摘要：導(dǎo)航、雷達(dá)、應(yīng)答、授時(shí)、航天測(cè)控等領(lǐng)域需要測(cè)量發(fā)射、接收裝置本身的時(shí)延。調(diào)制系統(tǒng)是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(shí)延測(cè)量方法。借助現(xiàn)代高帶寬、高采樣率存儲(chǔ)示波器，可以自動(dòng)完成被測(cè)系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)的采集、處理和測(cè)量。

關(guān)鍵詞：調(diào)制;時(shí)延測(cè)量;示波器;電纜去嵌;包絡(luò)檢波;參數(shù)追蹤;希爾伯特變化;LabMaster

一.引言

在導(dǎo)航、雷達(dá)、應(yīng)答、授時(shí)、航天測(cè)控等領(lǐng)域，通過解析發(fā)射和接收信號(hào)的時(shí)間和相位關(guān)系來獲的距離或速度。用于測(cè)距、測(cè)速的無線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(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，準(zhǔn)確測(cè)量調(diào)制系統(tǒng)的時(shí)延，并消除其在整個(gè)系入的誤差，是提高測(cè)距、測(cè)速精度的前提。

時(shí)延的測(cè)量方法可以概括為時(shí)域測(cè)量和頻域測(cè)量?jī)纱箢悺?/p>

頻域測(cè)量是用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)出設(shè)備的相位-頻率特性，即S21的相位曲線，再對(duì)相頻曲線微分到設(shè)備的群時(shí)延。這種測(cè)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、雙方法來解決變頻器件的群時(shí)延測(cè)量，但這些方法無法解決混頻器非互易性的問題。

時(shí)域測(cè)量一般是用時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x或示波器直接對(duì)設(shè)備輸入和輸出的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x只能測(cè)量波形簡(jiǎn)單的信號(hào)，如脈沖。而示波器能夠直接采集、測(cè)量波形復(fù)雜的信號(hào)，適用性更廣。

現(xiàn)代數(shù)字存儲(chǔ)示波器可以實(shí)現(xiàn)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(duì)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(hào)處理，因此用數(shù)字示波器可以方便地測(cè)量調(diào)制系統(tǒng)的時(shí)延。本文以型號(hào)為L(zhǎng)eCory LabMaster 10-65Zi的示波器為例，詳細(xì)闡述調(diào)制系統(tǒng)時(shí)延的測(cè)量、校準(zhǔn)方法，并分析測(cè)量的不確定度。

二.測(cè)試框圖和校準(zhǔn)方法

圖 1是示波器測(cè)量設(shè)備時(shí)延的連接框圖。一激勵(lì)信號(hào)源通過功分器輸出兩路信號(hào)，一路輸入到被測(cè)設(shè)備，一路輸入到示波器的一個(gè)通道。被測(cè)設(shè)備輸出的信號(hào)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(cè)量之前需要校準(zhǔn)。電纜#1和電纜#2，以及功分器兩個(gè)輸出端口傳輸?shù)氖峭恍盘?hào)，信號(hào)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(shè)三條電纜的時(shí)延分別為T1, T2, T3，被測(cè)設(shè)備的時(shí)延為T0。

先用示波器測(cè)量輸入的兩個(gè)信號(hào)時(shí)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(cè)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(shí)延測(cè)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(shí)延，使用LeCroy示波器內(nèi)置的電纜去嵌功能，根據(jù)電纜的S參數(shù)去掉電纜引入的時(shí)延。這樣示波器測(cè)量值已經(jīng)是消除了T3的結(jié)果。

還有一個(gè)時(shí)延誤差來源是示波器兩個(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(hào)來校準(zhǔn)，校

準(zhǔn)后的時(shí)延測(cè)量值自動(dòng)消除了通道間的延遲差異。

三.時(shí)延測(cè)量方法

圖 2是一個(gè)FSK基帶信號(hào)和射頻信號(hào)的時(shí)延測(cè)量示意。利用示波器測(cè)量設(shè)備時(shí)延的難度在于，被測(cè)設(shè)備的輸入和輸出信號(hào)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(hào)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(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后才能測(cè)量。

LeCroy示波器內(nèi)置了多種數(shù)字信號(hào)處理算法和自動(dòng)測(cè)量功能，可以直接在示波器上自動(dòng)完成信號(hào)的采集、處理、測(cè)量。

根據(jù)信號(hào)處理的特點(diǎn)，時(shí)延測(cè)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(hào)，由于脈沖成形濾波器的緣故，其相位翻轉(zhuǎn)時(shí)刻就是調(diào)制信號(hào)功率極小值的時(shí)刻。因此可以利用LeCroy示波器的解調(diào)運(yùn)算得到信號(hào)的包絡(luò)，包絡(luò)極小值的水平位置就是相位翻轉(zhuǎn)時(shí)刻。圖 3是一個(gè)16QAM中頻信號(hào)和射頻信號(hào)時(shí)延測(cè)量的例子。對(duì)兩個(gè)信號(hào)都進(jìn)行幅度解調(diào)后，得到各自的包絡(luò)信號(hào)。再利用示波器自動(dòng)測(cè)量?jī)蓚€(gè)包絡(luò)極小值的間隔時(shí)間，就得到中頻和射頻信號(hào)的時(shí)延。

2.參數(shù)追蹤法

可以利用示波器測(cè)量調(diào)制信號(hào)每個(gè)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(cè)量參數(shù)追蹤功能，畫出參數(shù)隨時(shí)間變化的曲線。圖 4是一個(gè)對(duì)信號(hào)頻率參數(shù)追蹤的示意。上面的波形是一個(gè)掃頻信號(hào)，下面的波形是掃頻信號(hào)的頻率參數(shù)追蹤曲線。

圖 5是利用參數(shù)追蹤功能測(cè)量FSK基帶信號(hào)和調(diào)制信號(hào)時(shí)延的結(jié)果。上方的波形是示波器采集的射頻調(diào)制信號(hào)，中間的波形是對(duì)射頻信號(hào)每個(gè)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(hào)的頻率切換過程。將其和實(shí)際測(cè)量的基帶信號(hào)比較，就能測(cè)量出基帶和射頻信號(hào)的時(shí)延。

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(cè)信號(hào)相位翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的例子。還有用互相關(guān)運(yùn)算來獲得時(shí)延?，F(xiàn)在和將來不斷有學(xué)者研究各種新的信號(hào)處理算法來解決時(shí)延測(cè)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，來實(shí)現(xiàn)這類算法。

圖 6 示波器內(nèi)置MATLAB程序檢測(cè)調(diào)制信號(hào)包絡(luò)

三.示波器時(shí)延測(cè)量不確定度評(píng)估

本文所述測(cè)量方法的不確定度，既有來源于示波器的，也有源于測(cè)量算法的。示波器本身的時(shí)延測(cè)量不確定度包括抖動(dòng)噪底、觸發(fā)抖動(dòng)、時(shí)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(cè)量的精度，可以選用抖動(dòng)噪底小、采樣率高的示波器。示波器時(shí)延測(cè)量不確定度的大小可以通過實(shí)際測(cè)試來估計(jì)。測(cè)試的連接圖類似圖 1，但不再接入被測(cè)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(duì)電纜#3去嵌。信號(hào)源分別輸出100MHz～20GHz若干組正弦信號(hào)，在示波器中多次測(cè)量?jī)陕沸盘?hào)的時(shí)延，記錄測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差值。交換電纜#1和#2再測(cè)試一遍。結(jié)果顯示每次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差在500fs量級(jí)，經(jīng)過校準(zhǔn)后兩個(gè)通道的時(shí)延殘差小于2ps。圖 7是示波器測(cè)量得到的、沒有包含被測(cè)設(shè)備的時(shí)延統(tǒng)計(jì)值。

四.結(jié)束語

本文所述的設(shè)備時(shí)延方法已經(jīng)在多個(gè)單位的項(xiàng)目中得到實(shí)際驗(yàn)證。這些項(xiàng)目的被測(cè)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(cè)試的簡(jiǎn)便性和自動(dòng)化程度，還是測(cè)量結(jié)果的不確定度，都比之前的頻域測(cè)量法和人工讀數(shù)更優(yōu)。