卫星群时延特性测量新方案的设计和实现

刘 彬 刘 枫 刘崇华

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

1 引言

群时延特性是卫星转发器特性的一个重要指标[1]。在卫星转发器测试中,群时延测量是一个重要的测试项目。群时延测量方法主要有矢网法、调制法等。矢网法测量变频系统的群时延比较复杂,因此转发器群时延测量常常采用调制法[2]。调制法又分为AM 法和FM 法。FM 法比AM 法具有更好的性能[3-4],FM 法发送一个原始信号和一个此信号的FM 信号,FM 信号经过卫星转发器后,被送入模拟FM 解调器解调,恢复的信号与原始信号进行时间差测量。此方法一般需要研制FM 模拟解调器进行测量。但对于窄带转发器群时延性能的测量,需要窄带模拟解调器,窄带模拟解调器实现难度大,若设备调试不到位,很难满足群时延测试精度的需求,测试结果往往误差较大。

针对原有方法的不足,综合考虑近些年软件无线电思想的提出和应用[5],本文提出了适用于卫星整星综合测试的群时延特性测量方案。本方案对信号进行中频采样、数字解调、计算相位差,进而测量卫星群时延,具备了如下优点:1)通用性强。本方案对信号采样后,直接进行数字信号处理,最大的优点就是参数可调,易于移植,可以满足各型号卫星群时延测试需求。2)成本低廉。相比以往方案,本方案不需要专用的模拟解调器和时间间隔测试设备,所有的相关运算全在通用计算机上完成。3)易于自动化。软件式的运行方式,减少了仪器之间连接和控制,方法也便于集成到通用测试软件中,便于移植和维护。4)测量精度高。数字信号处理消除了模拟解调器和时间间隔测试设备带来的测量误差。模拟解调器可能带来解调信号的畸变;信号的抖动和噪声会使时间间隔测试设备测量的时间间隔存在误差。本测试方法采用全数字化软件解调,理论上只存在热噪声带来的误差。

2 群时延定义

群时延是群信号通过线性系统或线性网络时,信号整体产生的时延[6][7]。其数学表达式为

上式中, φ(ω)为系统的相频特性。群时延即是相频特性的一阶频率负微分。实际测量中,往往认为Δω很小。近似测量群时延, 即τg(ω)≈-在满足信号传输不产生相位失真的条件下,群时延特性应为常数。对于FM 信号,FM 调制信号经过系统的时延即为此群信号的群时延。

3 群时延测量新方案

3.1 测量原理

本方案的实现分为如下几个模块:采样器、数字下变频器、数字滤波器、数字频率估计器、数字相位估计器、数字群时延计算器。原理框图见图1。

图1 方案原理框图Fig.1 Block diagram of the method

各子模块功能如下:

1)采样器:完成对中频FM 调制信号和低频原始信号的采样。两路信号同时采样,进而数字化,采样率和采样深度由外部参数控制。

2)数字下变频器:完成对两路数字信号的下变频。不管是中频FM 调制信号,还是低频原始信号,都不是“零中频”信号,这不便于数字处理。数字下变频器把输入信号搬移到零中频。下变频频率由中频频率和调制频率两个外部输入参数控制。

3)数字滤波器:采样器的带宽一般较宽,较宽的带宽会带来噪声。数字滤波器滤除有用信号带宽之外的噪声,以提高系统信噪比,进而提高测试精度。

4)数字频率估计器:输入信号与本地信号必然存在一定频偏,数字频率估计器估计出这一偏差,并且补偿掉。否则,载波相位随时间变化,无法计算群时延值。设计中,考虑到输入信号与本地信号频偏范围,在数字频率估计器估计频率范围之内。输入参数为采样深度和调制频率。

5)数字相位估计器:由于数字频率估计器已经补偿了频偏,数字相位估计器完成对两个近似直流信号的相位估计。数字相位估计器估计的是一段数据的平均相位,这样可以有效消除噪声,提高相位估计精度。输入参数为采样深度。

6)数字群时延计算器:由数字相位估计器估计的两路信号相位计算群时延值。这里,首先消除了相位估计的2π模糊度,其次采用相位差代替时间差。计算群时延值时需要调制频率,由外部参数输入决定。

以上各个模块采用参数控制,不同卫星群时延测试只需修改相应参数,达到了通用化;同时,运算全部为数字信号处理,消除了模拟解调器和时间间隔测量的不确定性,提高了测试精度。

相位估计、频率估计, 采用传统正交解调方法[8-11],具体见3.2～3.4 节描述。

3.2 调制信号相位估计

调制信号相位估计应先消除频偏,再进行相位估计。原理框图见图2。

图2 相位估计Fig.2 Phase estimation

调制信号经过采样后如下式

式中, Am为调制信号幅度, ωm为调制信号频率, φm,0为调制信号初始相位,T 为采样间隔。

对Smod(kT)进行正交下变频低通滤波后,得到Sm1(kT)。频率估计如下式

式中, Δωm为调制信号频偏值,为其估计值,angle{}表示对复数取相位,L 为一正整数,具体参数值与Δωm、T 相关,N 为采样深度。

按照上式估计, Δωm的范围为一般来说,在保证频偏估计范围的前提下, L越大越好。

3.3 FM 信号数字解调

FM 信号经过采样后,如下式

式中, Ac为信号幅度, ωc为信号角频率, φc,0为信号初相位, βFM为调频指数, ωm为调制信号角频率, φm为调制信号初相位。其功率谱见图3。

图3 FM 信号频谱Fig.3 Spectrum of FM signal

先利用主载波估计出载波频偏和初始相位。消除载波频偏和初始相位后,对第一边频分量进行滤波,得到FM 信号,再估计其频偏和相位。原理框图见图4。

图4 FM 信号数字解调原理框图Fig.4 Block diagram of FM signal digital demodulation

载波频偏Δωc和相位φc,0估计算法、FM 调制信号频偏Δω′m和相位φm估计算法与3.2 节类似。最终可得。(注:为Δωc估计值,为φc,0估计值,为Δω′m估计值, ^φm为φm估计值。)

3.4 群时延计算

根据第2 节群时延定义,可得

4 实验结果

4.1 电缆时延测量

在C 频段对同一批次不同长度的测试电缆时延进行测量,测试框图见图5,被测件为电缆。

图5 时延测试框图Fig.5 Block diagram of delay measurement

信号源同时产生射频FM 调制信号和原始低频信号,射频FM 调制信号经过被测电缆,会有一定时延。射频FM 调制信号下变频至中频后与原始低频信号同时经采样器采样,再由计算机数字信号处理计算出电缆时延。

同时,与利用矢量网络分析仪测得的电缆时延数据进行比较。本实验调制信号频率为400kHz,采样器采样速率为2GHz,采样深度为400k;信号源为Agilent E8257D、下变频器为R&S FSEK30 频谱仪、采样器为Agilent 54833D 示波器、矢量网络分析仪为Agilent E8362B。测试结果如表1。

表1 电缆时延测试结果Table 1 Result of cable delay measurement

由表1 可见,本方案测量值与矢量网络分析仪测试值符合性很好,误差小于1ns,且时延和电缆长度呈线性。

4.2 卫星C 频段转发器群时延测量

本方案在某个卫星上进行了转发器群时延特性测试,测试框图见图5,被测件为某卫星转发器。

本实验调制信号频率为400kHz, 采样器采样速率为2GHz,采样深度为400k;信号源为Agilent E8257D、下变频器为Agilent E4440A 频谱仪、采样器为Agilent 54833D 示波器。表2 是某型号卫星转发器在整星热试验前后测试结果。

由表2 可见,热试验前后两次测量曲线符合性较好,前后测试结果最大相差0.4ns,充分证明了本方案测试精度高,测试重复性强。

表2 转发器群时延测试结果Table 2 Result of satellite transponder group delay measurement

4.3 UHF-UHF 频段模拟卫星转发器群时延测量

本方案在实验室条件下,在UHF-UHF 模拟卫星转发器进行了实验验证。此模拟卫星转发器是为某卫星综合测试开发的,测试框图见图5,被测件为模拟卫星转发器。

本实验调制信号频率为4kHz,采样器采样速率为100M Hz,采样深度为1M ;信号源为Agilent E8257D、下变频器用Agilent E4447A 频谱仪替代、采样器用Agilent 54833D 示波器替代。

表3 UHF-UHF 频段模拟卫星转发器群时延测试结果Table 3 Results of UHF-UHF band satellite transponder simulator group delay measurement

表3 中测试数据是一次带内群时延测量结果。为得到本方法在UHF 频段的测试精度,在中心频点进行60 次独立测量。结果见图6。

由图6 可见,测试误差近似正态分布。统计得到本方案在UHF 频段的测试标准差约为6.3ns,测试误差峰峰值约为30.1ns,完全满足UHF 频段群时延测试要求。

5 结论

图6 测试误差分布图Fig.6 Distribution of measurement error

卫星转发器测试的发展方向之一是测试的自动化和通用化[12]。本方案利用通用的测试设备的功能开发测试软件完成群时延测试方案,具有通用性、自动化、精度高的特点,完全适应卫星转发器测试的发展方向。本方案已经在C 频段和U HF 频段得到了验证,应用效果良好,满足卫星测试需求,具有工程应用意义。

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