CN105978643B - 正交相移键控调制器时延测试的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种正交相移键控调制器时延测试的测量方法，给出了满足时延测量要求的正交相移键控调制器输入输出量的关系公式，通过最大似然估计原理建立了时延测量模型，在此基础上给出了基于数字示波器和基带信号发生器组成的时延测试系统及其测量方法，消除了人工判读输入输出信号跳变沿引入的误差分量。当测量主标准器数字示波器以25GS/s采样率进行信号采集时，时延测量结果的不确定度小于100ps。本发明时延测试系统具有测量准确度高，测量方法简便易行，硬件要求相对较低，实时响应速度快等特点，可用于高精度卫星测控和导航定位系统的链路时延标定。

Description

正交相移键控调制器时延测试的测量方法

技术领域

本发明涉及一种调制器时延的测量方法，具体涉及一种正交相移键控调制器时延测试的测量方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，在航天测控、卫星导航、星间无线电测量等诸多领域中，对距离和远程时间差的测量精度越来越高。但由于组成测距系统收发信机的调制器、变频器、功放、低噪放等设备都是非线性相位系统，测距信号经过这些非理想传输信道时会产生群延时波动和相位畸变；同时在实际系统中普遍存在的噪声干扰、多径影响、阻抗失配、温度漂移等不确定误差因素，都将造成测距系统时延零值的波动变化，成为影响测距系统测量准确度的主要误差来源。因此，对测距系统收发信机进行经常性的时延零值测量标校，对于确保系统测距性能具有重要意义。

时延测试一般可分为载波测量法和调制测量法，其中载波测量法通过对被测系统输入输出载波信号相位差进行精确测量，并根据相位差估算信号时延；调制测量法是将载波调制后通过被测器件，在输出端对信号进行解调后通过与参考信号比相来估计时延，但存在最大无模糊距离和测距精度相互矛盾的问题，扩频伪码测距为该问题提供了解决方法，其在测量范围和测量精度方面都较侧音测距体制具有明显优势，但上述方法均无法直接测量一般正交调制器时延。

正交调制器时延定义为输入基带伪码信号跳变沿上升到50%最高均值电平起始到该跳变沿对应的输出射频相位翻转点的时间延迟，但在实际测试过程中还存在以下不确定因素：一是输入基带伪码跳变沿的不确定性，输入基带伪码信号包含I、Q两路波形信号，由于输出射频相位翻转点位置与两路输入信号同时相关，两路输入信号跳变沿的时间同步误差将引入测量误差；二是输出射频相位翻转点的不确定性，为了克服码间串扰，输入基带信号都会进行带限预处理，导致调制器输出射频相位翻转点时刻的调制波形包络幅度最小，从而使得相位翻转点定位困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种正交相移键控调制器时延测试的实现方法，能有效地对正交调制器的时延进行精确测量。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种正交相移键控调制器时延测试的测量方法，所述测量方法主要包括以下步骤：

第一步组建时延测量系统

时延测量系统包括：基带信号发生器、被测正交相移键控调制器、数字示波器、功分器和功分器，所述基带信号发生器的两路信号输出分别接入功分器和功分器，所述功分器和功分器的信号输出端分别通过电缆和电缆与被测正交相移键控调制器的输入端相连，所述数字示波器的信号输出端分别通过电缆、电缆和电缆与功分器、功分器和被测正交相移键控调制器相连；

第二步系统校准

系统校准分为两组：第一组，数字示波器输出方波校准信号输入功分器，把电缆和电缆直接相连，电缆保持不变，使用数字示波器CH1和CH2测量两路信号时延t1；第二组，数字示波器输出方波校准信号输入功分器，把电缆和电缆直接相连，电缆保持不变，使用数字示波器CH1和CH3测量两路信号时延t2；通过调整电缆长度，使得t1和t2远小于被测正交相移键控调制器的时延值，若t1和t2与被测正交相移键控调制器的时延值相当，则通过调整电缆长度使得t1=t2，并把t1或t2作为系统误差记录，最后对测量结果进行修正；

第三步测量信号采集

首先使用基带信号发生器生成IQ基带信号，通过功分器和功分器分别送入被测正交相移键控调制器和数字示波器，使用数字示波器分别测量并记录IQ基带波形和调制输出波形，其中CH1记录调制输出波形，CH2记录输入I路基带波形，CH3记录输入Q波I路基带波形；

第四步测量数据处理

设CH1记录波形数据为，使用希尔伯特变换函数hilbert计算调制输出信号的解析信号

使用模值函数计算调制输出信号的包络波形序列

设CH2记录波形数据为，CH3记录波形数据为，则调制输入复信号的模值波形序列

对序列和进行归一化处理，使用相关函数xcorr计算序列和的相关性

取相关计算数组序列最大值时对应下标为，数字示波器（3）波形数据记录长度为N，采样间隔为，根据公式计算正交相移键控调制器时延。

优选地，若步骤二的系统校准存在系统误差，则通过公式t1进行系统误差修正。

优选地，为了使得测量结果满足时延测量准确度要求，应根据被测正交相移键控调制器的时延指标优化基带信号发生器和数字示波器参数设置，具体设置如下：

(1)数字示波器时基刻度，

(2)基带信号发生器的码元速率，

其中：为数字示波器的采样间隔，N为数字示波器的采样长度N。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明时延测试系统具有测量准确度高，测量方法简便易行，硬件要求相对较低，实时响应速度快等特点，可用于高精度卫星测控和导航定位系统的链路时延标定。

附图说明

图1典型正交相移键控调制器时延测试原理图。

图2本发明的实施例中一种正交相移键控调制器时延测试系统结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1，2所示，本实施例中的一种正交相移键控调制器时延测试的测量方法，在进行测量前先要对调制器时延建立测量模型，然后进行调制器时延的测量

正交相移键控调制器时延测量模型，包含以下步骤：

步骤1：根据工作原理确定输入量与输出量

正交相移键控调制器工作原理如图1通带调制部分所示，根据其输入输出关系，定义输入量I、Q基带信号分别为和,输出量调制信号的包络波形。

步骤2：根据具体物理关系列写基本方程式

为便于计算，可令调制输入I、Q信号的复数表示形式为

(1)

调制正交载波信号的复数表示形式为

(2)

由正交调制器工作原理得输出调制信号为

(3)

根据通信系统包络检测原理，调制信号的包络波形可表示为

(4)

其中为输出调制信号的希尔伯特变换。

步骤3：消去中间变量

对于一个物理可实现的系统，由于因果性的制约，其系统函数的实部和虚部互为一对希尔伯特变换，因此调制器输出信号的希尔伯特变换可进一步表示为

(5)

把(3)式(5)式代入(4)式可知

= (6)

由于上式(2)中载波信号幅度默认为1，设实际幅度为A，则上式(6)修正为

(7)

由上式(7)可知，对于正交调制器，其调制输出信号的包络波形与输入I、Q信号幅度的平方根值在波形上保持一致，幅度相差A倍。

步骤4：获得测量模型

下面依据公式(7)信号输入输出关系，分析基于最大似然估计的调制器时延测量模型，为便于推导，不妨令

(8)

设输入I、Q信号经过调制器时引入时延，则由公式(7)输出波形包络可表示为

(9)

式中，为高斯白噪声，T为观测周期长度。实际测试时以恒定间隔对输入输出量进行抽样测量，当抽样间隔足够小时(满足奈奎斯特采样定理)，可得到离散数据模型如下式

(10)

其中N为观测周期T内数据采样数，因此，根据最大似然估计原理调制器时延的测量模型可描述如下：通过N次独立观测，其中，求时延参数的最大似然估计。

由于，则序列的概率密度函数为

(11)

则似然函数可表示为

上式两边取对数得对数-似然函数

(12)

为使上式(12)最大，等价于使下式最小

(13)

当N足够大时，上式(13)等式右边第一项和第三项大小主要N的大小决定，当N恒定时，上述两项亦将趋于恒定，与因此，为使式(13)最小，则应使其第二项最大，如下式所示。

(14)

因此，基于最大似然估计的调制器时延估计求解过程如下，改变，当输出信号序列与输入信号的相关值最大时，取值即为最大似然估计的解，此时调制器时延的测量模型可用下式表示。

(15)

根据上述测量模型，可以进行以下的测量，具体包括：

步骤1：使用数字示波器采集调制器IQ输入信号和调制输出信号。

步骤2：根据上式(8)计算IQ输入复信号的模值波形序列。

步骤3：对调制器输出信号进行希尔伯特变换，并根据上式(4)求得输出信号的包络波形序列。

步骤4：计算和的相关性。

步骤5：取最大相关时延迟步进代入上式(15)计算调制器时延量。

本发明涉及的一种正交相移键控调制器时延测试的测量方法，是基于上述测量模型进行的，主要包括以下步骤：

第一步组建时延测量系统

本方法是基于最大似然估计的方法，时延测量系统包括：基带信号发生器1、被测正交相移键控调制器2、数字示波器3、功分器4和功分器5、电缆6、电缆7、电缆8、电缆9、电缆10，所述基带信号发生器1的两路信号输出分别接入功分器4和功分器5，所述功分器4和功分器5的信号输出端分别通过电缆6和电缆8与被测正交相移键控调制器2的输入端相连，所述数字示波器3的信号输出端分别通过电缆7、电缆9和电缆10与功分器4、功分器5和被测正交相移键控调制器2相连，具体连接见图2所示。

第二步系统校准

系统校准分为两组：第一组，数字示波器3输出方波校准信号输入功分器4，把电缆6和电缆10直接相连，电缆7保持不变，使用数字示波器CH1和CH2测量两路信号时延t1；第二组，数字示波器3输出方波校准信号输入功分器5，把电缆8和电缆10直接相连，电缆9保持不变，使用数字示波器CH1和CH3测量两路信号时延t2；通过调整电缆长度，使得t1和t2远小于被测正交相移键控调制器2的时延值，若t1和t2与被测正交相移键控调制器2的时延值相当，则通过调整电缆长度使得t1=t2，并把t1或t2作为系统误差记录，最后对测量结果进行修正。

第三步测量信号采集

首先使用基带信号发生器1生成IQ基带信号，通过功分器4和功分器5分别送入被测正交相移键控调制器2和数字示波器3，使用数字示波器3分别测量并记录IQ基带波形和调制输出波形，其中CH1记录调制输出波形，CH2记录输入I路基带波形，CH3记录输入Q波I路基带波形。由于测量信号均为非周期信号，示波器无法稳定触发，若基带信号发生器选择美国Keysight公司相关产品，可以使用其波形标记功能在基带信号序列的特定位置产生一个事件触发，为数字示波器3提供稳定外触发信号，实现测量波形的重复采集，否则使用数字示波器3选择单次触发测量采集。

第四步测量数据处理

测量数据处理主要使用Matlab软件相应函数计算实现，设CH1记录波形数据为，使用希尔伯特变换函数hilbert计算调制输出信号的解析信号

使用模值函数计算调制输出信号的包络波形序列

设CH2记录波形数据为，CH3记录波形数据为，则调制输入复信号的模值波形序列

对序列和进行归一化处理，使用相关函数xcorr计算序列和的相关性

取相关计算数组序列最大值时对应下标为，数字示波器3波形数据记录长度为N，采样间隔为，计算正交相移键控调制器时延

若第二步系统校准存在系统误差，则进行系统误差修正如下

t1

第五步测量准确度的控制和评价

为了使得测量结果满足时延测量准确度要求，应根据被测调制器2的时延指标优化基带信号发生器1和数字示波器3参数设置。假设被测调制器2时延指标约为1ns，数字示波器3采样间隔为(采样率25GS/s)，数字示波器3采样长度N为2500点，记录基带信号发生器1共10个比特长度的码元波形，则测试装置参数设置如下：

(1)数字示波器3时基刻度，

(2)基带信号发生器1的码元速率100MBps。

以Tektronix公司DPO7104C数字示波器为例，测量结果不确定度评定如下。

由以上分析可知，影响时延测量结果准确度的因素主要来自两个发明，一是时延测量分辨率对测量结果的影响，主要通过减小数字示波器3的采样间隔降低此项不确定度分量；二是时延测量重复性的影响，上述分析是在单次测量条件下的影响分量，通过增加测量次数可有效降低该项不确定度分量影响，同时通过增加数字示波器3的采样记录长度亦能明显提高时延测量结果的重复性，其原因是较长的波形记录有利于相关计算结果峰值的稳定性，可以降低基带信号发生器1的码元速率。

综上所述，当数字示波器3以25GS/s采样率进行测量信号采集时，本发明所述正交相移键控调制器时延测试系统的测量结果不确定度小于100ps，且通过提高信号采样率和增加测量次数可进一步降低测量结果的不确定度。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种正交相移键控调制器时延测试的测量方法，其特征在于所述测量方法主要包括以下步骤：

第一步组建时延测量系统

时延测量系统包括：基带信号发生器1、被测正交相移键控调制器2、数字示波器3、功分器4和功分器5，所述基带信号发生器1的两路信号输出分别接入功分器4和功分器5，所述功分器4和功分器5的信号输出端分别通过电缆6和电缆8与被测正交相移键控调制器2的输入端相连，所述数字示波器3的信号输出端分别通过电缆7、电缆9和电缆10与功分器4、功分器5和被测正交相移键控调制器2相连；

第二步系统校准

系统校准分为两组：第一组，数字示波器3输出方波校准信号输入功分器4，把电缆6和电缆10直接相连，电缆7保持不变，使用数字示波器CH1和CH2测量两路信号时延t1；第二组，数字示波器3输出方波校准信号输入功分器5，把电缆8和电缆10直接相连，电缆9保持不变，使用数字示波器CH1和CH3测量两路信号时延t2；通过调整电缆长度，使得t1和t2远小于被测正交相移键控调制器2的时延值，若t1和t2与被测正交相移键控调制器2的时延值相当，则通过调整电缆长度使得t1＝t2，并把t1或t2作为系统误差记录，最后对测量结果进行修正；

第三步测量信号采集

首先使用基带信号发生器1生成IQ基带信号，通过功分器4和功分器5分别送入被测正交相移键控调制器2和数字示波器3，使用数字示波器3分别测量并记录IQ基带波形和调制输出波形，其中CH1记录调制输出波形，CH2记录输入I路基带波形，CH3记录输入Q波I路基带波形；

第四步测量数据处理

设CH1记录波形数据为s_m，使用希尔伯特变换函数hilbert计算调制输出信号的解析信号

s＝hilbert(s_m)

使用模值函数abs计算调制输出信号的包络波形序列

z＝abs(s)

设CH2记录波形数据为x，CH3记录波形数据为y，则调制输入复信号的模值波形序列

r＝sqrt(x²+y²)

对序列z和r进行归一化处理，使用相关函数xcorr计算序列z和r的相关性

c＝xcorr(z，r)

取相关计算数组序列c最大值时对应下标为数字示波器波形数据记录长度为N，采样间隔为Δ，根据公式计算正交相移键控调制器时延。

2.根据权利要求1所述的一种正交相移键控调制器时延测试的测量方法，其特征在于若步骤二的系统校准存在系统误差，则通过公式进行系统误差修正。

3.根据权利要求1或2所述的一种正交相移键控调制器时延测试的测量方法，其特征在于为了使得测量结果满足时延测量准确度要求，应根据被测正交相移键控调制器2的时延指标优化基带信号发生器1和数字示波器3参数设置，具体设置如下：

(1)数字示波器时基刻度

(2)基带信号发生器的码元速率

其中：Δ为数字示波器的采样间隔，N为数字示波器的采样长度N。