星载接收机通道时延实时校准方法

星载接收机通道时延实时校准方法
于雪晖;李集林;王盾;吴佳鹏
【摘要】In order to accomplish accurate measurement of inter-satellite clock error and transfer of time and frequency,the equipment delay on the ground are usually required to be calibrated.With the aging of equipment and the change of environment temperature, the delay of send-receive signal will deviate the standardization. By using pseudo-random-code correlation measurement, combining with the time division early-delay pseudo-random-code phase alternation modulation technology and envelope technology, an in-orbit channel delay self-calibration method was proposed.By designing a proper closed loop,the send-receive channel delay can be calibrated in real-time without influencing the normal communication. The results indicate that the delay measurement precision of this method reaches sub-nanosecond level.%针对星间钟差测量及时间频率的精确传递的需求,通常情况都会在地面对卫星的收发通道时延进行准确标定,但在空间环境下设备老化和环境温度变化会导致收发通道时延逐渐偏离标定值.利用伪码相关测距的原理,结合时分早迟伪码相位交替调制技术和包络检波技术,提出了一种在轨通道时延自校准方法.通过3条闭合测量环路的建立,在不影响接收机正常收发通信的情况下,实时校准其收发通道时延.结果表明,该方法时延测量精度达到亚纳秒量级.
【期刊名称】《中国空间科学技术》
【年(卷),期】2016(036)005
【总页数】8页(P57-64)
【关键词】通道时延;在轨测量;实时校准;伪码测距;包络检波
【作者】于雪晖;李集林;王盾;吴佳鹏
【作者单位】北京卫星信息工程研究所,北京 100086;北京卫星信息工程研究所,北京 100086;北京卫星信息工程研究所,北京 100086;北京卫星信息工程研究所,北京100086
【正文语种】中文
【中图分类】TM935.1
目前星载接收机时间同步技术广泛应用于电子侦察系统、天基合成孔径雷达系统等航天任务中。

高精度的时间同步技术有助于提高侦测目标定位精度和更精密的三维成像质量。

其中收发通道各自的时延校准精度更是时间同步精度的关键，它影响钟差的测量精度甚至秒脉冲信号输出的准确性。

传统的通道时延校准方法[1]，往往存在精度和测量实时性之间的矛盾，而且通常的方法只适用于地面通道时延标定，无法进行星上的实时标定。

现有的星上通道时延测量方法技术复杂度较高，且无法保证实时性,如表1所示。

为了实现实时的在轨高精度测量，本文基于伪码相关测距的原理，结合时分早迟伪码相位交替调制技术和包络检波技术，通过恰当合理的自闭环路设计，可以实时精确测量设备的收发通道时延。

收发通道时延测量的随机噪声误差确定了该测量方法的精度[2-4]。

1.1 时延测量系统设计方案
通道时延自校准的设计需要在原有收发通道的基础上增加一个校准通道，用于辅助系统进行自身标定的功能。

时延校准通道中的信号由于不经过天线及空间信道，通
常信号质量较好。

图1为收发通道时延测量构成框图。

系统主要包含正常发射通道、时延测量通道及正常接收通道。

以一收一发为例，正常发射通道由射频发射通道(包括DA1、滤波器、变频器)、耦合器和发射天线构成，发射频点为f1；正常接收通道由接收天线、合路器、射频接收通道和AD2构成，接收频点为f2；时延测量通道包含一个发射频点为f2的伪发射通道(包括DA2、滤波器、变频器、耦合器等)、一个混频接收通道及一个包络检波通道。

其中，正常发射通道与正常接收通道一直保持信号通信状态，伪发射通道在不影响收发信机正常通信的基础上便于时延的测量。

利用正常发射通道、时延测量通道及正常接收通道建立3条闭环回路，分别为：
1)伪发射通道与正常发射通道建立的混频闭环回路；
2)伪发射通道与正常接收通道建立的闭环回路；
3)伪发射通道的包络检波回路。

1.2 通道时延测量的实现流程
(1)伪发射通道与正常发射通道建立的混频闭环回路测量
基带发射终端(包含正常通信信号及伪发射信号)→DA1、DA2→分别通过射频发射通道及射频伪发射通道→分别通过耦合器→混频器→滤波器→AD1→基带接收终端。

为保证该环路的正常跟踪，伪发射通道此时选用与正常发射通道不同的频点、相同的伪码，采用时分早迟伪码相位交替调制技术，串行将环路跟踪的伪码相位调整量加载到伪发射通道基带发射终端，直到得到伪发射通道与正常发射通道伪码相关峰值，此时该码相位调整量即为两通道时延差。

该回路的测量方程表达式为：
式中：τnormal_Bt为正常发射通道基带数字信号处理时延，主要为FPGA内部逻辑门时延；τnormal_RFt为射频发射通道时延，包含上变频器、滤波器、功放、
定向耦合器等；τpseudo_RFt为射频伪发射通道时延，包含上变频器、滤波器、
功放、定向耦合器等；τpseudo_Bt为伪发射通道基带数字信号处理时延；δadj
为正常发射通道与伪发射通道时延差。

(2)伪发射通道与正常接收通道建立的闭环回路测量
基带发射终端(伪发射信号)→DA2→射频伪发射通道→耦合器→衰减器→合路器
→AD2→基带接收终端。

该环路此时采用伪发射通道与正常接收通道的自发自收形式，选用与正常接收信号相同的频点，不同的伪码。

通过相同的接收通道，在后端数字部分采用CDMA技术对正常接收信号与伪发射信号进行区分。

由于伪发射信号属于收发信机内部大功率信号，因此，在合路前必须经过信号衰减，与正常接收信号进行功率匹配，以免导致正常接收信号被大功率信号淹没。

该回路的测量方程表达式为：
式中：τpseudo_Bt为伪发射通道基带数字信号处理时延，主要为FPGA内部逻辑门时延；τps eudo_RFt为伪射频发射通道时延，包含上变频器、滤波器、功放、
定向耦合器等；τnormal_RFr为射频接收通道时延，包含下变频器、滤波器、低
噪放、合路器等；τnormal_Br为正常接收通道基带数字信号处理时延；为伪发射通道与正常接收通道时延和。

(3)伪发射通道的包络检波回路测量
基带发射终端(伪发射信号)→DA2→射频伪发射通道→耦合器→包络检波器
→AD1→基带接收终端。

在进行此回路测量时，在时标信号的控制下使用测距伪码对正常通信测距信号进行幅度调制，伪码为“1”时输出信号功率为正常发射功率，伪码为“-1”时关断发射信号，人为造成信号包络变化。

然后在伪发射通道的射频输出端采用包络检波技术获取测距伪码信息。

整形放大复现伪码，与生成端的原始伪码信号进行时延测量，
即可得到伪发射通道的时延。

该回路的测量方程表达式为：
式中：τenvelope_RFr为包络检波时延，包含下变频器、滤波器、低噪放、合路
器等；τenvelope_Br为接收通道基带数字信号处理时延；为伪发射通道与检波接收通道时延。

(4)时延量解算
在式(1)～(3)中，τnormal_Bt、τpseudo_Bt、τnormal_Br和τe nvelope_Br均为基带内数字信号处理量，可以通过FPGA内部时钟clock计数或设置码相位发送/
接收标识获得。

τenvelope_RFr为包络检波固定时延，包络检波电路可以通过检
波二极管或检波三极管电路完成，根据目前国内的技术水平，使用快速短脉冲检波技术能够完成百皮秒量级脉冲的包络检测，其传输时延稳定性稳定在50 ps左右。

因此上述公式可简化为：
式中分别为与除去固定量后的观测量。

将测量方程式(4)～(6)进行简单解算可以得到τnormal_RFt和τnormal_RFr，即
正常发射通道延时和正常接收通道延时。

通过以上3条回路的建立可知，伪发射通道与正常接收通道建立的闭环回路是一
条完整的星间通信链路，采用通用的信号捕获与跟踪方法便可得到伪码相位初始与最终的相位偏移量。

伪发射通道的包络检波回路经过包络检波送至基带板时滤除了载波，只保留伪码分量，通过简单的码环路跟踪捕获即可得到该回路的伪码相位偏移量。

因此，此处对该两条通路不进行阐述及推导。

正常发射通道输出中频伪码信号①为
式中：d(t)为数据码；为伪码；fIF为发射信号中频频率。

经过正常发射通道后的
射频信号②为
式中：f2为伪发射载波频率；τB为简化代替τpseudo_RFt;ΔθB为中频输出信号经过伪发射通道产生的载波相位延时。

采用时分早迟伪码相位交替调制技术，在伪发射通道数字调制器内部的码NCO上交替附加±δE/L伪码相位偏移量，从而产生超前、滞后伪码相位信号。

将正常发射通道输出信号②和伪发射通道输出信号④模拟混频并滤波，输出中频模拟信号⑤为
I(t)=s6(t)=
Q(t)=s7(t)=
1)令码片，t1时刻，伪发射通道基于超前伪码产生的发射信号为:
2)t2(=t1+Δ)时刻，伪发射通道基于即时伪码产生的射频信号为
3)t3(=t2+Δ)时刻，伪发射通道基于滞后伪码产生的射频信号为
载波环路反正切函数鉴相算法为：
DLL(延迟锁定环路)鉴相算法为,其中:
依据DLL鉴相器算出的相位差调整伪发射通道的码发生器，改变伪发射通道的伪码产生相位，然后再利用校正环路计算得出新的相位差，再去调整伪发射通道的码发生器，如此循环直到校正环路收敛。

在检测校正环路收敛后，伪发射通道数字调制中总的伪码相位调整量即为正常发射通道与伪发射通道延时差τnormal_RFt-adj。

3.1 通道时延测量误差理论分析
收发通道时延测量误差包括系统偏差和随机噪声两种。

系统偏差可以通过自闭合校准和地面标定等方法进行纠正，因此影响测量精度的主要因素是随机噪声。

收发通道时延测量的随机噪声主要包括时差测量误差、包络检波延时抖动误差、功分器延时抖动误差、定向耦合器延时抖动误差[5]。

功分器和定向耦合器可以通过无源电路实现，电路组成结构简单，传输延时对温度、频率、功率等因素不敏感，且寿命期内传输延时特性变化非常小，此部分误差可以忽略。

时差测量误差主要取决于复现伪码的相位精度，因此复现伪码跟踪环路的热噪声误差和动态应力误差直接影响到测量的误差。

伪码跟踪环总的1σ跟踪误差为：
式中：σtDLL为热噪声引起的跟踪误差；θe为信号动态引起的误差。

由于通道时
延测量信号在设备内部自发自收，因此没有动态变化，θe=0。

热噪声引起的跟踪误差为：
式中：Bn为码环噪声带宽(Hz)；G(f)为归一化到无穷带宽上的单位面积内信号的
功率谱密度；Bf为双边前端带宽(Hz)；Tc为码片周期(s)；Δ为早迟相关器间隔(码片)；Tp为预检测积分时间(s)；C/N0为载噪比(dB-Hz)。

图3所示为测距误差随
载噪比的变化曲线。

由于接收机通道时延校准利用的是接收机内部自发自收信号，未经过天线及空间链路，因此，载噪比较高。

同时，由于伪发射通道只用于进行接收机内部时延测量，而且随机噪声误差决定了该方法的时延标定精度，因此应尽量将伪发射信号功率提高，以得到更高的测量精度。

因此，设置伪发射信号功率为-20 dBm，通过耦合器、衰减器后功率近似降为-90 dBm，此时利用载噪比计算通用公式可以计算得
出此时的载噪比为[6-7]：
228.6 dBW/(K·Hz)=108.6
3.2 仿真验证
基于Matlab/Simulink系统仿真平台，对该通道时延校准方法进行可行性仿真验证。

模拟信息速率为1 kbit/s的BPSK信号自发自收的生成及捕获跟踪过程，设
置仿真场景主要参数如表2所示。

由图4可以看出，当相关器间隔为1码片，相关累加时间为1 ms，DLL滤波器带宽为5 Hz时，载噪比输出维持108 dB-Hz左右，验证了仿真方案设计的合理性。

图5给出了正常发射信号与伪发射信号混频测量通道在1 s仿真时间内的伪码调整量变化趋势。

由图可以看出跟踪过程中伪码相位控制的变化情况符合理论推导。

同样，给出了在载噪比108 dB-Hz情况下，仿真系统得到的伪发射通道与正常接收
通道的伪码相位同步误差为0.001 622 1码片(折合0.16 ns)，与理论值基本符合。

在伪发射通道时延测量回路中，伪发射通道时延测量误差不仅与复现伪码相位精度有关，而且受到包络检波电路的影响。

包络检波电路可以通过检波二极管或检波三极管电路完成，根据目前国内的技术水平，使用快速短脉冲检波技术能够完成百皮秒量级脉冲的包络检测，其传输时延稳定性优于50 ps。

3.3 试验验证
图6给出了DSP显示的载波环路跟踪的状态，该图由两部分组成，上半部分为同相支路(I路)跟踪状态，为数据支路，下半部分为正交支路(Q路)跟踪状态，为噪声支路。

由图可知环路处于稳定的跟踪状态，并可以进行持续电文解调。

在环路稳定跟踪测量的基础上，采用仿真部分参数设置，对接收机正常收发通道及伪发射通道进行时延测量。

图7所示为接收通道某次时延测量误差结果。

统计其
1σ为315 ps，与仿真结果及理论值接近。

进行5次时延测量，统计结果如表1所示。

其中V1和V2分别为接收与发射通道时延，V3为伪发射通道包络检波时延结果，接收通道时延为300 ps左右，发射
通道时延为250 ps左右，伪发射通道时延结果为60 ps左右，检测结果与预期基本相同。

根据理论分析和测试结果，本文提出的星间收发设备在轨实时通道时延校准方法具有以下优点：
1)相对于传统的星载接收机地面通道时延标定方法[8]，通过伪发射通道的建立，
有效地解决了星间收发设备在轨实时通道时延校准的问题，保证了时延测量的准确性与实时性；
2)相对传统星上在轨实时通道时延校准方法[9-10](对发射或接收通道进行校准时，需停止发射信号或接收信号，并执行时延校准模式)，本文所述方法不影响在轨正
常通信；
3)该方法以数字基带信号处理为技术基础，测量的随机噪声误差确定了该测量方法的精度[11]。

因此，通过对码速率、载噪比等通信参数的设置，可以调节设备时延校准的精度。

在本文设置工况下，可以满足亚纳秒量级的测量精度。

LI X，GENG S M，LI Y L. Equipment delay calibration technique for two-way time synchronization system[J]. Chinese Space Science and Technology，2011，31(4)：23-29(in Chinese).
LIU L，HAN C H. Two way satellite time transfer and its error analysis[J]. Progress in Astronomy，2004，22(3)： 219-226(in Chinese).
HUANG B，HU X L. Inter-satellite ranging and time synchronization technique for BD2[J]. Journal of Astronautics，2011，32(6)：1271-1275(in Chinese).
ZHANG X，LI Y L，XIAO Z B，et al. An on-line dynamic delay calibration method for channel simulation system[J]. Chinese Space Science and Technology，2013，33(3)：57-63(in Chinese).
ZHU X W，L1 Y L，YONG S W．A new definition，measurement method
of group delay and its application[J]．Acta Electronica Sinica，2008，36(9)：1819-1823(in Chinese).
LI X,WANG F X，OU G,et a1．Study on PN code tracking error caused by
multi-user interference in satellite navigation system[J]．Signal Processing，2008，24(5)：885-888(in Chinese).。