基于零基線的DBBC檢驗

毛鑫峰，馬　宏，張益東

(中國人民解放軍裝備學(xué)院，北京　101416)

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【信息科學(xué)與控制工程】

基于零基線的DBBC檢驗

毛鑫峰，馬宏，張益東

(中國人民解放軍裝備學(xué)院，北京101416)

比較設(shè)備非線性時延校正前后的DBBC設(shè)備時延一致性。設(shè)計零基線干涉測量試驗，對VLBI系統(tǒng)中DBBC設(shè)備的時延一致性進行了測量試驗；針對設(shè)備時延的非線性，利用PCAL信號對DBBC設(shè)備進行標(biāo)校；用MATLAB處理軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理和分析。試驗結(jié)果表明：零基線干涉測量相關(guān)處理算法有效；經(jīng)過PCAL信號非線性時延標(biāo)校的DBBC設(shè)備群時延準(zhǔn)確性相對設(shè)計指標(biāo)高了一個數(shù)量級。

零基線；PCAL；DBBC；相關(guān)處理

VLBI(Very Long Baseline Interferometry，甚長基線干涉測量)技術(shù)是深空探測、導(dǎo)航和精密定軌的重要手段之一[1]。對VLBI系統(tǒng)各設(shè)備的校準(zhǔn)和檢測是VLBI系統(tǒng)執(zhí)行測量任務(wù)的必要條件。數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器設(shè)備是VLBI系統(tǒng)中的核心設(shè)備，擔(dān)負(fù)著中頻信號的采集和記錄的工作。近期，我院自主研制的VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器DBBC(Digital Baseband Conventer)即將在我國深空網(wǎng)地面站中投入使用，鑒于此，必須尋找一種有效的測試方式用以檢驗數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器。

所謂零基線就是將兩臺或多臺數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器置于同一位置或者將同一臺設(shè)備的不同通道皆視為不同的觀測站。2009年，Haystack天文臺對3臺數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器進行了零基線測試，3臺數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器分別為來自歐洲INAF/IRA的dBBC、上海天文臺的CDAS以及Haystack天文臺自己的DBE1，這次測試驗證了各個設(shè)備的正確性[2]；2010年中科院下屬天文臺對CDAS進行了長基線相關(guān)測試[3]。本文利用PCAL信號提取信道相位特性，并利用零基線信號相關(guān)處理的方法完成對我院研制的DBBC設(shè)備相對時延的測量和相關(guān)處理算法的檢驗。試驗結(jié)果表明，寬帶信號相關(guān)處理的時延估計值反映了試驗系統(tǒng)中DBBC設(shè)備精度和寬帶信號處理算法的正確性。

1　VLBI基帶轉(zhuǎn)換器和零基線檢驗

VLBI技術(shù)是通過兩深空站完成對信號接收，并進行相關(guān)處理得出兩站接收信號同一波面的時間差，解算得到天體或者航天器角度的深空測量技術(shù)。其原理圖如圖1：解算得到信號到達(dá)天線1和天線2的時延差τg，由cosθ=D/(c·τg) 得到天線2角度θ，D和c分別為基線長度和光速。其中，VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器(DBBC)將射頻接收機輸出的中頻信號進行采樣、量化、下變頻、數(shù)字濾波、頻帶選擇、子通道輸出等操作，將所需頻段的中頻信號下變頻到零中頻，即基帶信號，因此，VLBI 數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器性能的優(yōu)劣對干涉測量的處理結(jié)果起到?jīng)Q定性的作用[4]。

圖1　VLBI原理框圖

通過采集同一寬帶信號進行零基線干涉測量[5]，獲取干涉條紋和準(zhǔn)確的時延估計值。由文獻[3]可知利用長基線觀測數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理檢驗，最終的處理結(jié)果包含觀測站之間的時鐘同步誤差、接收系統(tǒng)設(shè)備時延誤差和大氣時延誤差等誤差項。零基線檢驗法可以避免這些誤差項，可以突出反映DBBC之間時延差及其變化情況，也能反映組成DBBC的數(shù)字電子元器件所引起的噪聲誤差的影響。如圖 2所示，零基線反映的時延關(guān)系包括信號經(jīng)過開關(guān)矩陣進行分路后的信道特性，試驗結(jié)果僅僅反映“信道1A”至“信道1B”和“信道2A”至“信道2B”兩通道的相對特性；同時，由于待檢驗設(shè)備處于同一地點，避免了時鐘誤差，幾何時延誤差和大氣時延誤差等因素；除此之外，零基線檢驗法同樣也可以達(dá)到對干涉測量寬帶信號處理算法的檢驗。

圖2　零基線檢驗法示意圖

2　基本原理和算法

2.1相關(guān)處理算法

干涉測量信號相關(guān)處理的目的是通過兩信號的互相關(guān)功率譜得到干涉條紋，最終求得信道的相對時延差。當(dāng)前，各國主流的相關(guān)處理方法一般分為XF型相關(guān)處理和FX型相關(guān)處理兩種類型[6]。XF 型方法：先計算兩個信號的相關(guān)函數(shù)，即進行相關(guān)運算(相乘積分過程，記為“X”過程)，然后再對相關(guān)函數(shù)進行傅里葉變換(記為“F”過程)得到相關(guān)功率譜；FX 型方法：先對兩個信號分別進行傅里葉變換(記為“F”過程)，再對兩信號的頻譜交叉相乘積分(記為“X”過程)。根據(jù)傅里葉變換理論，F(xiàn)X 型算法與XF 型算法求取的功率譜是完全相同的[7]。本文采用FX相關(guān)處理方法。

由于信號在傳輸和處理過程中，受到電纜和DBBC設(shè)備內(nèi)部信號調(diào)理和傳輸模塊的影響，到達(dá)采集模塊存在一定的時延，為了將兩個信號進行互相關(guān)處理，需要進行一定的時延補償。假設(shè)信號到達(dá)DBBC1并被采集的時刻為t1，信號到達(dá)DBBC2并被采集的時刻為t2。兩個信號的時延Δτ：

設(shè)信號的采樣頻率為FHz，由于信號是以數(shù)字信號形式記錄的，因此采樣時間間隔ΔT=1/F。在相關(guān)處理過程中，Δτ由ISTC(整數(shù)比特部分)nΔT和FSTC(小數(shù)比特部分)τF組成，即

ISTC部分通過整數(shù)比特數(shù)據(jù)移位完成，完成后的信號表達(dá)式為：

對XISTC(t)進行傅里葉變換，可得：

由于信號是數(shù)字形式的，小數(shù)補償無法在時域完成，因此把小數(shù)補償FSTC在頻域完成，即相位在頻域進行平移：

兩DBBC接收到的信號，分別經(jīng)過以上過程并得到F1(ω)和F2(ω)，對它們進行相乘累加平均，得到互相關(guān)功率譜S(ω)：

其中A和φ(t,ω)分別為互相關(guān)功率譜的幅度和相位。由文獻[8]可知：互相關(guān)功率譜幅度為

由上式可知，當(dāng)Δτ為0時，互相關(guān)功率譜幅度在有效范圍內(nèi)是一常數(shù)。由互相關(guān)功率譜相位φ(t,ω)，可以得到

2.2PCAL信號處理算法

為了得到在觀測時間內(nèi)的各通道的非線性相位特性而設(shè)計的相位校準(zhǔn)信號，即為PCAL信號[9]。PCAL信號由本地參考信號激發(fā)階躍二極管產(chǎn)生脈寬為幾十ps的脈沖，PCAL信號在時域上是一列周期矩形脈沖信號，頻域上是一系列間隔為f0=1/T譜線，其包絡(luò)是Sinc函數(shù)，第一個零點由脈沖的寬度τ決定，相鄰諧波的相位差為πf0τ[10]。其時域波形、歸一化功率譜和相位譜如圖3所示。

圖3　PCAL信號時域波形圖、功率譜和相位頻圖

文獻[11]提出基于FFT的多頻點高效并行提取PCAL信號相位和幅度的快速算法。此算法的特點是并行快速和保證數(shù)據(jù)處理的精度。其算法流程如圖4所示。

圖4　多頻點高效并行提取PCAL流程

假設(shè)得到長度為N的基帶信號。預(yù)處理階段通過查表得到PCAL信號的頻率間隔(基頻f0)和基帶中第一個PCAL信號頻率偏移量foffset；設(shè)置FFT頻率分辨率為PCAL信號頻率的公倍數(shù)，以免造成頻譜泄露；設(shè)置數(shù)據(jù)長度L=M·(fs/f0)，其中M為整倍數(shù)，fs為采樣頻率。對收到的信號進行分段累加可得P(n)：

把基帶信號中的第一個PCAL信號移至零中頻可得P′(n)：

對P′(n)進行FFT運算可得V(k)：

從而可得PCAL信號的相位信息φk：

3　試驗設(shè)計和實測處理

利用兩臺DBBC設(shè)備，信號中饋入PCAL信號，對該信號進行采集和零基線干涉測量相關(guān)處理，用以測量兩臺DBBC設(shè)備時延相對一致性，即采集的信號為PCAL信號和通道噪聲之和。測試框圖如圖5。

圖5　零基線測試框圖

圖5中LNA為低噪聲放大器，本振頻率為8 130MHz。原子鐘向DBBC以及PCAL信號發(fā)生器提供10MHz時鐘參考源和1PPS時鐘信號。信號源提供PCAL信號發(fā)生器所需的100MHz參考時鐘。其余設(shè)備均采用深空站裝配設(shè)備。下變頻信號在開關(guān)矩陣處被一分為二，分別進入兩臺DBBC設(shè)備，最后在專用計算機處進行相關(guān)處理。

測試開始前，對相應(yīng)信號和設(shè)備的參數(shù)設(shè)置如表1所示，各通道頻率分布情況如圖6所示。

圖6　子通道帶寬示意圖

在1PPS控制下和開關(guān)矩陣的分路之后，DBBC1和DBBC2對信道噪聲和PCAL信號進行同步采集，并在事后相關(guān)處理。PCAL信號頻率間隔為0.1MHz。由圖5可知，兩路信號鏈路不同之處僅僅在開關(guān)矩陣之后，因此時延的差別只包括開關(guān)矩陣到DBBC和DBBC設(shè)備內(nèi)部器件時延。保證開關(guān)矩陣到DBBC之間鏈路一致性好的前提下，測得的時延越小，兩個DBBC設(shè)備的時延一致性越好。

為了得到各個子通道的互相關(guān)功率譜干涉條紋，對兩臺DBBC設(shè)備所采集到的數(shù)據(jù)進行FX相關(guān)處理[12]。最后拼接8個子通道的互功率譜干涉條紋，除去子通道前后的2MHz重疊頻率，得到如圖7所示100MHz帶寬的相關(guān)干涉條紋。

圖7　零基線相關(guān)處理拼接條紋

把得到的處理結(jié)果進一步處理，采用最小二乘曲線擬合，得到群時延和均方根如表2(PCAL標(biāo)校前)所示。由表2(PCAL標(biāo)校前)亦可知，DBBC設(shè)備的前端信號調(diào)理模塊能夠引起通道之間1～2ns的時延誤差，可以用PCAL信號來進行相位校準(zhǔn)來消除這樣的設(shè)備誤差。對圖7所表示的結(jié)果實際值和最小二乘線性擬合值進行做差，得到一個能夠反映兩臺DBBC設(shè)備特性的殘差，如圖8所示。

由圖8可知，DBBC設(shè)備在100MHz帶寬內(nèi)的相位波動可達(dá)0.1rad，可以造成的時延測量誤差量范圍為0.2ns以內(nèi)。當(dāng)前的測量誤差已經(jīng)符合DBBC在設(shè)計之初的誤差量范圍0.4ns。為了更好提高測量精度，減少測量誤差，用PCAL信號對設(shè)備的時延非線性進行標(biāo)校。分別提取兩DBBC設(shè)備各子通道的PCAL信號，得到各子通道的非線性時延。除去子通道零基線相關(guān)處理的非線性時延，得到標(biāo)校后的零基線相關(guān)處理條紋，如圖 9所示。

圖8　實際值與擬合值的殘差

圖9　PCAL標(biāo)校后零基線干涉條紋

由圖9可知：利用PCAL信號除去設(shè)備的非線性時延后，零基線相關(guān)處理的結(jié)果基本成一條直線，基本消除了設(shè)備時延的不一致性。得到標(biāo)校后的通道群時延和均方根，如表2(PCAL標(biāo)校后)所示。

表2　實測數(shù)據(jù)記錄表

從表2可知：PCAL標(biāo)校前后，每個子通道結(jié)果的準(zhǔn)確度提高了一到兩個數(shù)量級；從PCAL標(biāo)校后中的子通道16MHz帶寬和整個等效帶寬100MHz中可以看出，整個帶寬相對單個子通道的準(zhǔn)確度也提高了一個數(shù)量級。試驗結(jié)果表明：DBBC時延特性滿足設(shè)備設(shè)計之初0.4ns的指標(biāo)。

4　結(jié)論

通過對DBBC設(shè)備進行零基線干涉相關(guān)處理，對兩臺DBBC設(shè)備之間的時延一致性進行了測定。試驗結(jié)果表明：DBBC設(shè)備在經(jīng)過PCAL信號標(biāo)校后，在16MHz帶寬下，單通道的時延測量精度可達(dá)0.1ns，在100MHz帶寬下，時延測量精度為0.01ns量級。試驗也證明了，零基線干涉測量相關(guān)處理算法的有效性。本試驗是對零基線檢驗方法的一個簡單的應(yīng)用，利用零基線已知的真值“0”去判定測量結(jié)果的優(yōu)劣，是一種簡單實用的方法。下一步，可以尋找利用零基線對整個VLBI系統(tǒng)進行檢驗的方法，避免因為甚長距離帶來的種種困難。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

Research of DBBC Test Method Based on Zero-Baseline

MAO Xin-feng, MA Hong, ZHANG Yi-dong

(Academy of Equipment of PLA, Beijing 101416, China)

We compared delay consistency of DBBCs before and after correction. To measure the relative delay consistency of DBBC in VLBI system, zero-baseline interferometry test method was designed and conducted. Using PCAL signal, we calibrated the DBBC equipment for the nonlinear delay of the equipment. Results of experience shows that zero-baseline interferometry correlation processing algorithm is correct, and accuracy of group delay is an order magnitude higher to the specifications of DBBC after that the nonlinear delay is calibrated by PCAL signal.

zero-baseline; PCAL; DBBC; correlation processing

2016-04-18；

2016-05-02

毛鑫峰(1987—)，男，碩士研究生，主要從事信息科學(xué)與控制工程研究。

10.11809/scbgxb2016.09.024

format:MAO Xin-feng, MA Hong, ZHANG Yi-dong.Research of DBBC Test Method Based on Zero-Baseline[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(9):100-104.

TN919.6

A

2096-2304(2016)09-0100-05

本文引用格式：毛鑫峰，馬宏，張益東.基于零基線的DBBC檢驗[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(9):100-104.