多載波信號時延在線校準系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種無線電計量領域時延參數的計量校準裝置，更具體地說，本發明涉及一種主要應用于北斗衛星導航系統及新一代擴頻測控領域，用于實現對BPSK或QPSK調制多載波信號時延的現場在線校準系統。
【背景技術】
[0002]北斗衛星導航系統和新一代擴頻測控系統通過校準信號傳輸時延差實現定位和測控。信號的傳輸時延主要分為地面設備傳輸時延和空間傳輸時延。地面和空間兩部分傳輸時延的校準目前采用離線校準的方法，在系統投入使用前利用矢量網絡分析儀等通用儀器對信號時延進行校準，這種方法獲得的總時延值不是系統在工作狀態下和工作環境條件下的實際值，會導致較大的測距、定位誤差。北斗系統的逐步完善以及新一代測控系統的逐步優化帶來測距、定位精度的提升，這就需要高精度的時延校準，這種非實時時延校準不能滿足高精度時延校準需求。此外，空間傳輸時時延校準精度必須需考慮電離層誤差效應，前代測控系統和北斗一代使用的線性分層法未能扣除該效應的影響，新一代擴頻測控系統以及北斗二代采用新的信號格式通過算法修正電離層效應引入的誤差，即不再使用單載波信號，而是同時發射兩路(雙頻修正法)或三路(三頻修正法)的不同載波頻率的上行信號。然而這種多載波模式又給系統時延的校準又帶來了新的難題:1、需要同時單獨校準每個載波信號的傳輸時延，按照傳統的，使用具有時延測量功能的通用儀器進行直接校準的方法已無法實現多載波模式下對各個單載波的時延進行校準，因為通用的具備時延測量功能的儀器不具備對多載波波形進行對其中的單載波進行自動識別分離的功能；2、采集同步信號距離多載波信號輸出時延采集測量端很遠，該信號作為時延測量參考信號必須無失真傳輸到采集測量端，現有的一般采用電纜傳輸同步信號的技術會是同步信號的上升時間惡化，對精度產生40%多的影響；3、該多載波信號涉及QPSK調制，現在全包絡檢測技術只適用于相位翻轉全為180°的BPSK調制，而QPSK相位翻轉分為180°和90°兩種，90°翻轉點的包絡雖然也有向下尖峰但不是整個包絡的最低點，最低點為180°處，如果同步參考是在90°翻轉，不能用全包絡檢測尋找最低點來尋找翻轉點。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提出建立一個多載波時延信號在線校準系統，以解決目前基于多載波格式的擴頻測控系統和北斗二代系統多載波時延的實時在線校準，并可解決其它領域中相關多載波擴頻信號的現場校準問題。該發明的任務既是日常的計量檢定和量值傳遞工作的需要，也是系統工程對時延指標測試的共性測量問題的重要保障
本發明的上述目的可以通過下述技術方案予以實現:一種多載波時延信號在線校準系統，包括置于天線中心體內的信號采集裝置、同步信號傳輸裝置、設置在計算機中的多載波信號分離系統和時延測量系統，其特征在于，同步信號傳輸裝置利用基帶秒脈沖信號作為多載波信號采集的脈沖同步信號，將脈沖同步信號功分為同步信號和同步校準信號，并將同步校準信號分成兩條先后切換的傳輸路徑，以實現同步信號傳輸時延的自動校準；同步信號和同步校準信號被傳輸到信號采集裝置接收端，信號采集裝置利用光電轉換元件將被測多載波系統的上行多載波信號、脈沖同步信號轉換成光信號，用光纖傳輸至上述接收端再轉換成回電信號，回電信號通過以太網傳輸送到多載波信號分離系統進行信號分離，將所述回電信號分離成單載波，時延測量系統對被分離出的單載波時延進行在線測量，采用希爾伯特變換對被分離出的單載波調制信號進行解包絡，利用預估的時間窗確定一段只包含同步信號邊沿相位翻轉點的有效包絡，把尋找到的包絡幅度最低點作為載波相位翻轉點，設置測量時間窗來鎖定對應于同步信號的載波信號翻轉點，將獲取保存時間窗上下限值作為后續在線測量時間窗設置的默認值，完成各單載波信號傳輸時延的自動校準。
[0004]本發明相比于現有技術具有如下有益效果:
I)能夠為北斗衛星導航系統和航天測控系統的信號傳輸提供在線實時校準，提升測距、定位的精度。本發明利用基帶秒脈沖信號作為多載波信號采集的同步信號，接口設計兼容應用領域，并將同步信號傳輸接收模塊嵌入設計于采集裝置，體積小易于攜帶，在系統正常工作狀態下完成系統時延的實時在線校準，相比于目前的離線校準方法大幅提升時延校準精度。
[0005]2)能夠實現脈沖同步信號的無失真傳輸及傳輸時延的自動校準。本發明將同步信號由光電轉換元件轉換為光信號，用光纖傳輸，信號采集裝置接收端再轉換回電信號，降低長距離傳輸失真，消除同步信號傳輸帶來的上升時間惡化對時延校準精度影響，同時同步信號傳輸裝置將同步信號功分為同步信號和同步校準信號，同步校準信號具有兩條的傳輸路徑，一條傳輸路徑的長度是另一條傳輸路徑的倍數，通過先后切換傳輸路徑，并測量同步校準信號和同步信號差值，完成同步信號傳輸時延的自動校準。
[0006]3)多載波時延測量準確。本發明提出了不會產生非線性相位失真且分離時延固定可計算的多載波信號分離方法，將多載波分離成單載波，對單載波時延分別測量，解決了目前通用儀器無法多載波格式下對各個單載波的時延進行校準的問題。
[0007]4)QPSK調制信號時延測量可靠。本發明提出了“時間窗+包絡檢測”方法，利用預估的時間窗確定一段只包含同步于同步信號邊沿的相位翻轉點的有效包絡，在此段包絡里尋找到的幅度最低點的即是相位翻轉點，成功解決了針對QPSK調制90度翻轉時，無法利用全包絡檢測技術尋找最低點確定相位翻轉點的難題。
[0008]本發明采用FIR帶通濾波技術和“時間窗+解包絡”相移鍵控調制信號時延測量技術，解決了新一代擴頻測控系統以及北斗二代的多載波模式下系統時延實時校準的難題。
【附圖說明】
[0009]下面結合附圖和實施例對本方法進一步說明。
[0010]圖1本發明多載波時延信號在線校準系統組成示意圖。
[0011]圖2是圖1對信號采集裝置的實施例示意圖。
[0012]圖3是圖1對同步信號傳輸裝置的實施例示意圖。
[0013]圖4是圖1對多載波信號分離系統的實施例示意圖。
[0014]圖5是圖1對時延測量系統的實施例示意圖。
【具體實施方式】
[0015]參閱圖1。在以下描述的一個最佳實施例中，多載波時延信號在線校準系統包括，置于天線中心體內的信號采集裝置、同步信號傳輸裝置、設置在計算機中的多載波信號分離系統和時延測量系統，被測多載波系統多載波信號通過天線饋源前端耦合直接輸出給采集裝置輸入端，將來自基帶的脈沖同步信號通過基于光纖傳輸技術的同步信號傳輸裝置。同步信號傳輸裝置將來自基帶的脈沖同步信號功分為同步信號和同步校準信號，還是將來自上述基帶的脈沖同步信號功分為兩路信號，一路為同步信號，一路為同步校準信號，并將同步校準信號分成兩條先后切換的傳輸路徑，兩路信號經過基于光纖傳輸技術的同步信號傳輸裝置遠距離傳輸到采集裝置輸入端；信號采集裝置將多載波信號、脈沖同步信號進行低失真采集轉換成數字信號，其中多載波信號的數字信號通過以太網傳輸送到多載波信號分離系統進行信號分離，將多載波數字信號分離成單載波。時延測量系統對被分離出的單載波時延進行在線測量。多載波數字信號分離基于無線性相位失真的FIR濾波技術實現。多載波時延信號包含二進制相移鍵控BPSK調制信號和四進制相移鍵控信號QPSK調制信號；時延測量系統時延測量基于“時間窗+解包絡”技術實現對二進制相移鍵控BPSK調制信號和四進制相移鍵控信號QPSK調制信號時延測量。時延測量系統采用“時間窗+解包絡檢測方法”對二進制相移相鍵控BPSK單載波調制信號和四進制相移鍵控QPSK單載波調制信號進行在線時延測量，對被分離出的單載波調制信號采用希爾伯特變換進行解包絡。具體技術實現為，時延測量系統利用相移鍵控調制信號包絡在相位翻轉處出現向下尖峰特性，對載波信號進行解包絡。時延測量系統針對QPSK調制90度翻轉時，利用預估的時間窗確定一段只包含同步于同步信號邊沿的相位翻轉點的有效包絡；在此段包絡里尋找幅度最低點，把在此段包絡里尋找到的幅度最低點作為相位翻轉點。測量幅度最小點距離同步信號上升沿中間位置的時間。設置測量時間窗，鎖定對應于同步信號的載波信號翻轉點，獲取保存時間窗的上下限值，作為后續在線測量時間窗設置的默認值。信號采集裝置、同步信號傳輸裝置、以及設置在計算機中的多載波信號分離系統和時延測量系統的控制信號，通過以太網傳輸；為實現裝置的小型化、便攜性，信號采集裝置和同步信號傳輸裝置通過硬件實現，多載波信號分離系統和時延測量系統完成單載波信號傳輸時延的自動校準，在計算機平臺上以VB軟件實現。
在圖2描述的實施例中，信號采集裝置包括寬帶變頻模塊、3個獨立高速采集通道和對應串聯的3個獨立的存儲器，其中寬帶變頻與高速采集通道I和存儲器I依次串聯，高速采集通道2和存儲器2依次串聯，高速采集通道3和存儲器3依次串聯，存儲器1、存儲器2和存儲器3并聯。寬帶變頻模塊采用無源變頻的直通并聯的下變頻電路，因此寬帶變頻模塊引入的時延值固定可測。寬帶變頻模塊根據多載波信號頻率范圍不同采取兩種處理方式:對多載波信號頻率范圍為3.5GHz?8GHz內的多載波信號下變頻到500MHz?3.5GHz，對頻率范圍內500MHz?3.5GHz的多