PCAL信号的产生原理及实现

檀祝根，翟　宁，陈永强

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；

2.中国人民解放军63783部队，新疆 喀什844000)



PCAL信号的产生原理及实现

檀祝根1，翟宁1，陈永强2

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；

2.中国人民解放军63783部队，新疆 喀什844000)

摘要基于甚长基线干涉测量(VLBI)技术进行航天测控时，需要采用带宽合成的方法对测控系统的相位延迟进行校准。介绍了一种相位校准信号(PCAL Signal)，分析了PCAL信号的原型梳状谱信号的时域和频域特性，详细阐述了利用阶跃恢复二极管(SRD)产生梳状谱信号的原理，给出了PCAL信号的设计实现方法，同时结合工程实践提出了在产生PCAL信号时一些需要注意的地方。利用该方法产生的PCAL信号已应用，通过对PCAL信号相关处理得到的相位群时延特性曲线，可以有效地减小观测通道相位不一致性引起的测量误差，对最终测量结果起到了一个很好的修正作用。

关键词VLBI观测；PCAL信号；阶跃恢复二极管；梳状谱

0引言

在深空测控的VLBI[1]系统中，各测站接收设备的相位延迟各不相同，为了得到精确的测量结果，在进行数据相关时需要减小由此引起的测量误差，所以需要对各测站接收设备的相位延迟进行校准，这可以通过信号走过两测站接收设备的相位差实现。由于需要观测的信号带宽很宽，单个频率的信号测得的相位差存在整周模糊，需要观测合理分布的多通道的多测量值来解模糊，这一方法称为带宽合成[2]，首先分辨最窄有效带宽的模糊度，接着是分辨出更宽带宽的整周模糊，就可以获得整个测量带宽内的真实群时延特性曲线。在带宽合成时，必须测量出各个子观测通道的群时延，为此设计了一个宽带信号，在天线场放入口处馈入，与天线接收的射频信号一起经过下变频、基带转换、记录并送数据处理中心进行相关处理[3]，可以得到观测时间内传输设备的群时延特性曲线，这个过程称之为观测通道的相位校准[4]，相应的宽带信号称之为相位校准信号，即PCAL信号。本文设计生成的PCAL信号具有良好的副频特性和相频特性，可以完全覆盖S/X频段的有效信号带宽，并且信号频谱间隔可变，信号电平动态调节范围广，能够很好地用于接收设备的相位校准，提高测量精度。

1PCAL信号特性

一般来说，PCAL信号是由梳状谱[5]信号经过一系列处理得到的，梳状谱信号因其波形与梳子相似而得名，其时域和频域特性如图1和图2所示，时域为周期性的脉冲串，频域信号功率谱包络呈现辛格函数(sinx/x)的形式，谱线的频率间隔取决于时域脉冲信号的周期，例如脉冲周期为100 ns，频谱间隔为10 MHz。谱线的第一个零点取决于输出信号脉冲的宽度，脉宽越窄，第一个零点频率越高，以50 ps脉宽为例，谱线的第一个零点应该位于20 GHz处，在整个梳状谱信号的频段内频谱幅度相差较大，但是在某一小段带宽内的频谱幅度基本一致，完全能够满足应用要求。

图1　梳状谱信号时域特性

图2　梳状谱信号频域特性

2PCAL信号产生原理

PCAL信号是由梳状谱信号经过脉冲截取得到，原理框图如图3所示，参考信号经过放大、匹配滤波后，经由偏压电路的电压调整输入到阶跃恢复二极管(SRD)，就可以输出包含各次谐波的窄脉冲，即梳状谱信号，再经过脉冲截取等处理得到想要的PCAL信号。

输入的参考信号决定了输出的梳状谱信号的最大频率间隔，如输入参考信号为10 MHz，则输出梳状谱信号的最大频率间隔为10 MHz。

图3　PCAL信号产生原理

要使阶跃恢复二极管产生较大的窄电流脉冲，从而获得丰富的谐波输出，需要先将输入信号放大到一定的功率来推动阶跃恢复二极管，同时放大器的输出功率不能太大，否则会对二极管过渡激励，使信号相位噪声严重变坏。

匹配滤波器[6]起到信号隔离和能量的有效传输的作用，不仅将放大器输出的功率最大限度的加到二极管上，还避免了二极管产生的谐波能量反串到放大器中，同时要求滤波器的有效带内群时延特性为常数，以避免相位失真。

偏压电路的作用是给阶跃恢复二极管提供偏置电压用的，阶跃恢复二极管依靠偏置电压的正负变化形成电流的跳变，从而在电路中形成一个很窄的脉冲，偏压电路的输出电压不能太大，否则会把阶跃恢复二极管击穿。

阶跃恢复二极管[7]有2个重要的参数：阶跃恢复时间Tt和少数载流子寿命τ。阶跃恢复时间Tt是指反向电流从最大值的80%下降到20%所需要的时间，Tt越小，所产生的脉冲宽度越窄，梳状谱信号高次谐波分量越多，它决定了输出信号频率的上限，Tt越大，脉冲宽度越宽，输出信号总功率越大，一般在满足输出频率上限要求的情况下尽量增加脉冲宽度。少数载流子寿命τ决定了二极管最低输入频率，为使二极管正常工作，要求τ至少大于输入信号周期的3倍。在设计之初，必须依据输入参考信号频率和最高输出谐波频率来确定这2个参数，选取合适的阶跃恢复二极管。

梳状谱信号的相位噪声[8]比参考信号的相位噪声大很多，主要来自以下3个方面： 倍频产生的噪声、阶跃二极管内部引入的噪声和放大器产生的噪声。

倍频器产生的相位噪声跟倍频次数有关，一般有以下关系：

y(nfr)/y(fr)=20log10n。

上式说明了当倍频数为n时，理论上相位噪声恶化20log10n，这是无法避免的。

阶跃恢复二极管引入噪声的原因包括调幅非线性引起的噪声、过激励引起的噪声和电阻热噪声等，为了减小这一项噪声，需要细致的调节电路的匹配、偏压和输入参考信号电平。

放大器产生的噪声主要来自于有源器件的加性噪声，为了降低这项噪声，需要增加相应负反馈电路。

脉冲截取部分主要是通过数字电路实现，通过脉冲截取，可以在不改变PCAL信号整体带宽的情况下获得不同频率间隔的PCAL信号，以满足不同工程应用。

3PCAL信号实现

在工程应用中，对于PCAL信号有以下指标要求：在使用带宽内信号电平可调，带内信号幅度抖动不大于±0.5 dB，相位抖动不大于1°，PCAL信号频率间隔为5M/n(n取1～100)。

众所周知，影响信号相位稳定性[9]的因素是多方面的，除了设备元器件本身的特性和电缆特性等，还包括输入参考信号的质量和外部环境温度的变化，为了保证输出信号相位的抖动足够小，除了选用性能指标优异的元器件和电缆外，还要求高稳定度的参考源和恒温调节措施。假设PCAL信号产生器选用的参考信号为10 MHz，来自于高稳定度的铷钟，1 kHz相噪不大于-145 dBc/Hz，换算成信噪比为S/N=99.7 dB，按照倍频公式，在X频段PCAL信号的最高频率8 500 MHz的信噪比为：

S/N1=99.7-20*log10(8 500/10)=41.1 dB。

考虑器件不理想带来的相位噪声恶化，取S/N1=35 dB，换算成为相位抖动[10]：

Δφ=arctan(10(-35/10))=0.02°。

可以满足系统要求的相位抖动不大于1°的指标。

为了保证温度波动小，PCAL信号产生设备放置于一个温度可调节的温箱内，可以实现温度的自动调节。

为了产生不同频谱间隔的PCAL信号，需要对梳状谱信号进行脉冲截取处理，为此在梳状谱发生器后面增加了一个开关，同时产生控制信号选取对应的梳状谱脉冲信号，改变控制信号的频率即可得到不同频谱间隔的PCAL信号，控制信号的相位必须与梳状谱信号的相位一致，否则会导致输出的PCAL信号波形失真，不满足使用要求。

由于脉冲截取过程中会产生信号能量的损失，PCAL信号在不同的频率间隔时电平是不一样的，为了保证PCAL信号产生设备的输出端的信号电平满足使用要求，在改变频率间隔时同时需要调节输出信号的电平，因此在PCAL信号产生设备内部增加了一个数控衰减器，步进0.5 dB，范围为0～60 dB。

基于以上分析，得到PCAL信号产生器实现框图如图4所示，按照此框图设计的PCAL信号产生器的X频段PCAL信号频谱如图5所示。

图4　PCAL信号产生器实现

图5　X频段PCAL信号频谱

4结束语

在利用VLBI技术进行航天器的跟踪测量时，VLBI观测设备通过接收PCAL信号进行数据相关和带宽综合等处理，可以很好地对观测设备群时延特性进行分析，从而减小测量误差，对测量结果进行比较精确的校准，是VLBI观测中的重要组成部分。在设计PCAL信号时，尤其需要注意到各个单元模块之间的信号匹配问题，如果匹配不好，会使得信号的幅频特性变差，难以很好地达到时延校准的目的。设计实现PCAL信号产生器的过程很复杂，需要考虑的因素还有很多，只能在实践中进行探索总结。

参考文献

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[10]陈羽,邓正森.通信系统时钟电路抖动及相位噪声分析[J].大众科技,2010(10):13-14.

檀祝根男，(1981—)，工程师。主要研究方向：航天测控。

翟宁女，(1992—)，助理工程师。主要研究方向：航天测控。

The Principle and Implementation of PCAL Signal

TAN Zhu-gen1，ZHAI Ning1，CHEN Yong-qiang2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;

2.Unit63783 ,PLA,KashiXinjiang844000,China)

AbstractWhen using the VLBI tracking and measuring technology for space tracking,we need a kind of bandwidth synthesis method for phase delay calibration of the measurement and control system.So the PCAL signal is introduced in this paper.The features of the comb spectrum signal in time domain and frequency domain are analyzed,which is the prototype of PCAL signal.The principle of how to produce the comb spectrum signal is expounded using the SRD.On this basis,the method of how to produce the PCAL signal is put forward.What needs to be paid attention to when producing the PCAL signal is summed up in combination with the practical project.The PCAL signal generated by using this method has been applied to practical engineering.According to the instrumental group-delay acquired from the correlation of the PCAL signal,the measurement error can be minimized and the measurement result can be well revised.

Key wordsVLBI observation；PCAL signal；SRD；comb-spectrum

作者简介

收稿日期：2015-03-13

中图分类号V556

文献标识码A

文章编号1003-3106(2015)06-0032-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.09

引用格式：檀祝根，翟宁，陈永强.PCAL信号的产生原理及实现[J].无线电工程，2015，45(6)：32-34,98.