波传播和信号处理时延、天线相位中心误差、以及接收机热噪声和动态应力等因素都会给最终的距离测量精度带来误差，在这些误差因素中，前4项属于系统误差，后一项属于随机误差。由于误差因素较多，很难一一分析，对于各种误差因素给距离测量带来的总误差的评估，可以利用相应的方法和检定设备进行测试，以确定该测量设备的测距精度等指标。

与本发明相关的现有技术：

1、基于扩频技术的相干测距模式

如图1所示，在相干测距模式下，由测量设备A实现双程距离测量。在设备A和设备B的信号正常同步的情况下，在某一时刻，设备A产生测距伪码，调制到载波f1向设备B发射的同时，锁存该测距伪码的初始相位值；该时刻所发射的测距伪码由设备B接收，并在本地生成同步于接收信号的测距伪码，调制到载波f2后转发；设备A对由设备B发来的测距伪码进行跟踪复现，并将复现伪码的相位与锁存的发射伪码初始相位进行比较，根据二者的相位差获得电波传播时延。这里设备B的接收伪码与转发伪码相参，二者的码钟频率同步变化，即相干测距模式。

这种基于扩频技术的相干测距模式的缺点如下：

(1)由于采用相干测距，两条链路的信号相关，当从设备A到设备B的链路信号不稳定时，会引起另一条链路的失锁，从而无法正常测距，并且调制在测距伪码上的遥测、遥控等数据信息也无法正常传送。

(2)这一方法最初只能在设备A这一端获得测距结果，只有通过采用附加信息帧或在已有信息帧中添加额外信息的方法将测距结果传送到设备B，才能实现测距结果的共享。

(3)这一方法要求两条链路的测距码速率、调制方式等参数保持一致，否则两条链路间的时间同步较难实现。在数据速率不对称的双向测控链路中，这给系统设计带来了很大的不便。

(4)当电波传播媒介不均匀，或当电波通过电离层时，该方法中两条链路的电波传播时延同向变化，无法对消其带来的时延测量误差。

2、传统的测距精度误差检定方法

如图2或图3所示，检定某一系统的测距精度误差时，传统的方法是将测量设备A和测量设备B装载在实际的载体上，或者将二者通过信道模拟器相连，用来模拟两台测量设备间的信噪比变化、初始距离差和相对运动等情况；并将实际载体或信道模拟器的模拟值和设备A的测距结果连到数据记录设备，对各次测距结果进行统计处理，以对系统的动态性能和测距精度等指标进行检定。

这种传统的测距精度误差检定方法的缺点是：

(1)各设备相互独立，系统复杂，集成度低。

(2)测距精度误差的检定精度受限于对实际载体运动情况的模拟精度，或者信道模拟器的信号时延模拟精度，误差检定精度一般不高。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种双向测距与时间比对处理终端，以解决上述现有技术中的不足。

为有利于理解本发明，先将相关的原理阐述如下：

双向单程伪距测量(Dual One-way Ranging，DOWR)是现代航天测控中广泛应用的一种测距-时间比对方法，在这种方法中，两个小卫星(卫星A和卫星B)各自安装发射机和接收机，通过伪码和载波相位测量，两个小卫星各自得到相对伪距，通过双向测量消除钟差，实现星间测距、时间同步和数据交互。

双向单程伪距测量原理如4所示。

在图4中，终端A和终端B分别以自身时钟为基准发射前向测距信号和反向测距信号，由于双方时间不一致，双方发送的测距信号帧同步之间存在钟差Δt。在终端A，通过捕获跟踪反向测距信号可以得到前向测距信号帧同步与反向测距信号帧同步之间的时延T₁，该时延除了包括终端B与终端A天线间的电磁波传播时延τ外，还包括终端B的发射设备时延t₂、终端A的接收设备时延r₁和终端B与终端A间的钟差Δt，其关系为

T₁＝t₂+τ+r₁+Δt(3.1)

同理，终端B可以测量得到时延T₂，其时间关系：

T₂＝t₁+τ+r₂-Δt(3.2)

由以上两式即可得到终端A和终端B间的真实距离和钟差

$D=\frac{1}{2}\·[(T_1+T_2)-(t_1+t_2)-(r_1+r_2)]\·c---\left(3.3\right)$

$\mathrm{\Δt}=\frac{1}{2}\·[(T_1-T_2)-(t_2-t_1)-(r_1-r_2)]---\left(3.4\right)$

设t₁₂＝t₁+r₂，t₂₁＝t₂+r₁，则

$D=\frac{1}{2}\·[(T_1+T_2)-(t_{12}+t_{21})]\·c---\left(3.5\right)$

$\mathrm{\Δt}=\frac{1}{2}\·[(T_1-T_2)+(t_{12}-t_{21})]---\left(3.6\right)$

在工作中，A星和B星的测距-时间比对和数据交换过程完全相同，以A星为例，将A星测量的伪距测量值(实际实现用A星测到的本地时延测量值T₁计算)代入方程(3.1)，同时利用接收到的B星传输帧勤务段内伪距数据(B星发出传输帧头时刻测得的B星本地伪距测量值，实际实现用B星测到的本地时延测量值T₂计算)带入方程(3.2)。方程(3.5)和方程(3.6)分别给出了A星-B星间距离、和钟差的计算公式。

在测量中，T₁和T₂可以分别从终端A和终端B的码跟踪环中提取(通过载波相位平滑伪距技术提高精度)，并嵌入到传输帧勤务段数据区内，通过星-星数据交换链路向对方发送。由于单向传播时延t₁₂和t₂₁可以通过标校得到，从而通过双向单程伪距测量即可得到准确的距离和时间比对测量值。

双向测距与时间比对处理终端的单程伪距测量方法与GPS伪距测量过程相同：终端A的码跟踪环在锁定后输出帧同步、数据位、位计数M，以及整数码相位N和小数码相位R，这样终端A可计算得到本地帧发射帧同步时刻与接收到B发射帧帧同步时刻的时延测量值：

$T_1=M\×0.0002+(N+\frac{R}{2^{32}})/1000\×0.0002\left(s\right)---\left(3.7\right)$

公式(3.7)就是用时延表示的终端A本地伪距计算公式。

强调：此方法计算获得的距离是B星发出传输帧头时刻A星B星之间的距离值，每收到B星发出的帧头就输出一次新的距离值，帧长为0.2s，因此距离计算值输出率为5Hz。

本发明一种双向测距与时间比对处理终端，包括功能和性能指标完全相同的两套终端，两套终端设备各自的射频输入/输出均为140MHz，通过中频(或上/下变频扩展后的射频)有线连接可实现双向信息传输、测距和时差测量等功能。两套终端可直接互联实现自环检测和相互标校，实现两套终端(卫星-卫星间)的微波双向测距-时间比对功能。根据标准化、模块化、可靠性和可测性等设计原则，每一套终端具体包括：

频率基准；

射频前端，包含：噪声源、频率综合、发射通道、接收通道；

中频信号处理机；

机箱；

显控系统；

电源配电器；及

LAN转接模块。

整个处理终端的配置为标准机柜紧固的4U机箱后背板接头互联结构；所述的频率基准、发射通道、接收通道、中频信号处理机和电源配电器安装在标准的4U的机箱内，显控系统计划配置外置笔记本和显控软件实现，通过LAN转接模块与外界交互。

1、频率基准的设计

频率基准子系统置于4U机箱内，独立供电外接220VAC，并通过子系统结构件上的的SMA、BNC、DB9的接头与双向测距与时间比对处理终端主机箱的后面板的SMA、BNC、DB9的接头联接。频率基准提供：

[1]频率基准子系统向主机箱输出1路10MHz基准频率信号；

[2]主机箱对外输出4路10MHz基准频率信号、1路可调1PPS、1路可调1PPM基准脉冲信号、1路相对基准源固定相位的1PPS信号；主机箱提供1PPS、1PPM的外部调整接口。

所述的射频基准系统选择Stanford的HT5502铷原子频率标准作为系统频率基准。

(1)HT5502铷原子频率标准的工作原理：

铷原子频标原理框图见图5，主要由电源单元，铷原子振荡器单元，铷原子振荡器锁定状态及各路输出状态检测电路，N个整形、分配单元，M个整形、放大、匹配单元组成。

铷原子振荡器单元提供秒同步输出、锁定信号输出、10MHz信号输出；当铷原子振荡器锁定信号输出有效时，其输出10MHz信号的准确度、频率稳定度、老化率等指标，满足出厂技术指标；整形、分配单元主要是为整形、放大、匹配单元提供基准信号；整形、放大、匹配单元提供输出信号；铷原子振荡器锁定状态及各路输出状态检测电路，实现实时提供本机的工作状态信息，并可通过两个彼此独立的RS232串口发送工作状态信息。

(2)HT5502铷原子频率标准的功能

铷原子频标提供六路10MHz信号；

铷原子频标提供两路秒脉冲输出；

铷原子频标提供一个RS232串口，用于输出工作状态信息和配置设备参数；

铷原子频标提供一个外同步秒输入端，用于自动校频。

铷原子频标提供锁定信号指示灯、六路10MHz信号的输出状态指示灯、两路1pps信号的输出状态指示灯、同步状态指示灯、电源开关及其指示灯；

铷原子频标提供交流电源工作方式。

2、射频前端的设计方案

射频前端子系统主要由噪声源、频率综合、发射通道、接收通道等四部分组成。

其中，频率综合部分，共需要三个PLL频率合成器，分别产生频率分别为115MHz、155MHz、62MHz的本振信号。主要模块包括：基准频率、鉴频鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、分频器等部分。压控振荡器主路输出为本振源信号输出，副路经过可编程分频器进行分频，然后送到鉴频鉴相器和参考信号进行鉴频鉴相。鉴频鉴相器输出信号经过低通环路滤波器后输出直流控制信号，送到压控振荡器的控制端，控制压控振荡器输出信号的变化。整个频率综合部分为闭环锁相控制系统。在工作中，PLL频率合成器输出PLL锁定状态指示信号，信号电平LVTTL，“1”表示锁定，“0”表示失锁，由中频信号处理机监测工作状态。

其中，噪声源部分，噪声源产生器产生宽带低功率噪声信号，对此信号先进行带通滤波，再进入带自动增益控制的放大器进行放大，然后通过数控衰减器进行幅度步进控制，最后输出满足用户指标要求的噪声信号。

其中，发射通道部分，主要由混频器，BPSK调制器，带通滤波器，带自动增益控制(AGC)放大器、功率合成器、功分器、衰减器等模块组成。中频信号处理机D/A转换器输出反映多普勒偏移的中心频率25MHz的单载波信号，进入混频器，与115MHz本振信号进行混频，产生140MHz载波信号。140MHz载波信号进入带通滤波器和带自动增益控制的放大器，然后经过功分器分成两路，一路直接输出频率140MHz、电平3dBm载波信号，一路进入BPSK调制器，对由中频信号处理机输入的基带扩频信号进行直接调制。BPSK调制信号进入带通滤波器和AGC放大器，输出幅度恒定的调制信号。此信号进入功率合成器，与噪声源产生的噪声信号合成，输出一定信噪比的调制信号。然后经过功率分配器分成两路，经衰减器进行幅度衰减后，输出BPSK调制信号，中心频率140MHz，电平-20dBm。

其中，接收通道部分，主要由带通滤波器、带自动增益控制(AGC)放大器、混频器、低通滤波器以及检波器等模块组成。对接收到的信号先进行带通滤波，再进入带自动增益控制的放大器进行放大，然后与155MHz的本振信号进行混频，经过滤波和放大，最后输出中心频率为15MHz的中频信号，输出稳定在0dBm～3dBm。

3、中频信号处理机的设计

中频信号处理机，主要完成数据发送功能/数据接收功能的中频数字信号处理部分和测距-时间比对处理，以及各种时钟频率/时间基准的产生。中频信号处理机是系统的重要组成部分，主要由时钟分配、A/D和D/A变换、接口控制和数字信号处理部分等组成，其中数字信号处理部分采用XILINX公司的大规模FPGA XC4VSX55和TI公司的高性能浮点DSPTMS320C6701实现。

在中频信号处理机，射频前端输出的62MHz时钟其中一路作为FPGA的工作时钟，另一路经过放大、差分后作为A/D转换时钟。15MHz中频输出信号经放大、差分后进入高性能A/D模数转换器AD6645。AD6645转换器输出的数字中频信号经过隔离驱动后进入FPGA进行数字信号处理。

由FPGA和DSP组成的数字信号处理电路主要完成捕获、跟踪、数据解调、双向测距、时间比对和数据调制等数字信号处理工作。中频信号处理机通过RS232接口与LAN接口控制电路实现与远程控制终端间的通信，通过数据交互可实现控制命令和发送原始数据的下传、测量结果和接收原始数据的上传，从而在远程控制终端完成各种控制、显示和误码率测试等工作。

为了模拟多普勒，在远程操作终端，原始数据经LAN接口控制电路下传至中频信号处理机，根据远程操作终端的多普勒模拟控制，中频信号处理机采用载波NCO+D/A和码NCO+D/A的方式同时控制载波和码多普勒频率模拟，其中将包含多普勒的25MHz正弦信号输出至射频前端，通过上变频输出140MHz射频信号，将包含多普勒的5MHz正弦信号经滤波、比较等处理后输出包含多普勒的5MHz码时钟，用于产生发射伪码。根据设计要求，中频信号处理机同时输出各种包含TTL电平和LVDS电平的1PPS和1PPM时钟信号。

为了便于调试，中频信号处理机设置状态显示接口，通过面板显示终端各种状态。

4、机箱的设计

该处理终端采用模块化设计，各功能模块置于4U标准机箱之内，各模块之间通过接插件连接，方便安装和拆卸，机箱内部布局如图7所示。

在机箱内部采用分层放置的方法，电源配电器、噪声源、频率基准子系统和射频前端紧贴机箱底板，同时利用机箱底板进行散热，LAN转接模块和中频信号处理机放置在上层，这样便于安装和调试。

机箱前面板主要安装重要的开关和各种状态指示灯，布局如图8所示。具体包括：电源开关、系统复位开关、内时钟源指示灯、内部噪声源指示灯、载波锁定及伪码锁定指示灯。

机箱后面板主要设置各种接口：140M接口、10M接口、噪声接口、数据接口、秒信号接口、逻辑接口及电源。如图9所示。

5、显控系统的设计

显控系统包括：主机箱内置的显控信息处理电路板、显控计算机及其互联接口、对外接口。通过运行在PC机的控制软件和显示软件，显控计算机实现复杂的人机交互控制、数据统计处理、数据存储及误码率测试等功能；响应用户要求给出各种中间数据结果，完成各种数据统计、比较和显示。

主要的接口包括：

[1]主机箱显控信息处理电路板与主机箱内其它功能电路板的数据接口；

[2]显控系统操作平台与主机箱显控信息处理电路板的RS-232/USB1.0数据接口；

[3]显控系统操作平台与外部4096bps数据发送/接收设备的RS-232/USB1.0数据接口；

[4]主机箱显控信息处理电路板与外部4096bps数据发送/接收设备的RS-422数据接口；

[5]显控系统的LAN以太网接口。

根据双向测距与时间比对处理终端研制技术要求，显示控制系统应具有以下功能：

具有数据接口，能够完成信息输入/输出和人机交互控制功能；整机工作状况显示和控制功能；

控制双向测距与时间比对处理终端进行动态信道模拟及参数设定；

测量信息的存储与显示功能；

各种中间过程数据的存储与显示功能；

各种数据的统计、分析等后处理。

为了更好的发挥双向测距与时间比对处理终端的功能，并考虑到操作与携带的方便性，以笔记本电脑作为显控计算机，数据传输接口使用10/100M以太网接口，目的是使得处理终端可以在一定时间内传送更多的测试数据，以便进行数据的统计分析。考虑到系统的扩展，显控计算机预留了可扩展的USB2.0接口。显控计算机使用Windows 2000操作系统，并设计了基于Windows 2000操作系统的文件管理软件、图形显示软件、控制软件和网络协议管理软件。在软件设计方面充分考虑到数据备份的重要性、系统的稳定性、具备死机后自动重启动等多种自我保护功能。

6、电源配电器的设计

电源配电器为主机箱提供配电，外接220VAC市电，配置单块电路板插在主机箱母线背板上。电源配电器为主机箱内四块电路板独立提供二次电源，划分为4个独立的供配电单元，根据各电路板不同对电压种类和品质的要求进行单独设计。在每个供配电单元中包括：变压器、EMI滤波器、AC/DC变换器、输出稳压/滤波、终端电压三端稳压/滤波输出。各供配电单元通过磁珠单点共地，抑制不同电路板的地线之间互扰。

本发明双向测距与时间比对处理终端，其优点及功效在于：

(1)设备简单、集成度高；

(2)将通信、测距、时间比对在统一信道内完成，节省频带资源；

(3)双向测距双发各自都在本地知道测距结果，不需通过采用附加信息帧或在已有信息帧中添加额外信息的方法将测距结果传送到对方设备；

(4)当电波传播媒介不均匀，或当电波通过电离层时，双向测距的两条链路的电波传播时延反向变化，可以对消其带来的时延测量误差；

(5)采用伪码测距体制，测距精度高；

(6)具备在发射通道模拟动态和时延功能，用以定量检测接收终端性能。

(四)附图说明：

图1所示为基于扩频技术的相干测距模式；

图2所示为传统的测距精度误差检定方法1；

图3所示为传统的测距精度误差检定方法2；

图4所示为本发明整体结构图；

图5所示为双向单程伪距测量原理；

图6所示为铷原子频率标准原理框图；

图7所示为机箱内部布局框图；

图8所示为前面板布局示意图；

图9所示为后面板布局示意图；

(五)具体实施方式：

本发明一种双向测距与时间比对处理终端，根据标准化、模块化、可靠性和可测性等设计原则，具体包括(如图6所示)：

频率基准；

射频前端，包含：噪声源、频率综合、发射通道、接收通道；

中频信号处理机；

机箱；

显控系统；及

电源配电器。

整个处理终端的配置为标准机柜紧固的4U机箱后背板接头互联结构；频率基准、发射通道、接收通道、中频信号处理机和电源配电器安装在4U的机箱内，显控系统计划配置外置笔记本和显控软件实现，通过LAN转接模块与外界交互。

1、频率基准的设计

频率基准子系统置在系统的4U机箱内，独立供电外接220VAC，并通过子系统结构件上的SMA、BNC、DB9的接头与双向测距与时间比对处理终端主机箱的后面板的SMA、BNC、DB9的接头联接。频率基准提供：

[1]频率基准子系统向主机箱输出1路10MHz基准频率信号；

[2]主机箱对外输出4路10MHz基准频率信号、1路可调1PPS、1路可调1PPM基准脉冲信号、1路相对基准源固定相位的1PPS信号；主机箱提供1PPS、1PPM的外部调整接口。

所述的射频基准系统选择Stanford的HT5502铷原子频率标准作为系统频率基准。

(1)HT5502铷原子频率标准的工作原理：

铷原子频标原理框图见图6，主要由电源单元，铷原子振荡器单元，铷原子振荡器锁定状态及各路输出状态检测电路，N个整形、分配单元，M个整形、放大、匹配单元组成。

铷原子振荡器单元提供秒同步输出、锁定信号输出、10MHz信号输出；当铷原子振荡器锁定信号输出有效时，其输出10MHz信号的准确度、频率稳定度、老化率等指标，满足出厂技术指标；整形、分配单元主要是为整形、放大、匹配单元提供基准信号；整形、放大、匹配单元提供输出信号；铷原子振荡器锁定状态及各路输出状态检测电路，实现实时提供本机的工作状态信息，并可通过两个彼此独立的RS232串口发送工作状态信息。

(2)HT5502铷原子频率标准的功能

铷原子频标提供六路10MHz信号；

铷原子频标提供两路秒脉冲输出；

铷原子频标提供一个RS232串口，用于输出工作状态信息和配置设备参数；

铷原子频标提供一个外同步秒输入端，用于自动校频。

铷原子频标提供锁定信号指示灯、六路10MHz信号的输出状态指示灯、两路1pps信号的输出状态指示灯、同步状态指示灯、电源开关及其指示灯；

铷原子频标提供交流电源工作方式。

2、射频前端的设计方案

射频前端子系统主要由噪声源、频率综合、发射通道、接收通道等四部分组成。

其中，频率综合部分，共需要三个PLL频率合成器，分别产生频率分别为115MHz、155MHz、62MHz的本振信号。主要模块包括：基准频率、鉴频鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、分频器等部分。压控振荡器主路输出为本振源信号输出，副路经过可编程分频器进行分频，然后送到鉴频鉴相器和参考信号进行鉴频鉴相。鉴频鉴相器输出信号经过环路低通滤波器后输出直流控制信号，送到压控振荡器的控制端，控制压控振荡器输出信号的变化。整个频综系统为闭环锁相控制系统。在工作中，PLI频率合成器输出PLL锁定状态指示信号，信号电平LVTTL，“1”表示锁定，“0”表示失锁，由中频信号处理机监测工作状态。

其中，噪声源部分，噪声源产生器产生宽带低功率噪声信号，对此信号先进行带通滤波，再进入带自动增益控制的放大器进行放大，然后通过数控衰减器进行幅度步进控制，最后输出满足用户指标要求的噪声信号。

其中，发射通道部分，主要由混频器，BPSK调制器，带通滤波器，带AGC放大器、功率合成器、功分器、衰减器等模块组成。中频信号处理机D/A转换器输出反映多普勒偏移的中心频率25MHz的单载波信号，进入混频器，与115MHz本振信号进行混频，产生140MHz载波信号。140MHz载波信号进入带通滤波器和带自动增益控制的放大器，然后经过功分器分成两路，一路直接输出频率140MHz、电平3dBm载波信号，一路进入BPSK调制器，对由中频信号处理机输入的基带扩频信号进行直接调制。BPSK调制信号进入带通滤波器和AGC放大器，输出幅度恒定的调制信号。此信号进入功率合成器，与噪声源产生的噪声信号合成，输出一定信噪比的调制信号。然后经过功率分配器分成两路，经衰减器进行幅度衰减后，输出BPSK调制信号，中心频率140MHz，电平-20dBm。

其中，接收通道部分，主要由带通滤波器、带AGC放大器、混频器、低通滤波器以及检波器等模块组成。对接收到的信号先进行带通滤波，再进入带自动增益控制的放大器进行放大，然后与155MHz的本振信号进行混频，经过滤波和放大，最后输出中心频率为15MHz的中频信号，输出稳定在0dBm～3dBm。

需要进一步说明的是对EMC设计和可靠性设计

整个射频前端系统设计上，需要仔细考虑可靠性、电磁兼容性等方面的设计技术。在设计中应尽可能避免或减少电磁干扰(EMI)的发生，使EMI控制在最小的范围内，从而使系统具有良好的电磁兼容性。

具体措施是：尽可能选择相互干扰小的器件、电路，各器件要降额使用，并进行合理的布局，同时通过接地、屏蔽及滤波等技术予以隔离和抑制。系统中，电源输入端设有电源滤波器，每个部件电源的进出线都经过穿心电容器滤波。本振源、BPSK调制器、功放、滤波器及电源等各个模块之间都有隔墙隔开，以防信号互相干扰，减少辐射泄露。

3、中频信号处理机的设计

中频信号处理机，主要完成数据发送功能/数据接收功能的中频数字信号处理部分和测距-时间比对处理，以及各种时钟频率/时间基准的产生。中频信号处理机是系统的重要组成部分，主要由时钟分配、A/D和D/A变换、接口控制和数字信号处理部分等组成，其中数字信号处理部分采用XILINX公司的大规模FPGA XC4VSX55和TI公司的高性能浮点DSPTMS320C6701实现。

在中频信号处理机，射频前端输出的62MHz时钟其中一路作为FPGA的工作时钟，另一路经过放大、差分后作为A/D转换时钟。15MHz中频输出信号经放大、差分后进入高性能A/D模数转换器AD6645。AD6645转换器输出的数字中频信号经过隔离驱动后进入FPGA进行数字信号处理。

由FPGA和DSP组成的数字信号处理电路主要完成捕获、跟踪、数据解调、双向测距、时间比对和数据调制等数字信号处理工作。中频信号处理机通过RS232接口与LAN接口控制电路实现与远程控制终端间的通信，通过数据交互可实现控制命令和发送原始数据的下传、测量结果和接收原始数据的上传，从而在远程控制终端完成各种控制、显示和误码率测试等工作。

为了模拟多普勒，在远程操作终端，原始数据经LAN接口控制电路下传至中频信号处理机，根据远程操作终端的多普勒模拟控制，中频信号处理机采用载波NCO+D/A和码NCO+D/A的方式同时控制载波和码多普勒频率模拟，其中将包含多普勒的25MHz正弦信号输出至射频前端，通过上变频输出140MHz射频信号，将包含多普勒的5MHz正弦信号经滤波、比较等处理后输出包含多普勒的5MHz码时钟，用于产生发射伪码。根据设计要求，中频信号处理机同时输出各种包含TTL电平和LVDS电平的1PPS和1PPM时钟信号。

为了便于调试，中频信号处理机设置状态显示接口，通过面板显示终端各种状态。

4、机箱的设计

终端采用模块化设计，各功能模块置于4U标准机箱之内，各模块之间通过接插件连接，方便安装和拆卸，机箱内部布局如图7所示。

在机箱内部采用分层放置的方法，电源配电器、噪声源、频率基准子和射频前端紧贴机箱底板，同时利用机箱底板进行散热，LAN转接模块和中频信号处理机放置在上层，这样便于安装和调试。

机箱前面板主要安装重要的开关和各种状态指示灯，布局如图8所示。具体包括：电源开关、系统复位开关、内时钟源指示灯、内部噪声源指示灯、载波锁定及伪码锁定指示灯。

机箱后面板主要设置各种接口：140M接口、10M接口、噪声接口、数据接口、秒信号接口、逻辑接口及电源。如图9所示。

5、显控系统的设计

显控系统包括：主机箱内置的显控信息处理电路板、显控计算机(笔记本电脑)及其互联接口、对外接口。通过运行在PC机的控制软件和显示软件，主控计算机实现复杂的人机交互控制、数据统计处理、数据存储及误码率测试等功能；响应用户要求给出各种中间数据结果，完成各种数据统计、比较和显示。

主要的接口包括：

[1]主机箱显控电路板与主机箱内其它功能电路板的数据接口；

[2]显控系统操作平台与主机箱显控电路板的RS-232/USB1.0数据接口；

[3]显控系统操作平台与外部4096bps数据发送/接收设备的RS-232/USB1.0数据接口；

[4]主机箱显控电路板与外部4096bps数据发送/接收设备的RS-422数据接口；

[5]显控系统的LAN以太网接口。

根据双向测距与时间比对处理终端研制技术要求，显示控制系统应具有以下功能：

具有数据接口，能够完成信息输入/输出和人机交互控制功能；整机工作状况显示和控制功能；

控制双向测距与时间比对处理终端进行动态信道模拟及参数设定；

测量信息的存储与显示功能；

各种中间过程数据的存储与显示功能；

各种数据的统计、分析等后处理。

为了更好的发挥双向测距与时间比对处理终端的功能，并考虑到操作与携带的方便性，以笔记本电脑作为显控计算机，数据传输接口使用10/100M以太网接口，目的是使得处理终端可以在一定时间内传送更多的测试数据，以便进行数据的统计分析。考虑到系统的扩展，显控计算机预留了可扩展的USB2.0接口。显控计算机使用Windows 2000操作系统，并设计了基于Windows 2000操作系统的文件管理软件、图形显示软件、控制软件和网络协议管理软件。在软件设计方面充分考虑到数据备份的重要性、系统的稳定性、具备死机后自动重启动等多种自我保护功能。

6、电源配电器的设计

双向测距与时间比对处理终端的电源配电器为主机箱提供配电，外接220VAC市电，配置单块电路板插在主机箱母线背板上。电源配电器为主机箱内四块电路板独立提供二次电源，划分为4个独立的供配电单元，根据各电路板不同对电压种类和品质的要求进行单独设计。在每个供配电单元中包括：变压器、EMI滤波器、AC/DC变换器、输出稳压/滤波、终端电压三端稳压/滤波输出。各供配电单元通过磁珠单点共地，抑制不同电路板的地线之间互扰。

Claims (8)

1. 一种双向测距与时间比对处理终端，其特征在于：其包括功能和性能指标完全相同的两套终端，两套终端设备各自的射频输入/输出均为140MHz，通过中频或上/下变频扩展后的射频有线连接实现双向信息传输、测距和时差测量等功能；两套终端可直接互联实现自环检测和相互标校，实现两套终端的微波双向测距-时间比对功能；

所述的每一套终端具体包括：

频率基准；

射频前端，包含：噪声源、频率综合、发射通道、接收通道；

中频信号处理机；

机箱；

显控系统；

电源配电器；及

LAN转接模块；

整个处理终端的配置为标准机柜紧固的4U机箱后背板接头互联结构；所述的频率基准、发射通道、接收通道、中频信号处理机和电源配电器安装在标准的4U的机箱内，显控系统计划配置外置笔记本和显控软件实现，通过LAN转接模块与外界交互；

所述的频率基准置于4U机箱内，独立供电外接220VAC，并通过子系统结构件上的SMA、BNC、DB9的接头与双向测距与时间比对处理终端主机箱的后面板的SMA、BNC、DB9的接头联接；

所述的射频前端子系统主要由噪声源、频率综合、发射通道、接收通道等四部分组成；所述的频率综合部分，共需要三个PLL频率合成器，分别产生频率分别为115MHz、155MHz、62MHz的本振信号；所述的噪声源产生器产生宽带低功率噪声信号，对此信号先进行带通滤波，再进入带自动增益控制的放大器进行放大，然后通过数控衰减器进行幅度步进控制，最后输出满足用户指标要求的噪声信号；所述的发射通道部分，主要由混频器，BPSK调制器，带通滤波器，带自动增益控制放大器、功率合成器、功分器、衰减器等模块组成；所述的接收通道部分，主要由带通滤波器、带自动增益控制放大器、混频器、低通滤波器以及检波器等模块组成；

所述的中频信号处理机，主要由时钟分配、A/D和D/A变换、接口控制和数字信号处理部分组成；主要完成数据发送功能/数据接收功能的中频数字信号处理部分和测距-时间比对处理，以及各种时钟频率/时间基准的产生；

所述的机箱，在其内部采用分层放置的方法，电源配电器、噪声源、频率基准和射频前端紧贴机箱底板，同时利用机箱底板进行散热，LAN转接模块和中频信号处理机放置在上层，这样便于安装和调试；机箱前面板主要安装重要的开关和各种状态指示灯；机箱后面板主要设置各种接口；

所述的显控系统包括：主机箱内置的显控信息处理电路板、显控计算机及其互联接口、对外接口；通过运行在显控计算机的控制软件和显示软件，显控计算机实现复杂的人机交互控制、数据统计处理、数据存储及误码率测试等功能；响应用户要求给出各种中间数据结果，完成各种数据统计、比较和显示；

所述的电源配电器为主机箱提供配电，外接220VAC市电，配置单块电路板插在主机箱母线背板上。

2. 根据权利要求1所述的双向测距与时间比对处理终端，其特征在于：所述的频率综合部分为闭环锁相控制系统，主要模块包括：基准频率、鉴频鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、分频器等部分；压控振荡器主路输出为本振源信号输出，副路经过可编程分频器进行分频，然后送到鉴频鉴相器和参考信号进行鉴频鉴相，鉴频鉴相器输出信号经过低通环路滤波器后输出直流控制信号，送到压控振荡器的控制端，控制压控振荡器输出信号的变化。

3. 根据权利要求1所述的双向测距与时间比对处理终端，其特征在于：所述的数字信号处理部分采用XILINX公司的大规模FPGA XC4VSX55和TI公司的高性能浮点DSPTMS320C6701实现；主要完成捕获、跟踪、数据解调、双向测距、时间比对和数据调制的数字信号处理工作。

4. 根据权利要求1所述的双向测距与时间比对处理终端，其特征在于：所述的机箱前面板的开关和状态指示灯具体包括：电源开关、系统复位开关、内时钟源指示灯、内部噪声源指示灯、载波锁定及伪码锁定指示灯。

5. 根据权利要求1所述的双向测距与时间比对处理终端，其特征在于：所述的机箱后面板主要设置各种接口为140M接口、10M接口、噪声接口、数据接口、秒信号接口、逻辑接口及电源。

6. 根据权利要求1所述的双向测距与时间比对处理终端，其特征在于：所述的显控系统的互联接口、对外接口包括：

主机箱显控信息处理电路板与主机箱内其它功能电路板的数据接口；

显控系统操作平台与主机箱显控信息处理电路板的RS-232/USB1.0数据接口；

显控系统操作平台与外部4096bps数据发送/接收设备的RS-232/USB1.0数据接口；

主机箱显控信息处理电路板与外部4096bps数据发送/接收设备的RS-422数据接口；

显控系统的LAN以太网接口。

7. 根据权利要求1所述的双向测距与时间比对处理终端，其特征在于：所述的电源配电器划分为4个独立的供配电单元，根据各电路板不同对电压种类和品质的要求进行单独设计；各供配电单元通过磁珠单点共地，抑制不同电路板的地线之间互扰。

8. 根据权利要求7所述的双向测距与时间比对处理终端，其特征在于：所述的每个供配电单元中包括：变压器、EMI滤波器、AC/DC变换器、输出稳压/滤波、终端电压三端稳压/滤波输出。

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