接收机多通道相位一致性测试方法与试验

科技论文：接收机多通道相位一致性测试方迭与轄
接收机多通道相位一致性测试方法与试验
欧阳鑫信贺青张晓勇姚山峰
摘要：接收机通道一致性是很多基础应用的前提，是衡量接收机性能的重要指标。

单个接收机中多通道的一致性问题已有部分研究，而在时频差定位系统中涉及到多个接收机之间的时频差，需要考虑的是多个接收机之间的多通道一致性问题。

对此，本文针对接收机多通道的相位一致性进行分析，提出了一种基于多载波信号互相关函数的多通道相位一致性分析与测试方法。

提出的方法分两个维度进行综合分析与测试，一是多载波信号相关函数相位差分分析，二是多载波信号相关函数相参积累的时差测量和输出信噪比性能提升分析。

最后搭建了试验系统对本文提出的方法进行了试验测试，在两个维度分别利用不同长度的试验数据进行了分析与测试验证，测试结果表明被测系统的多通道相位一致性误差在0.001弧度以内，多通道的时差估计可以实现相参积累，验证了所提方法的可行性。

关键词：通道一致性；相位；测试
1引言
随着应用与需求的变化和发展，现代通信与电子技术使用的信号从原来的单通道信号逐渐发展到多通道信号，这对通道一致性提出了很高的要求⑴。

通道一致性是很多技术得以实际应用的前提，如有源相控阵雷达、卫星导航、深空探测等技术都严重依赖通道一致性，这些领域都对通道一致性的测试与补偿技术进行了相关的研究［2-8］。

这些研究针对的都是单个接收机中多通道的一致性问题，而在时频差定位中，时频差是多个接收机之间的时频差，因此需要考虑的是多个接收机之间的多通道一致性问题,这方面的研究与分析还少见于文献，因此有必要对此问题进行深入研究，为实际应用提供借鉴和参考。

接收机的通道一致性包括相位一致性与幅度一致性。

在多通道或者多载波信号的
责任编辑：田筱相参相关检测与时频差估计技术中，对通道一致性的依赖主要是相位一致性。

本文以此为出发点，研究多接收机之间的多通道相位一致性测试问题。

文章的结构安排如下：第二部分从相关函数相位分析出发，给出了两种多通道相位一致性的分析与测试方法，即多通道相关函数相位差分分析与依赖于多通道相位一致性的多通道相参时差估计性能与输出信噪比提升测试分析;第三部分根据第二部分给出的分析测试方法，
设计了试验系统，给出了试验过程与方法；第四部分对试验结果进行了分析，并与理论结果进行了对比验证。

2多通道相位一致性测试与分析方法
本节以两站接收为例，从相关函数相位分析出发，以多通道接收多载波信号的方式，分
・1・
电信技术研究
RESEARCH ON TELECOMMUNICATION TECHNOLOGY
总第406期2019年第2期
两个维度对多通道相位一致性进行了分析，一是多通道相关函数相位差分分析，二是多通道信号相关函数相参积累的时差测量和输出信噪比性能提升分析。

以相关函数为分析的岀发点，原因在于相关具有累积效应，输出信噪比有时间带宽积的提升倍数，具有更强的抗噪声性能。

2.1相关函数相位
一个载频为心，带宽为B,时宽为7,能量为E的平坦谱信号，两路含时延的接收信号可建模为：
［理)=$(/-%)22
其自相关函数为：
心(△r)=［：,5(/)/(/+A T)dt
=^/15(/)12e-^df⑵
c~2
=Esinc(BAr)e~J2,rF^T
其中，SCO为信号S(r)的傅里叶变换，对应的互相关函数为：
/?n,(Ar)=Esinc(B(Ar-J))/"旳"切⑶
其在真实位置j处具有峰值该处的相位为0«
在实际工程应用中，处理的信号一般为变频后的基带信号，即载频变到0,且接收机会引入一个随机初相，此时信号模型变为：
斤⑴=$(/)•"“”*+加T T
<—<t<_(4)
七⑴=s(/-rj・e72"°g，22
互相关函数变为:
B
2
2
e""穹(5)
e心叩S(/)F严"切
2■e j2nF^df
=Esinc(B(Ar-o))e‘"辰+弘如
其中，X(/)为接收机接收信号的傅里叶变换。

可见，变频到基带即中心频率变到0后，互相关函数缺少了乘积项严Fa,考虑两个接收机引入的初相，增加了两个初相的相位差RSW)。

则实际信号DDC后互相关函数的理论相位为：2吨。

+02-5=+2吨o(6)多通道相位一致，即指多通道的％与％是一致的，也是一致的。

2.2相关函数相位信息的通道一致性分析方法
上一节分析了单通道接收信号互相关函数的相位，为测试分析多通道的相位一致性，本节考虑利用多载波信号，以多通道接收的方式，从两个维度分析两个接收机之间的多通道相位一致性。

假设多载波信号的载波间隔为△/,各载波带宽为B,载波数量为M,下面具体分析。

(1)多通道相关函数相位差分分析
假设多通道信号DDC后的中心频率都为0,互相关函数的相位为△知+2肝^乙，同一时刻采集的多个通道的相关函数，如果多通道相位具有一致性，则△处的值相同。

则多通道互相关函数中两个相邻通道的互相关函数相位差分后，差分相位的理论结果为4(/)=171■-T d，因为是同一个信号的不同子载波，时差°是一样的，即得到的M-1个差分结果的理论值是一样的，均为\<!)o
(2)时差测量和输出信噪比性能提升分析
文献［9］以跳频信号为例，分析了多频点信
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号的时差估计的理论界。

据此，可以分析多载波信号的时差估计理论界，与多个单载波平均时差估计即非相参积累的理论界对比后，可得到理论性能提升情况。

在多通道相位一致接收的情况下，多通道信号可以实现相参积累，时差估计性能能贴近理论性能，相参积累的输出信噪比相比单个通道也能达到理论的M倍提升。

因此，通过分析时差估计与输出信噪比的性能提升情况与理论对比，可以从侧面验证多通道的相位一致性。

根据已有研究结果，多载波信号相参积累与非相参积累的时差估计理论界如下：
0.55
bTDOA Q~
7((A/Af)2~^f2+B-)MB-T-SNR
________0.55
~MAf-jMB-T-SNR
0.55,。

、
^TDOA~/二(8)
B^MBTSNR
理论性能提升倍数为：
警⑼2.3测试方法精度与测试信号参数关系分析
上一节分析了多通道相位一致性的两种测试方法，可以看出测试结果与测试信号参数如多载波信号的载波间隔,各载波带宽载波数量以及信号积累时间T有关，具体分析如下。

多通道互相关函数中两个相邻通道的互相关函数差分相位的理论结果为曲=,即相关函数的差分相位值正比于信道间隔△/,因此A0测量精度与信道间隔相关，最后会得到M-1个差分相位结果，需要对M-1个测量值进行比较分析，因此测量精度与载波数量即通道数量M也相关。

而相关函数相位本身的测量精度还与信号能量有关，信号能量与信号带宽B、积累时间7\功率谱密度相关，因此测量精度与信号带宽B和信号积累时间T相关。

时差测量精度如式(7)所示，与频率分布范围有关，因此与信道间隔街和通道数量M有关，时差测量精度也与信号能量有关，因此与信号带宽B和信号积累时间T相关。

3试验系统设计
为验证分析的正确性，我们以某型多通道接收机为例，搭建了试验测试系统，系统组成如图1所示。

图1试验系统组成图
其中，信号源为安捷伦的E4438C,用于发射多载波信号；同步系统实现两个接收机的时间与频率同步，包括御钟与GPS天线；两个多通道接收机负责接收采集多载波信号；通信系统包括交换机与网线，负责指令与数据传输；中心控制处理系统包括一台服务器，负责指令下发，试验数据存储与处理分析。

具体试验过程：(1)按系统组成图搭建试验系统；(2)信号源发送多载波信号，多载波信号格式为载波间隔100kHz,各载波带宽20kHz,调制方式BPSK,载波个数4个，信号时频图如图2所示；
(3)中心控制处理系统下发信号采集指令；(4)数据回传与存储；(5)试验数据处理分析。

图2发射多载波信号时频图
•3
•
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4试验结果分析
试验中，受接收机宽带采集存储限制，共采集了4次数据，每次采集Is,根据第二节的分析，分两个维度对数据进行了处理测试。

因多通道相关函数的差分相位与时差巧有关，因此先对试验数据进行时差测量与输岀信噪比的性能提升测试分析。

4.1时差测量和输出信噪比性能提升测试与分析
发射的多载波信号载波数量为4,信道间隔100kHz,每个载波20kHz带宽，相干积累与非相干积累的性能提升倍数，理论值为19.3倍，输岀信噪比理论提升6.03dB。

试验数据以20ms处理一次，四段数据每段处理50次，得到处理结果如下：
从试验测试结果来看，输出信噪比的提升与理论值非常贴近，时差估计性能的提升倍数与理论值比较贴近，但还有一个较小的差距，原因有两个：一是多通道的相位一致性满足基本要求，但精度不高；二是统计的数据只有50次，统计结果有一定的误差。

从相关输岀信噪比提升情况与理论非常贴近的情况看，第二种原因较大。

4.2多通道相关函数相位差分测试与分析
此处对四段数据分别利用了0.5秒和Is长
表1时差测量和输出信噪比性能提升测试结果
数据处理方法
时差估计
均值(恥)时差估计标
准差(ns)
输出信噪比
均值(dB)
时差估计性
能提升(倍)
输出信噪比提
升(dB)
第一段
相参积累-36.30.22840.41
18.7 6.04非相参积累-36.45 4.1334.37
第二段
相参积累-36.30.23440.41
16 6.04非相参积累-36.43 3.7534.37
第三段
相参积累-36.30.21340.41
18.68 6.04非相参积累-36.6 3.9834.37
第四段
相参积累-36.30.22940.41
16.3 6.04非相参积累-36.5 3.7434.37
表2多载波相关函数差分相位测试结果
数据使用长度差分相位1差分相位2差分相位3最大误差
第一段
0.5s-0.0234-0.0225-0.02280.0006
Is-0.0231-0.0224-0.02310.0004
第二段
0.5s•0.0234•0.0224«0.02270.0006
Is-0.0230-0.0224-0.02310.0004
第三段
0.5s-0.0234-0.0225-0.02270.0006
Is-0.0231-0.0224-0.02300.0004
第四段
0.5s-0.0234-0.0224-0.02280.0006
Is-0.0231-0.0224-0.02300.0004
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度的数据进行了相位差分测试。

如果满足多通 道相位一致性，则根据前一小节的测试分析结 果，相位差分的理论值为
△0 = 2财j = 2兀 100AT --3.63 xlO -8 - -0.0228 ,
实际数据的测试结果如上表所示。

从测试结果可以看出，实际测试结果与理 论值非常贴近，误差在0.001弧度以内，这也
侧面验证了上一小节的分析结论：时差估计理
论性能提升的测试结果与理论值有一个较小的
差距的原因在于统计次数较少，统计结果有一
定误差。

另外，从测试结果还可以看出，使用较长
数据的测试结果与理论值的误差抖动范围更小。

为验证数据长度对相位的影响，我们做了进一 步的分析测试。

p e H e s e lld
通道1
p e H ①
通道2
tdoa:s xio -5tdoa:s x 10'5
p e h o s e
匸
d
通道4
tdoa:s x io'5图3 Is 数据的多通道相关函数相位图
0.035
5
5
4O.O O.O4O.O4
p e h e s e
JZ d 通道1
0.(0.( p e H o s e v d
0.06
通道2
-0.5
0 0.5
1tdoa:s x 10'5
通道3
04020.02.04 a
a 0
p e h e s e L I d
-0.5
0.5
1tdoa:s x 10'5-0.02
-1
-0.5
0.5 1
tdoa:s x io*5 通道4
02
04
-0-O -1 -0.5 0 0.5 1
tdoa:s x io 5
-0.06
图4 20ms 数据的多通道相关函数相位图
图3与图4给出了 Is 与20ms 长度数据的
四通道相关函数相位图。

根据理论分析，在相 关函数的主瓣范围内，各通道的相关函数相位
理论上为一个常数(p = \(p n +2n:F cT d ,差异在于
载波侏不同。

从图3与图4的结果可以看出，
Is 数据长度的相关函数相位变化范围远小于
20ms 数据长度的相关函数相位变化范围。

5结论
有源相控阵雷达、卫星导航、深空探测以
及干涉测量等工程应用与技术都严重依赖于通
道一致性，研究通道一致性的测试与分析方法 具有重要的实用价值。

本文以多载波信号的时 频差估计应用为出发点，研究了多通道接收情 况下的接收机多通道相位一致性测试与分析方
法，通过互相关函数相位分析，给出了两种多
通道一致性测试与分析方法，两种方法可单独
分析，也可互相对比验证。

本文研究结果通过 实际试验系统进行了试验验证，为多通道的相
位一致性提供了一种有效的测试与分析方法，
研究结果可应用于其他领域的多通道一致性测
试与分析。

参考文献
[1] 张勇.杜国宏，王晋杰.多通道高稳定性相参信
号产生系统的搭建与实现[J].电子设计工程,
2017, 25(15):176:179.
[2] 赵强，侯孝民，焦义文.宽带干涉测量通道群时
延非线性误差标校[J].系统工程与电子技术,
2017, 39(6):1221-1226.
[3]
居易，吴宝东，余忱.实时相位校正在多基线干 涉仪测向系统中的应用[J].舰船电子对抗，2013,
36(4):13-15.
[4]
李世光，寇艳红，杨军等.GNSS 信号模拟器通
道群时延标定方法[J].北京航空航天大学学报,
2015,41(12):2328-2334.[5]
张德峰.R&S 公司变频多通道幅相一致性测试方
・5
・
电信技术研究
RESEARCH ON TELECOMMUNICATION TECHNOLOGY2019年第2期总第406期
案[J].电信网技术,2016,2(2):68-74.
[6]刘楷.吴琼之，孙林等.多通道ADC一致性的
高精度测量方法[J].电子设计工程.2014,
22(19):86-89.
[7]方晓磊.一种变频多通道幅相一致性测试方法[J].
通信设计与应用，2016,3：76.
[8]朱人杰，吴亚军.VLB1数字基带转换器通道时
延一致性的调整[J].天文学进展，2014,32(1)：
118-127.
[9]欧阳鑫信.跳频信号时差估计与直接定位方法研
究[D].四川成都：电子科技大学,2017.
•6•。