基于示波器的調制系統時(shí)延測量

摘要：導航、雷達、應答、授時(shí)、航天測控等領(lǐng)域需要測量發(fā)射、接收裝置本身的時(shí)延。調制系統是置中的重要組成部分。本文介紹了基于示波器的調制系統時(shí)延測量方法。借助現代高帶寬、高采樣率存儲示波器，可以自動(dòng)完成被測系統輸入輸出信號的采集、處理和測量。

關(guān)鍵詞：調制;時(shí)延測量;示波器;電纜去嵌;包絡(luò )檢波;參數追蹤;希爾伯特變化;LabMaster

一.引言

在導航、雷達、應答、授時(shí)、航天測控等領(lǐng)域，通過(guò)解析發(fā)射和接收信號的時(shí)間和相位關(guān)系來(lái)獲的距離或速度。用于測距、測速的無(wú)線(xiàn)電波不僅在空間傳播有時(shí)延，在發(fā)射和接收裝置中傳輸、處理間延遲。發(fā)射、接收裝置的核心部分是調制解調系統，準確測量調制系統的時(shí)延，并消除其在整個(gè)系入的誤差，是提高測距、測速精度的前提。

時(shí)延的測量方法可以概括為時(shí)域測量和頻域測量?jì)纱箢?lèi)。

頻域測量是用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀測出設備的相位-頻率特性，即S21的相位曲線(xiàn)，再對相頻曲線(xiàn)微分到設備的群時(shí)延。這種測量方法適用于線(xiàn)性元器件，而不適合變頻器件。雖然也存在三混頻器法、雙方法來(lái)解決變頻器件的群時(shí)延測量，但這些方法無(wú)法解決混頻器非互易性的問(wèn)題。

時(shí)域測量一般是用時(shí)間間隔測量?jì)x或示波器直接對設備輸入和輸出的信號進(jìn)行測量。時(shí)間間隔測量?jì)x只能測量波形簡(jiǎn)單的信號，如脈沖。而示波器能夠直接采集、測量波形復雜的信號，適用性更廣。

現代數字存儲示波器可以實(shí)現帶寬65GHz、采樣率160GSa/s的高速采樣，時(shí)間分辨率極高，并且可以對采樣后的波形數據直接進(jìn)行數字變頻、濾波、解調、互相關(guān)等各種信號處理，因此用數字示波器可以方便地測量調制系統的時(shí)延。本文以型號為L(cháng)eCory LabMaster 10-65Zi的示波器為例，詳細闡述調制系統時(shí)延的測量、校準方法，并分析測量的不確定度。

二.測試框圖和校準方法

圖 1是示波器測量設備時(shí)延的連接框圖。一激勵信號源通過(guò)功分器輸出兩路信號，一路輸入到被測設備，一路輸入到示波器的一個(gè)通道。被測設備輸出的信號接到示波器的另外一個(gè)通道。

這種連接方式使用的三條同軸電纜#1～#3以及功分器會(huì )引入誤差。在測量之前需要校準。電纜#1和電纜#2，以及功分器兩個(gè)輸出端口傳輸的是同一信號，信號傳播速度是一致的，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。假設三條電纜的時(shí)延分別為T(mén)1, T2, T3，被測設備的時(shí)延為T(mén)0。

先用示波器測量輸入的兩個(gè)信號時(shí)延，結果計為T(mén)m1，則滿(mǎn)足：

Tm1 T1 T0 T3 T2

將電纜#1和#2互換，即電纜#2接到被測設備，電纜#1接到示波器，但不改變它們和功分器的連接。時(shí)延測量結果計為T(mén)m2，則滿(mǎn)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(shí)延，使用LeCroy示波器內置的電纜去嵌功能，根據電纜的S參數去掉電纜引入的時(shí)延。這樣示波器測量值已經(jīng)是消除了T3的結果。

還有一個(gè)時(shí)延誤差來(lái)源是示波器兩個(gè)通道之間的時(shí)延差異，這可利用示波器自帶的快沿信號來(lái)校準，校

準后的時(shí)延測量值自動(dòng)消除了通道間的延遲差異。

三.時(shí)延測量方法

圖 2是一個(gè)FSK基帶信號和射頻信號的時(shí)延測量示意。利用示波器測量設備時(shí)延的難度在于，被測設備的輸入和輸出信號不在同一個(gè)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(huì )像圖 2這樣容易地分辨出頻率、相位的變化位置，必須對波形數據進(jìn)行處理后才能測量。

LeCroy示波器內置了多種數字信號處理算法和自動(dòng)測量功能，可以直接在示波器上自動(dòng)完成信號的采集、處理、測量。

根據信號處理的特點(diǎn)，時(shí)延測量具體可分為以下幾種。

1.包絡(luò )檢波法

PSK，QAM這類(lèi)相位變化的數字調制信號，由于脈沖成形濾波器的緣故，其相位翻轉時(shí)刻就是調制信號功率極小值的時(shí)刻。因此可以利用LeCroy示波器的解調運算得到信號的包絡(luò )，包絡(luò )極小值的水平位置就是相位翻轉時(shí)刻。圖 3是一個(gè)16QAM中頻信號和射頻信號時(shí)延測量的例子。對兩個(gè)信號都進(jìn)行幅度解調后，得到各自的包絡(luò )信號。再利用示波器自動(dòng)測量?jì)蓚€(gè)包絡(luò )極小值的間隔時(shí)間，就得到中頻和射頻信號的時(shí)延。

2.參數追蹤法

可以利用示波器測量調制信號每個(gè)周期的頻率、相位或幅度等參數，再利用示波器內置的測量參數追蹤功能，畫(huà)出參數隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。圖 4是一個(gè)對信號頻率參數追蹤的示意。上面的波形是一個(gè)掃頻信號，下面的波形是掃頻信號的頻率參數追蹤曲線(xiàn)。

圖 5是利用參數追蹤功能測量FSK基帶信號和調制信號時(shí)延的結果。上方的波形是示波器采集的射頻調制信號，中間的波形是對射頻信號每個(gè)周期的頻率進(jìn)行參數追蹤的曲線(xiàn)，它直觀(guān)地反映了射頻信號的頻率切換過(guò)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(shí)延。