CN103117822A - 一种接收机通道群时延测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于接收机通道群时延测量的装置及方法。该装置以卫星授时单元输出的标准秒脉冲1PPS上升沿作为同步。同步包络信号发生器根据待测接收机不同的频段宽度输出不同包络的测试信号。测试信号依次经过接收天线、接收前端、ADC模块后进入时延测量模块。时延测量模块采用自适应噪声门限检测算法，以M点滑动窗口方式计算短时信号能量，并从同步包络信号发生器发射信号时开始计数，到短时信号能量过自适应性噪声门限时停止计数，计数得到的值表征了接收机通道的群时延值。

Description

一种接收机通道群时延测量装置

技术领域

本发明属于接收机技术研究领域，涉及一种用于接收机通道群时延测量的装置。

背景技术

随着科学技术的不断发展，接收机系统在航天测控、雷达、卫星导航、无源定位等诸多领域中应用的越来越广泛。尤其在信号处理技术不断发展，数、模芯片工作频率不断提高的情况下，由接收机通道引入的群时延带来的计算测量误差显得越来越突出。因此，测量接收机通道所产生的群时延值在现代接收机发展的过程中显得尤为重要。

群时延测量技术目前在国内开展的比较多，但大多数是在低频、同频状态下测量相对时延，远远不能满足精度不断提高的要求。在某些特殊需求时，尤其是接收机组合群时延，国内外现有的仪器又没有直接实现的功能。接收机组合群时延包括射频和中频系统的群时延、数字信号处理单元等系统的脉冲传输时延。“一种适用于外场站接收机设备时延的标定方法”[《现代导航》，2012，(4)：255～257]提出了一种适用于外场站接收机设备时延的标定方法，但是此方法需要一台已精确标定零值的接收机，因此在实际操作中有时无法满足此条件；“基于UTC(NTCS)的GPS定时接收机时延测量”[时间频率学报，2009，(32)：18～21]提出了一种基于UTC的GPS定时接收机时延测量方法，但此方法需要精确获取国际授时中心的时间尺度UTC信息，这也给实现带来了一定的困难。

发明内容

本发明设计了一种用于测量接收机通道群时延的装置，该装置在接收机内部能够精确测量得到接收机通道的群时延值。

本发明公开了一种接收机通道群时延测量装置，其特征在于，该装置包括同步包络信号发生器、接收天线、接收前端、模拟数字转换器、群时延测量模块和卫星授时单元；

同步包络信号发生器用于根据待测系统的要求产生并输出相应的信号，再通过天线发射，输出信号的起始时刻由卫星授时单元的标准秒脉冲1PPS的上升沿控制；

接收天线用于接收同步包络信号发生器发射的信号，并进行磁电转化，之后经由馈线电缆将模拟电信号送至接收前端；

接收前端用于对接收的模拟电信号进行滤波与增益可调的放大处理，之后由模拟数字转换器对模拟电信号进行模数转换，将模拟电信号转化为数字电信号，并提供给群时延测量模块；

群时延测量模块用于在卫星授时单元输出的标准秒脉冲1PPS上升沿的同步下，对输入信号计算其短时能量并进行过门限判决，计算得到接收机通道的群时延值。

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种能快速方便测量接收机系统组合群时延的装置。该装置将同步包络信号发生器作为信号源，在卫星授时单元的同步下，可以精确地测量出信号从到达接收天线开始，经由馈线电缆、接收机通道射频模拟器件和数字器件，最终到达接收机内部群时延测量模块之间的组合群时延值。具体而言，本发明有如下特点：

(1)系统复杂性低，操作简单，通用性强，可以随时随地对工作在不同环境的接收机进行通道群时延值测量，实时表征接收机工作性能。

(2)同步包络信号发生器和接收机用卫星授时单元进行同步，严格地保证了两者起始时刻的同步性。

(3)在标准秒脉冲1PPS的触发下，可以每隔1s就计算一次通道时延值，测量快速，实时性强，并且可以同时对接收机多个通道进行群时延值的测量；

本发明与其他测量装置方法比较，有如下特点：

(1)本发明工作状态不受接收机类型的限制，能够应用于单通道接收机或者阵列接收机；

(2)本发明工作状态不受接收机工作频带的限制，能够应用于诸如高频窄带接收机或者低频宽带接收机系统。

说明书附图

图1是接收机通道群时延测量装置示意图；

图2是信号与时延之间的关系图；

图3是发射-接收系统各电路单元的群时延示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的群时延测量装置包括同步包络信号发生器00、接收天线10、接收前端30、模拟数字转换器(ADC)40、群时延测量模块50和卫星授时单元60。

同步包络信号发生器00用于根据待测系统的要求产生相应的信号并进行发射。

同步包络信号发生器00输出信号的起始时刻由卫星授时单元60的标准秒脉冲1PPS的上升沿控制，对于窄带接收机，同步包络信号发生器00输出脉冲调制的单频信号；对于低频宽带接收机，同步包络信号发生器00可以相应输出占空比可调的方波、三角波、锯齿波或其它具有陡峭的上升沿的信号。具有陡峭上升沿的信号通常是指斜率大于45度的信号。

卫星授时单元60用于输出标准秒脉冲1PPS，以实现发射部分与接收部分之间的同步。

接收天线10用于接收同步包络信号发生器00发射的信号，并进行磁电转化，之后经由馈线电缆20将模拟电信号送至接收前端30。

接收前端30用于对接收的模拟电信号进行滤波与增益可调的放大处理，之后由ADC40对模拟电信号进行模数转换，将模拟电信号转化为数字电信号，并提供给群时延测量模块50。

群时延测量模块50在卫星授时单元60输出的标准秒脉冲1PPS上升沿的同步下，对输入信号计算其短时能量并进行过门限判决，从而计算得到接收机通道的群时延值。

利用上述装置进行测量的方法包括下述过程：

同步包络信号发生器00由数字信号发生器001、数字模拟转换器(DAC)002、输出电路003、发射馈线电缆004和发射天线005五部分组成。当该装置开始工作时，数字信号发生器001在卫星授时单元60标准秒脉冲1PPS上升沿的触发下，输出数字电信号，之后通过DAC002进行数模转换，并经过输出电路003的滤波放大处理，然后经由发射馈线电缆004，最后由发射天线005进行发射。

上述发射的信号由接收天线10接收后，依次通过馈线电缆20、增益可调的接收前端30和ADC40后输入到数字处理芯片中的群时延测量模块50。

群时延测量模块50由自适应检测门限计算模块501、信号能量计算和判决模块502和群时延计数模块503组成。

自适应检测门限计算模块501用于实时计算信号检测门限值E_Thres，并将信号检测门限值E_Thres提供给信号能量计算和判决模块502。

设计算周期Δt，计算噪声能量的采样点数为M。每隔Δt重复计算M点噪声能量值E_n，即

其中x_ni为第i个噪声采样点的采样幅值。以当前计算周期的噪声能量值E_n更新前一个计算周期的噪声能量值E_n，并在当前噪声能量值E_n的基础上加上检测信噪比值F(dB)作为信号检测门限值E_Thres，即E_Thres＝E_n+FdB。

计算周期Δt的取值主要依据于接收机系统所处周围环境的背景噪声的稳定度。当周围环境比较稳定时，Δt可以选取的较大；当周围环境复杂多变时，为了实时表征背景噪声的情况，Δt取值要小。一般地，Δt可以取值为1小时；M的取值主要受制于噪声能量值E_n的可信度和具体实时计算的复杂度。M值越小，计算得到的噪声能量值E_n可信度越低，不能很好的表征背景噪声的统计规律，M值越大，系统的计算复杂度与资源消耗量越大，同样不利于系统的正常工作。因此在具体的实现过程中，权衡两者的关系，M可以取值200。信号检测门限值E_Thres是在噪声能量值的基础上加上FdB来实现，F取值太小，会使得信号检测虚警率增加，F取值太大，会使得漏检概率增大，这两种情况均不利于系统的正常工作。一般情况下，F的取值范围要依据接收机检测灵敏度与检测效率而决定，并没有一个固定的值。通常的取值范围为10dB～30dB，本实例取值为20dB。

信号能量计算和判决模块502在卫星授时单元60的标准秒脉冲1PPS上升沿触发下，实时计算信号能量值E_s，并与信号检测门限值E_Thres进行过门限比较，一旦检测到信号则发送指示信号至群时延计数模块503。

本实例采用M点滑动窗口计算信号能量值E_s，用公式表达

其中x_sj表示第j个信号采样点的采用幅值，t表示能量值累加点数，其最大取值等于最大滑动窗口值M。在M点滑动窗口内，E_s每累加一个信号采样值，就将E_s与信号检测门限值E_Thres进行比较。假如在滑动窗口M点之内，出现比较结果E_s＞E_Thres，则表明已经接收到了信号，则给出指示信号送至群时延计数模块503；假如在滑动窗口M点之内未出现E_s＞E_Thres，则令E_s＝0，并重复上述信号能量计算判决的过程直至检测到信号。

群时延计数模块503在卫星授时单元60的标准秒脉冲1PPS上升沿的触发下，开始用系统时钟信号进行脉冲计数，每检测到系统时钟的上升沿，计数器ΔT_All就进行加1操作，即ΔT_All＝ΔT_All+1，单位1表示系统时钟脉冲个数，加1操作在检测到指示信号时停止。此时计数器ΔT_All就表明了从同步包络信号发生器00开始输出信号到时延测量模50接收到信号这两者之间的群时延差。

由附图3可以发现，群时延测量装置测量得到的是总的群时延值ΔT_All＝t₁-t₀，其中t₁表示接收机检测到信号的时刻，t₀表示同步包络信号发生器发射信号的起始时刻，共包括三个部分：发射端群时延ΔT₁＝δ_TDG+δ_TRF+δ_TC、接收端群时延ΔT₂＝δ_RDG+δ_RRF+δ_RC和信号空中传播时延ΔT₃＝L/C。其中δ_TDG和δ_RDG分别为发射端(即同步包络信号发生器00)和接收端(包括接收前端30、ADC40和群时延测量模块50)的数字电路部分引入的群时延值，δ_TRF和δ_RRF分别为发射端和接收端的模拟电路部分引入的群时延值，δ_TC和δ_RC分别为发射端和接收端的馈线电路引入的群时延，L为发射天线与接收天线之间的距离，C为光速。在群时延测量过程中，发射天线与接收天线距离很近，因此由L引入的传播时延ΔT₃可以忽略不计。假设发射端和接收端的模拟电路单元、数字电路单元的电路组成与性能相近，可以近似认为ΔT₁≈ΔT₂。因此，接收机通道时延值ΔT≈ΔT_All/2。

通道群时延值ΔT也可以用接收机多个通道多次测量的均值表示。即：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{1}{\mathrm{NP}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{ij}}$

其中N表示阵列接收机通道数，P表示测量次数，ΔT_ij表示第i通道第j次测量的群时延大小。群时延值在标准秒脉冲1PPS同步下可以每隔1s计算一次，多次测量易于实现。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种接收机通道群时延测量装置，其特征在于，该装置包括同步包络信号发生器、接收天线、接收前端、模拟数字转换器、群时延测量模块和卫星授时单元；

同步包络信号发生器用于根据待测系统的要求产生并输出相应的信号，再通过天线发射，输出信号的起始时刻由卫星授时单元的标准秒脉冲1PPS的上升沿控制；

接收天线用于接收同步包络信号发生器发射的信号，并进行磁电转化，之后经由馈线电缆将模拟电信号送至接收前端；

接收前端用于对接收的模拟电信号进行滤波与增益可调的放大处理，之后由模拟数字转换器对模拟电信号进行模数转换，将模拟电信号转化为数字电信号，并提供给群时延测量模块；

群时延测量模块用于在卫星授时单元输出的标准秒脉冲1PPS上升沿的同步下，对输入信号计算其短时能量并进行过门限判决，计算得到接收机通道的群时延值。

2.根据权利要求1所述的接收机通道群时延测量装置，其特征在于，群时延测量模块包括自适应检测门限计算模块、信号能量计算和判决模块和群时延计数模块；

自适应检测门限计算模块用于实时计算信号检测门限值E_Thres，并将信号检测门限值E_Thres提供给信号能量计算和判决模块；

信号能量计算和判决模块在卫星授时单元的标准秒脉冲1PPS上升沿触发下，实时计算信号能量值E_s，并与信号检测门限值E_Thres进行过门限比较，一旦检测到信号则发送指示信号至群时延计数模块；

群时延计数模块在卫星授时单元的标准秒脉冲1PPS上升沿的触发下，开始用系统时钟信号进行脉冲计数，在检测到指示信号时停止计数，计数器的计数值即为从同步包络信号发生器开始输出信号到群时延测量模接收到信号这两者之间的群时延差。

3.根据权利要求2所述的接收机通道群时延测量装置，其特征在于，设计算周期Δt，计算噪声能量的采样点数为M；信号能量计算和判决模块每隔Δt重复计算M点噪声能量值E_n，即其中x_ni为第i个噪声采样点的采样幅值；以当前计算周期的噪声能量值E_n更新前一个计算周期的噪声能量值E_n，并在当前噪声能量值E_n的基础上加上检测信噪比值F作为信号检测门限值E_Thres。

4.根据权利要求3所述的接收机通道群时延测量装置，其特征在于，信号能量计算和判决模块采用M点滑动窗口计算短信号能量值E_s，用公式表达其中x_sj表示第j个信号采样点的采样幅值，t表示能量值累加点数，其最大取值等于滑动窗口的值M；在M点滑动窗口内，E_s每累加一个信号采样值，就将E_s与信号检测门限值E_Thres进行比较；假如在滑动窗口M点之内，出现比较结果E_s＞E_Thres，则表明已经接收到了信号，则给出指示信号送至群时延计数模块；假如在滑动窗口M点之内未出现E_s＞E_Thres，则令E_s＝0，并重复上述信号能量计算判决的过程直至检测到信号。

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