CN102590613B - 一种射频信号到达时间差的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射频信号到达时间差的测量方法及装置。本发明的两个接收天线和接收天线分别将信号传送至传输线，信号在传输线中形成驻波。多通道采集点阵从传输线中采集驻波信号，触发同步电路控制多通道采集点阵进行同步采集。多通道采集点阵将采集到的数据传送到计算机进行计算处理。得到一个驻波信号在时间和距离两个方向信号变化情况。触发同步电路根据设定，每次测量向信号采集点阵发出触发信号，信号采集点阵收到触发后进行采集，获得这一时刻驻波在传输线中的电平。周而复始，可以实现对驻波信号的同步连续测量。本发明方法通过对驻波信号的多信道同步采集，给出一种简便的测量信号频率和相位差的方法。通过改变测波节点位置的方法测量相位差，降低了对采集系统硬件的要求，使得相位测量变得简单易行。

Description

一种射频信号到达时间差的测量方法及装置

技术领域

本发明属于测试测量技术领域中的无线电微波测量技术，具体涉及一种射频信号到达时间差的测量方法及装置。

背景技术

在无线电测试测量领域中，最主要的测量参数就是频率，功率和相位。传统的方法对于频率功率测量都比较成熟，而信号的相位由于变化快，受环境影响的因素比较多，往往不易测量。而另一方面，随着现代通信的发展，相位误差影响到整个系统，因此相位测量占据了越来越显得重要。

传统微波测量方法，都必须借助混频器将高频的信号变频道低频进行测量，不仅设备复杂，包括了混频器，本振信号源以及数采模块等设备，而且会引入诸如多个本振之间的相位误差等额外不确定因素，从而增加了测量的难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于信号驻波测量，多信道同步采集的射频信号到达时间差的测量方法及装置。

本发明利用2个天线接收到的信号在传输线内形成驻波，测量驻波的波节长度与位置，从而计算出输入信号的频率与相位差。根据物理学原理，两个同频的无线电波，能够在传输线中形成干涉现象，在某些特定位置，振幅加强(称为波峰或波谷)，在某些特定位置，振幅减弱(称为波节)。波节与波节之间的距离取决于信号电波的频率，而波节在传输线中的绝对位置取决于输入信号的相位差。通过测量传输线每个位置的信号变化，就可以计算出输入信号的频率与相位差。

本发明提出的射频信号到达时间差的测量方法，具体步骤如下：

(1)在传输线上顺序取n个点，相邻的两个点之间的间隔不能完全相同；

(2)接收天线A和接收天线B将信号分别传送至传输线，信号在传输线中形成驻波；

(3)触发同步电路根据预先设定，测量向信号采集点阵发出的触发信号，信号采集点阵收到触发信号后进行采集，当第一个触发信号产生时，n个信号采集点阵同时对传输线上的n个位置的信号幅度进行采集，得到每个位置上的电平，完成一次采集；

(4)触发同步电路再次发出下一次触发信号，信号采集点阵进行第二次采集，得到第二个时刻每个位置上的电平；周而复始，完成对驻波信号的同步连续测量；

(5)采集完成，将信号采集点阵上所有的采样数据汇总到计算机进行频率和相位的计算，从而获得输入天线A和输入天线B的相位差，通过计算判断输入信号的发射方向；

其中：驻波计算频率和相位差的方法如下：

在整个采集过程中，令X_i (i=0,1,2,…,n-1)为传输线中不同采集点所在的位置。对于每个采集点X_i，其在t时刻进行采样获得的信号电平为Y_i(t)，通过计算得到该位置上的振幅A_i；

。

其中：Y_i(t)为传输线上采集到的信号电平， A_i是X_i位置上的振幅，t是采集的时间。

通过将测量得到的A_i和X_i拟合出驻波振幅曲线，得到传输线上任意一点的振幅A(x)。

，

其中：A₁是输入天线A接收到的信号幅度，A₂是输入天线B接收到的信号幅度，λ_g为信号在传输线中的波长，

为信号到达输入天线A和输入天线B的相位差；

驻波振幅曲线上的每一点振幅表明该点的振动情况，振幅大的点就是波峰，振幅小的点就是波谷。通过判断波峰和波谷的相对位置，就可以计算出信号的波长，频率以及到达时间差信息；

以传输线为X轴，并使得X轴的零点满足到达天线A和天线B的信号时间差相等。在理想情况下，X轴零点就是传输线的中点。对于实际情况，可以向天线A和天线B同时输入一个相同的校准信号，传输线中振幅最大点即为传输线的零点。

当输入天线A和输入天线B的信号相位相同时，X轴零点(r)就是一个波峰(波谷)，其左右相邻的两侧，各有一个波节点p，q，满足：

X_r = 0，X_q = - X_p > 0。

当输入天线A和输入天线B的信号相位不同时，上述波峰(波谷)r，波节p和q的位置会发生平移，平移距离(ΔL)为：

ΔL=X_r – 0 = ( X_q + X_p ) / 2。    (1) 

其中，X_q ，X_p分别是波节p和q的位置坐标。

当传输线的长度大于输入信号波长时，根据物理知识，在传输线内部相邻的波节点p，q满足：

λ_g = 2( X_q - X_p )，                    (2)

其中λ_g为输入信号在传输线内波长。

而输入天线A和输入天线B 的相位差(

)和到达时间差(Δt)满足，

                 (3)

。               (4)

其中，λ_g为输入信号在传输线内波长，f 为信号的频率。

根据传输线的性质不同，(1)-(4)的表达方式也略有不同。

本发明中，当传输线为同轴电缆时，传输线内的波长是由信号的频率和光速决定的，满足下面的关系：

，

其中c为光速，ε_r为相对介电常数，所以由(1)-(4)式可得输入信号的波长(λ)，频率(f)，到达输入天线A和输入天线B的相位差(

)和时间差(Δt)分别为：

，            (5)

，           (6)

，        (7)

。            (8)

其中，X_q ，X_p分别是波节p和q的位置坐标，c为光速，ε_r为相对介电常数。

本发明中，当传输线为波导时，根据导行系统中波导波长(λ_g)，截至波长(λ_c)和自由空间波长(λ)之间的关系， 

 。

将其代入(1)-(4)式，可以得到输入信号的波长(λ)，频率(f)，到达输入天线A和输入天线B的相位差(

)和时间差(Δt)分别为： 

，        (9)

 

，       (10)

，               (11)

，            (12)

其中，其中，X_q ，X_p分别是波节p和q的位置坐标，λ_c 为传输线的截止波长，f_c 为传输线的截止频率，ε_r为相对介电常数。

而从上述推导过程中，可以发现并没有对数据采集的速率提出限制，也就是说数据采集的速率和信号频率没有关系，只要能采集到相应的信号就可以了。可以用相对低速的采集设备来采集无线电微波信号的驻波，大大降低系统的复杂性。

本发明提出的射频信号到达时间差的测量装置，由输入天线A1、输入天线B2、传输线3、信号采集点阵4、触发同步电路5和计算机6组成，信号采集点阵4有若干个通道，输入天线A1、输入天线B2分别连接传输线3两端，传输线3将输入天线A1和输入天线B2的信号转化为驻波信号，传输线3上的每个输出端分别连接对应的信号采集点阵4上的各个通道，相应的，触发同步电路5的每个输出端分别连接对应的信号采集点阵4上的各个通道，使每个通道上的信号采集点阵4从传输线3上采集驻波信号，触发同步电路5控制多通道采集点阵4进行同步采集，信号采集点阵4上的各个通道分别连接计算机6，将采集到的数据传送到计算机6进行计算处理。得到一个驻波信号在时间和距离两个方向信号变化情况。

本发明的工作原理如下：

接收天线A1和接收天线B2信号传送至传输线3，信号在传输线中形成驻波。多通道采集点阵4从传输线3中采集驻波信号，触发同步电路5控制多通道采集点阵4进行同步采集。最后，多通道采集点阵4将采集到的数据传送到计算机6进行计算处理。这样就可以得到一个驻波信号在时间和距离两个方向信号变化情况。

运行过程是触发同步电路5根据设定，每次测量向信号采集点阵4发出触发信号，信号采集点阵4收到触发后进行采集，从而获得这一时刻驻波在传输线2中的电平。一次采集完成之后，触发同步电路5再发出下一次触发信号，让信号采集点阵4进行第二次采集，得到第二个时刻的电平。周而复始，可以实现对驻波信号的同步连续测量。将信号采集点阵4的数据汇总到计算机6进行频率和相位的计算，从而获得输入天线A1和输入天线B2的相位差，从而得到信号到达输入天线A1和输入天线B2的时间差，进一步的计算可以判断输入信号的发射方向。

同步触发信号可以由信号采集阵中的某一点作为主设备发出脉冲给其他采集点，也可由外部设备生成一个脉冲序列给所有采集点。前一种方式的好处是可以结合信号的幅度等信息产生合适的触发时间，从而提高采集的效率。后一种方式则降低了设备之间的耦合，简化系统的实现。

综上所述，本发明方法通过对驻波信号的多信道同步采集，给出一种简便的测量信号频率和相位差的方法。通过改变测波节点位置的方法测量相位差，降低了对采集系统硬件的要求，使得相位测量变得简单易行。

附图说明

图1为本发明装置结构图示。

图2为驻波振幅拟合示意图。其中，X_r 是观测到的波峰(波谷)，X_p，X_q是观测到的波节点。传输线的中心位置为0，图中X_r，X_p，X_q均向右平移，说明输入信号到达时间差不为零。通过测量X_p，X_q位置可以计算信号频率和相位差。

图中标号：1为输入天线A，2为输入天线B，3为传输线，4为信号采集点阵，5为触发同步电路，6为计算机。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：

系统中输入天线A(1)和输入天线B(2)选用大泽 ZN30701双脊喇叭天线，传输线(3)选用恒达HD-100WAL200PMA直波导，信号采集点阵(4)采用NI-5752模块及NI PXIe-7965R数字处理模块，提供32通道同步采集，触发同步电路(5)选用NI PXIe-1065机箱，计算机(6)选用NI PXIe-8133嵌入式计算机。将上述各部件按图1所示方式连接，该领域技术人员均能顺利实施。

测量时，具体步骤如下：

<1>在波导上做一跟开槽测量线，并从上面选取n个测量点，按从左向右每个位置分别记为X₀，X₁，X₂，X₃，…，X_n-1。为避免采到相同相位，每两个点之间的间隔不能完全相同。

<2>由背板和数字处理模块产生周期脉冲序列作为触发信号，记为t₁，t₂，t₃，…，t_m，…。

<3>当第一个采样脉冲(t₁)产生时，n个采集通道同时对传输线上的n个位置的信号幅度进行采集，得到每个位置上的电平为Y_i(1)，i=1,2,3,…,n-1。

<4>对第二个采样脉冲(t₂)，第三个采样脉冲(t₃)，…直到最后一个采样脉冲(t_n-1)，重复步骤<3>，得到每个采样时刻的电平分别为Y_i(2)，Y_i(3)，…，Y_i(n-1)。

<5>采集完成，将所有的采样数据汇总，对每个采样点按照时间顺序重新排列，得到每个位置点上的电平分别为Y₀(t)，Y₁(t)，Y₂(t)，…，Y_n-1(t)。

<6>观察每一个位置采集到的信号波形，从而计算出每个位置驻波的振幅A(x_i)，并根据A(x_i)拟合出驻波振幅曲线，得到传输线上的任意一点X的振幅A(x)。

<7>在驻波振幅曲线上找出零点附近的波节点X_p和X_q。

<8>根据使用的传输线不同，将X_p，X_q代入式(9)-(12)，从而求得待测信号的频率，相位差以及到达天线A和天线B的时间差。

根据式(9)-(12)输入信号的波长(λ)，频率(f)，到达输入天线A和输入天线B的相位差()和时间差(Δt)分别为： 

， 

 

，

，

，

其中，X_q ，X_p分别是测量到的波节p和q的位置坐标，λ_c 为传输线的截止波长，f_c 为传输线的截止频率，ε_r为相对介电常数，λ_c，f_c，ε_r是选用波导的固有参数。

和传统的测量信号相位差的方法比较，本发明的方法系统结构简单，避免了本振信号引入的误差，利用驻波在波导中的分布，降低了对采集设备的要求，提高了测试的效率。

Claims (4)

1.一种射频信号到达时间差的测量方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)在传输线上顺序取n个点，相邻的两个点之间的间隔不能完全相同；

(2)输入天线A和输入天线B将信号分别传送至传输线，信号在传输线中形成驻波；

(3)触发同步电路根据预先设定，测量向信号采集点阵发出的触发信号，信号采集点阵收到触发信号后进行采集，当第一个触发信号产生时，n个信号采集点阵同时对传输线上的n个位置的信号幅度进行采集，得到每个位置上的电平，完成一次采集；

(4)触发同步电路再次发出下一次触发信号，信号采集点阵进行第二次采集，得到第二个时刻每个位置上的电平；周而复始，完成对驻波信号的同步连续测量；

(5)采集完成，将信号采集点阵上所有的采样数据汇总到计算机进行频率和相位的计算，从而获得输入天线A和输入天线B的相位差，通过计算判断输入信号的发射方向；

其中：驻波计算频率和相位差的方法如下：

在整个采集过程中，令X_i (i=0,1,2,…,n-1)为传输线中不同采集点所在的位置；

对于每个采集点X_i，其在t时刻进行采样获得的信号电平为Y_i(t)，通过计算得到该位置上的振幅A_i；

 

其中：Y_i(t)为传输线上采集到的信号电平， A_i是X_i位置上的振幅，t是采集的时间；

通过将测量得到的A_i和X_i拟合出驻波振幅曲线，得到传输线上任意一点的振幅A(x)；

，

其中：A₁是输入天线A接收到的信号幅度，A₂是输入天线B接收到的信号幅度，λ_g为信号在传输线中的波长，为信号到达输入天线A和输入天线B的相位差；

驻波振幅曲线上的每一点振幅表明该点的振动情况，振幅大的点就是波峰，振幅小的点就是波谷；通过判断波峰和波谷的相对位置，计算出信号的波长，频率以及到达时间差信息；

以传输线为X轴，并使得X轴的零点满足到达输入天线A和输入天线B的信号时间差相等；向输入天线A和输入天线B同时输入一个相同的校准信号，传输线中振幅最大点即为传输线的零点；

当输入天线A和输入天线B的信号相位相同时，X轴零点就是一个波峰或波谷r，其左右相邻的两侧，各有一个波节点p，q，满足：

X_r = 0，X_q = - X_p > 0；

当输入天线A和输入天线B的信号相位不同时，上述波峰或波谷r，波节p和q的位置会发生平移，平移距离ΔL为：

ΔL=X_r – 0 = ( X_q + X_p ) / 2；  (1) 

其中，X_q ，X_p分别是波节p和q的位置坐标；

当传输线的长度大于输入信号波长时，在传输线内部相邻的波节点p，q满足：

λ_g = 2( X_q - X_p )，         (2)

其中λ_g为输入信号在传输线内波长；

输入天线A和输入天线B 的相位差和到达时间差Δt满足，

         (3)

；        (4)

其中，λ_g为输入信号在传输线内波长，f 为信号的频率。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于当传输线为同轴电缆时，传输线内的波长是由信号的频率和光速决定的，满足下面的关系：

，

其中c为光速，ε_r为相对介电常数，所以由(1)-(4)式可得输入信号的波长λ，频率f，到达输入天线A和输入天线B的相位差

和时间差Δt分别为：

，      (5)

，     (6)

，    (7)

，   (8)

其中，X_q ，X_p分别是波节p和q的位置坐标，c为光速，ε_r为相对介电常数。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于当传输线为波导时，根据导行系统中波导波长λ_g，截至波长λ_c和自由空间波长λ之间的关系，

 ；

将其代入(1)-(4)式，得到输入信号的波长λ，频率f，到达输入天线A和输入天线B的相位差

和时间差Δt分别为： 

，    (9)

 

，   (10)

，       (11)

，      (12)

其中，其中，X_q ，X_p分别是波节p和q的位置坐标，λ_c 为传输线的截止波长，f_c 为传输线的截止频率，ε_r为相对介电常数。

4.一种如权利要求1所述的射频信号到达时间差的测量方法使用的装置，其特征在于所述装置由输入天线A(1)、输入天线B(2)、传输线(3)、信号采集点阵(4)、触发同步电路(5)和计算机(6)组成，信号采集点阵(4)有若干个通道，输入天线A(1)、输入天线B(2)分别连接传输线(3)两端，传输线(3)将输入天线A(1)和输入天线B(2)的信号转化为驻波信号，传输线(3)上的每个输出端分别连接对应的信号采集点阵(4)上的各个通道，相应的，触发同步电路(5)的每个输出端分别连接对应的信号采集点阵(4)上的各个通道，使每个通道上的信号采集点阵(4)从传输线(3)上采集驻波信号，触发同步电路(5)控制多通道采集点阵(4)进行同步采集，信号采集点阵(4)上的各个通道分别连接计算机(6)，将采集到的数据传送到计算机(6)进行计算处理，得到一个驻波信号在时间和距离两个方向信号变化情况。

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