基于LabView的BPSK调制器时延测量方法

陈光尧 赵 嫚 陈 炜/ 1. 上海交通大学；. 上海精密计量测试研究所

基于LabView的BPSK调制器时延测量方法

陈光尧1,2赵 嫚2陈 炜2/ 1. 上海交通大学；2. 上海精密计量测试研究所

对于发射装置用BPSK数字基带调制器的时延测量问题，提出利用宽带数字示波器作为高速数采捕获信号波形、软件解调并计算插入时延的测量方法。论述传输系统中时延的定义，集成了一套实验室级的BPSK调制器时延测量装置。

时延；调制解调；测量

0 引言

设备时延是指信号经过设备时产生的附加时延，是设备的固有特性。在卫星导航系统中，设备时延是影响定位、授时、时间同步等性能的重要因素之一[1]。目前，卫星导航系统中采用测量设备时延的仪器及方法主要有高速存储示波器法[2,3]、矢量网络分析仪法[2,4,5]两种。这两种方法都可以测量输入输出信号不同频的变频设备的时延，其中矢量网络分析仪法测量原理需要一个与被测变频设备相对应的标准混频器，但对于输出带有调制信号的调制器时延则无能为力。文献[6]指出宽带示波器是目前能够测量BPSK调制器调制信号输入端到射频信号输出端时延的唯一方法。

近年来，宽带数字存储示波器得到不断发展，最高带宽可达40 GHz以上，利用高速存储示波器测量BPSK调制器的设备时延成为可能。对于一个理想的BPSK调制信号，从理论上说，正弦波应该在调制信号变化时刻发生相位变化，在调制前和调制后正弦波是等幅的。在用宽带数字存储示波器实际测试过程中，信号并不是一个理想波形，而是出现一个幅度最小点，这是由于调制时刻信号频带最宽，由滤波器的有限带宽引起的能量衰减最大，出现幅度最小点（即包络零点）[7]。通常的做法是直接使用示波器测量基带信号边沿和相位翻转点的时间差。这种方法的问题在于，相位翻转点不容易定位，存在人为误差，测量准确度差。可利用软件无线电的技术，将宽带数字存储示波器视作高速数据采集器，把采集到的信号传送给计算机，经过相干解调还原基带信号，并获取过零点，从而准确定位信号的相位翻转点，提高时延测量的测量准确度。

1 测量原理

当信号通过某一传输系统或某网络时，其输出信号相对于输入信号会产生滞后时间，即为时延。假设系统或网络的时延是非色散的，那么系统的时延为一常数。然而几乎所有的信号传输（真空除外）都是色散的，其时延不是常数，它随信号频率变化，这种特性是时延与信号频率的系统的时延特性。实际情况下，传输信号并不是一个单一频率成分的信号，而是一个频率成分复杂的群信号，对于群信号通过线性系统或线性网络传播时，系统或网络对信号整体产生的时间延迟称为群时延或群延迟（Group delay）。

群时延(τg)是相位移φ(ω)的变化与信号角频率ω变化的比值，表达式为

由于BPSK信号实质是一种载波抑制的双边带调幅信号，信号的包络频率即为调制频率。根据包络不失真条件，当信号在传输过程中，包络频率远小于信号频率时，其包络没有失真，或其失真的程度可以忽略时，此时信号的包络时延（τe）等于信号的群时延。

采用相干解调的方法，信号与载波相乘,然后通过低通滤波器或进行积分可以滤除高频分量，即可得到基带信号。BPSK解调原理如图1所示。

图1 BPSK解调原理框图

经过解调后的信号为保留了已调信号时延信息的基带信号，基带信号与参考信号的过零点进行比较，得到两路信号时延差。但是由于解调过程中需要使用低通滤波器还原基带信号，选择常用的数字滤波器无论是FIR滤波器还是IIR滤波器都会对信号产生时延。如果不对滤波器的时延进行修正，就会对最终的调制器时延测量结果产生影响。可利用LabView软件中的零相位滤波器程序Zero Phase Filter.vi实现滤波器的零时延。

零相位滤波器的原理是利用两次时域翻转来实现的。信号经过第一次滤波后，做时域翻转再通过同一个滤波器，然后再做一次时域翻转，所得输出信号与输入信号有着相同的相位，即零相位滤波。零相位滤波器原理如图2所示。

图2 零相位滤波器原理[8]

时域翻转是将一个信号序列按时间顺序翻转成另一个信号序列。设信号为X(z)，经过第一次滤波器H(z)滤波后，做时域翻转得到X(1/z)·H(1/z)，该信号再通过同一个滤波器，然后再做一次时域翻转，所得输出信号为Y(z)，数学表达式为

图2中的输出信号和输入信号有着相同的相位。为实现这一点，需要将第一次滤波后的输出做时间反转后再通过同一个滤波器，然后再做一次时间反转。根据以上原理，利用零相位滤波器子VI可以实现输出信号和输入信号的零时延。

2 测量装置

测量装置由基带信号发生器、频谱分析仪、数字示波器、计算机及分析软件和被测调制器组成。系统中的示波器作为高速数据采集器采集调制信号波形，为了保证采集信号的时延特性不失真，经反复实验，示波器的采样率需要达到被采集信号频率的八至十倍。由于系统选用的高性能数字示波器可达到的最高采样速率25 GHz，可对3 GHz以下射频信号直接进行分析采样，对于3 GHz以上的信号，系统通过频谱分析仪将信号下变频至中频404 MHz输出给示波器，由数字示波器对中频信号进行采样。测量系统如图3所示。

图3 时延测量系统框图

具体测量方法如下：首先，基带信号发生器产生被传输的基带信号，与同步信号一同送入数字示波器，测得初始时延校准值T1。其次，将基带信号通过被测调制器调制为BPSK信号，经过频谱分析仪（载波频率3 GHz以上）与基带信号发生器产生的同步信号共同进入数字示波器，利用数字示波器的高速高精度采集功能将两路信号进行取样，然后将取样数据通过总线送入计算机，利用纯软件方式对调制信号进行解调处理，得到基带数据后与另一路同步信号的相位进行比较，测得此时的插入时延T2。

则被测调制器的插入时延ΔT可以表示为

式中：ΔT— 被测调制器的插入时延；

T1— 测量系统初始时延校准值；

T2— 接入被测调制器后，系统时延测量值；

T3— 混频器的群时延；

T4— 软件解调时延修正系数其中，系统测量的插入时延包含了混频器的群时延和软件解调时延误差，混频器的群时延可以用网络分析仪法测得[9]。软件解调时延修正系数由软件算法进行修正。

测量软件采用LabView软件实现。LabView是当前用于数据采集、信号处理和虚拟仪器开发的一个标准工具，而且是一个基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发工具，可利用它方便快捷地建立自己的虚拟仪器程序而无需复杂的程序代码编写。软件流程如图4所示。

图4 软件流程

3 结语

用数字示波器作为高速数据采集器捕获调制信号波形，经过软件解调后的信号保留了已调信号的时延信息，通过计算两路信号时延差，得到与参考基带信号间的时延关系。将采集到的信号波形送计算机进行软件处理分析计算测量结果，可以测量真实信号传输时的相对时延值，在扣除了混频器的时延后，可以得到被测器件的插入时延值。

[1] Kaplan E D，Christopher J. GPS原理与应用，2版[M]. 寇艳红，译.北京：电子工业出版社，2007.

[2] 尹仲琪，彭静英，黄凯东，等. 时延测量方法的分析与比较[J].电讯技术，2006，6（4）：213-216.

[3] Plumb J, Larson K M, White J, et al. Absolute calibration of a geodetic time transfer system[J]. IEEE Trans Ultrason Ferroelectric Frequency Control, 2005, 52: 1904-1911.

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[5] 任雅芬，徐海燕，梅琳玲. 网络群时延和相位时延的测量[J]. 制导与引信，2002， 23（3）：49-53.

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[7] 钟兴旺，陈豪，李军. BPSK调制器发射时延的一种高精度标定方法[J]. 空间电子技术，2011，4：13-17.

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[9] 陈婷，张国华. BPSK调制器时延测量方法研究[R]. 国防科技会议，2008.

A method of BPSK modulator delay measurement based on LabView

Chen Guangyao1,2，Zhao Man2，Chen Wei2
（1.Shanghai Jiaotong University; 2.Shanghai Precision Metrolog & Test Research Institute）

The basic idea in this paper is to realize delay measuring for the BPSK modulator in satellites’ navigation system. Discuss the definition of transmit system delay. From the practice, a delay measuring system of the BPSK modulator based on software radio is established. In the measuring system, a digital oscilloscope is working as a high speed data collector to capture the modulated signal. By using software demodulation，insert-delay measurement is done under BPSK modulation.

delay; modulation and demodulation; measurement