導(dǎo)航、雷達(dá)、應(yīng)答、授時、航天測控等領(lǐng)域需要測量發(fā)射、接收裝置本身的時延。調(diào)制系統(tǒng)是這類裝置中的重要組成部分。本文介紹了基于示波器的調(diào)制系統(tǒng)時延測量方法。借助現(xiàn)代高帶寬、高采樣率的數(shù)字存儲示波器，可以自動完成被測系統(tǒng)輸入輸出信號的采集、處理和測量。

一.引言

在導(dǎo)航、雷達(dá)、應(yīng)答、授時、航天測控等領(lǐng)域，通過解析發(fā)射和接收信號的時間和相位關(guān)系來獲得目標(biāo) 的距離或速度。用于測距、測速的無線電波不僅在空間傳播有時延，在發(fā)射和接收裝置中傳輸、處理也有時 間延遲。發(fā)射、接收裝置的核心部分是調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，準(zhǔn)確測量調(diào)制系統(tǒng)的時延，并消除其在整個系統(tǒng)中引入的誤差，是提高測距、測速精度的前提。時延的測量方法可以概括為時域測量和頻域測量兩大類。

頻域測量是用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測出設(shè)備的相位-頻率特性，即 S21 的相位曲線，再對相頻曲線微分就能得到設(shè)備的群時延。這種測量方法適用于線性元器件，而不適合變頻器件。雖然也存在三混頻器法、雙音法等方法來解決變頻器件的群時延測量，但這些方法無法解決混頻器非互易性的問題。

時域測量一般是用時間間隔測量儀或示波器直接對設(shè)備輸入和輸出的信號進(jìn)行測量。時間間隔測量儀只能測量波形簡單的信號，如脈沖。而示波器能夠直接采集、測量波形復(fù)雜的信號，適用性更廣。 現(xiàn)代數(shù)字存儲示波器可以實(shí)現(xiàn)帶寬 65GHz、采樣率 160GSa/s 的高速采樣[1]，時間分辨率極高，并且可以對采樣后的波形數(shù)據(jù)直接進(jìn)行數(shù)字變頻、濾波、解調(diào)、互相關(guān)等各種信號處理，因此用數(shù)字示波器可以方便地測量調(diào)制系統(tǒng)的時延。本文以型號為 LeCory LabMaster 10-65Zi 的示波器為例，詳細(xì)闡述調(diào)制系統(tǒng)時延的測量、校準(zhǔn)方法，并分析測量的不確定度。

二.測試框圖和校準(zhǔn)方法

圖 1 是示波器測量設(shè)備時延的連接框圖。一激勵信號源通過功分器輸出兩路信號，一路輸入到被測設(shè)備，一路輸入到示波器的一個通道。被測設(shè)備輸出的信號接到示波器的另外一個通道。示波器電纜#2電纜#3功信號源 分器 被測設(shè)備電纜#1

圖 1 設(shè)備時延測量連接圖

這種連接方式使用的三條同軸電纜#1～#3 以及功分器會引入誤差。在測量之前需要校準(zhǔn)。電纜#1 和電纜#2，以及功分器兩個輸出端口傳輸?shù)氖峭恍盘枺盘杺鞑ニ俣仁且恢碌?，因此可以采用交換法消除電纜#1和#2 以及功分器的延遲差異。功分器兩路輸出端口可以看作分別和電纜#1 和#2 是一體的。假設(shè)三條電纜的時延分別為 T1, T2, T3，被測設(shè)備的時延為 T0。

先用示波器測量輸入的兩個信號時延，結(jié)果計(jì)為 Tm1，則滿足：Tm1 T1 T0 T3 T2

將電纜#1 和#2 互換，即電纜#2 接到被測設(shè)備，電纜#1 接到示波器，但不改變它們和功分器的連接。時延測量結(jié)果計(jì)為 Tm2，則滿足：Tm2 T2 T0 T3 T1

兩式相加能夠去掉電纜#1 和#2 的影響：T0 T3 (Tm1 Tm2)/2

為了消除電纜#3 引入的時延，使用 LeCroy 示波器內(nèi)置的電纜去嵌功能[2]，根據(jù)電纜的 S 參數(shù)去掉電纜引 入的時延。這樣示波器測量值已經(jīng)是消除了 T3 的結(jié)果。還有一個時延誤差來源是示波器兩個通道之間的時延差異，這可利用示波器自帶的快沿信號來校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后的時延測量值自動消除了通道間的延遲差異。

三.時延測量方法

圖 2 是一個 FSK 基帶信號和射頻信號的時延測量示意。利用示波器測量設(shè)備時延的難度在于，被測設(shè)備 的輸入和輸出信號不在同一個頻段，有可能分別是基帶、中頻或者射頻域。實(shí)際用示波器采集到的信號不會 像圖 2 這樣容易地分辨出頻率、相位的變化位置，必須對波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后才能測量。

測量延遲

圖 2 不同調(diào)制域信號的時延測量示意圖

LeCroy 示波器內(nèi)置了多種數(shù)字信號處理算法和自動測量功能，可以直接在示波器上自動完成信號的采集、處理、測量。根據(jù)信號處理的特點(diǎn)，時延測量具體可分為以下幾種。

1.包絡(luò)檢波法

PSK，QAM 這類相位變化的數(shù)字調(diào)制信號，由于脈沖成形濾波器的緣故，其相位翻轉(zhuǎn)時刻就是調(diào)制 信號功率極小值的時刻。因此可以利用 LeCroy 示波器的解調(diào)運(yùn)算[3]得到信號的包絡(luò)，包絡(luò)極小值的水平 位置就是相位翻轉(zhuǎn)時刻。圖 3 是一個 16QAM 中頻信號和射頻信號時延測量的例子。對兩個信號都進(jìn)行 幅度解調(diào)后，得到各自的包絡(luò)信號。再利用示波器自動測量兩個包絡(luò)極小值的間隔時間，就得到中頻和射頻信號的時延。

中頻信號的包絡(luò)

中頻信號

時延

射頻信號的包絡(luò)

射頻信號

圖 3 包絡(luò)檢波后的時延測量

2.參數(shù)追蹤法

可以利用示波器測量調(diào)制信號每個周期的頻率、相位或幅度等參數(shù)，再利用示波器內(nèi)置的測量參數(shù)追蹤 功能，畫出參數(shù)隨時間變化的曲線。圖 4 是一個對信號頻率參數(shù)追蹤的示意。上面的波形是一個掃頻信號，下面的波形是掃頻信號的頻率參數(shù)追蹤曲線。

掃頻

信號

頻率參數(shù)

追蹤曲線

圖 4 頻率參數(shù)追蹤示意圖

圖 5 是利用參數(shù)追蹤功能測量 FSK 基帶信號和調(diào)制信號時延的結(jié)果。上方的波形是示波器采集的射頻調(diào) 制信號，中間的波形是對射頻信號每個周期的頻率進(jìn)行參數(shù)追蹤的曲線，它直觀地反映了射頻信號的頻率切 換過程。將其和實(shí)際測量的基帶信號比較，就能測量出基帶和射頻信號的時延。

FSK 調(diào)制信號

FSK 調(diào)制信號的頻率追蹤曲線

時延

基帶信號

圖 5 頻率參數(shù)追蹤示意圖

3.希爾伯特變換與其他自定義算法

除了前面兩項(xiàng)示波器內(nèi)置的運(yùn)算以外，還有很多成熟的算法，比如運(yùn)用希爾伯特變換來檢波從而獲得相位翻轉(zhuǎn)點(diǎn)。圖 6 是在示波器內(nèi)集成 MATLAB 程序檢測信號相位翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的例子。還有用互相關(guān)運(yùn)算來獲得時延。

現(xiàn)在和將來不斷有學(xué)者研究各種新的信號處理算法來解決時延測量的問題。LeCory 示波器中可以集成使用者 自定義的 MATLAB、C/C++、VB Script 程序[4]，來實(shí)現(xiàn)這類算法。通過 MATLAB 程序檢測出的信號包絡(luò)示波器內(nèi)置 MATLAB 程序編輯窗口

圖 6 示波器內(nèi)置

MATLAB 程序檢測調(diào)制信號包絡(luò)

三.示波器時延測量不確定度評估

本文所述測量方法的不確定度，既有來源于示波器的，也有源于測量算法的。示波器本身的時延測量不確定度包括抖動噪底、觸發(fā)抖動、時間分辨率、電纜和通道校準(zhǔn)的不確定度等。為了提高這部分測量的精度，可以選用抖動噪底小、采樣率高的示波器。示波器時延測量不確定度的大小可以通過實(shí)際測試來估計(jì)。測試的連接圖類似圖 1，但不再接入被測設(shè)備，電纜#1 和#3 直接通過轉(zhuǎn)接器連接在一起。示波器使用 LeCoryLabMaster 10-65Zi，采樣率設(shè)為 160GSa/s，在示波器內(nèi)設(shè)置對電纜#3 去嵌。信號源分別輸出 100MHz～20GHz若干組正弦信號，在示波器中多次測量兩路信號的時延，記錄測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差值。交換電纜#1 和#2 再測試一遍。結(jié)果顯示每次測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差在 500fs 量級，經(jīng)過校準(zhǔn)后兩個通道的時延殘差小于 2ps 。圖 7 是示波器測量得到的、沒有包含被測設(shè)備的時延統(tǒng)計(jì)值。

圖 7 示波器引入的時延測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

四.結(jié)束語

本文所述的設(shè)備時延方法已經(jīng)在多個單位的項(xiàng)目中得到實(shí)際驗(yàn)證。這些項(xiàng)目的被測設(shè)備涉及 BPSK、QPSK、FSK、QAM、PDM 等多種體制的調(diào)制系統(tǒng)。無論是測試的簡便性和自動化程度，還是測量結(jié)果的不確定度，都比之前的頻域測量法和人工讀數(shù)更優(yōu)。

參考文獻(xiàn)

[1] LabMaster 10Zi Operator's Manual Rev A. Teledyne LeCroy Corporation

[2] Using LeCroy’s Eye Doctor to De-Embed Probes,LAB_WM772,. Teledyne LeCroy Corporation

[3] Modulation Analysis - FM, LAB_WM405B , Teledyne LeCroy Corporation

[4] Using LeCroy Oscilloscopes with MATLAB, Teledyne LeCroy Corporation

萬力勱 Teledyne LeCroy 公司成都代表處