基于零基線的DBBC檢驗(yàn)

毛鑫峰，馬　宏，張益東

(中國(guó)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(yàn)

毛鑫峰，馬宏，張益東

(中國(guó)人民解放軍裝備學(xué)院，北京101416)

比較設(shè)備非線性時(shí)延校正前后的DBBC設(shè)備時(shí)延一致性。設(shè)計(jì)零基線干涉測(cè)量試驗(yàn)，對(duì)VLBI系統(tǒng)中DBBC設(shè)備的時(shí)延一致性進(jìn)行了測(cè)量試驗(yàn)；針對(duì)設(shè)備時(shí)延的非線性，利用PCAL信號(hào)對(duì)DBBC設(shè)備進(jìn)行標(biāo)校；用MATLAB處理軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：零基線干涉測(cè)量相關(guān)處理算法有效；經(jīng)過(guò)PCAL信號(hào)非線性時(shí)延標(biāo)校的DBBC設(shè)備群時(shí)延準(zhǔn)確性相對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

零基線；PCAL；DBBC；相關(guān)處理

VLBI(Very Long Baseline Interferometry，甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量)技術(shù)是深空探測(cè)、導(dǎo)航和精密定軌的重要手段之一[1]。對(duì)VLBI系統(tǒng)各設(shè)備的校準(zhǔn)和檢測(cè)是VLBI系統(tǒng)執(zhí)行測(cè)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(hào)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(guó)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(cè)試方式用以檢驗(yàn)數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器。

所謂零基線就是將兩臺(tái)或多臺(tái)數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器置于同一位置或者將同一臺(tái)設(shè)備的不同通道皆視為不同的觀測(cè)站。2009年，Haystack天文臺(tái)對(duì)3臺(tái)數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了零基線測(cè)試，3臺(tái)數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器分別為來(lái)自歐洲INAF/IRA的dBBC、上海天文臺(tái)的CDAS以及Haystack天文臺(tái)自己的DBE1，這次測(cè)試驗(yàn)證了各個(gè)設(shè)備的正確性[2]；2010年中科院下屬天文臺(tái)對(duì)CDAS進(jìn)行了長(zhǎng)基線相關(guān)測(cè)試[3]。本文利用PCAL信號(hào)提取信道相位特性，并利用零基線信號(hào)相關(guān)處理的方法完成對(duì)我院研制的DBBC設(shè)備相對(duì)時(shí)延的測(cè)量和相關(guān)處理算法的檢驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，寬帶信號(hào)相關(guān)處理的時(shí)延估計(jì)值反映了試驗(yàn)系統(tǒng)中DBBC設(shè)備精度和寬帶信號(hào)處理算法的正確性。

1　VLBI基帶轉(zhuǎn)換器和零基線檢驗(yàn)

VLBI技術(shù)是通過(guò)兩深空站完成對(duì)信號(hào)接收，并進(jìn)行相關(guān)處理得出兩站接收信號(hào)同一波面的時(shí)間差，解算得到天體或者航天器角度的深空測(cè)量技術(shù)。其原理圖如圖1：解算得到信號(hào)到達(dá)天線1和天線2的時(shí)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(zhǎng)度和光速。其中，VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器(DBBC)將射頻接收機(jī)輸出的中頻信號(hào)進(jìn)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(hào)下變頻到零中頻，即基帶信號(hào)，因此，VLBI 數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器性能的優(yōu)劣對(duì)干涉測(cè)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(guò)采集同一寬帶信號(hào)進(jìn)行零基線干涉測(cè)量[5]，獲取干涉條紋和準(zhǔn)確的時(shí)延估計(jì)值。由文獻(xiàn)[3]可知利用長(zhǎng)基線觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理檢驗(yàn)，最終的處理結(jié)果包含觀測(cè)站之間的時(shí)鐘同步誤差、接收系統(tǒng)設(shè)備時(shí)延誤差和大氣時(shí)延誤差等誤差項(xiàng)。零基線檢驗(yàn)法可以避免這些誤差項(xiàng)，可以突出反映DBBC之間時(shí)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(shí)延關(guān)系包括信號(hào)經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣進(jìn)行分路后的信道特性，試驗(yàn)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(duì)特性；同時(shí)，由于待檢驗(yàn)設(shè)備處于同一地點(diǎn)，避免了時(shí)鐘誤差，幾何時(shí)延誤差和大氣時(shí)延誤差等因素；除此之外，零基線檢驗(yàn)法同樣也可以達(dá)到對(duì)干涉測(cè)量寬帶信號(hào)處理算法的檢驗(yàn)。

圖2　零基線檢驗(yàn)法示意圖

2　基本原理和算法

2.1相關(guān)處理算法

干涉測(cè)量信號(hào)相關(guān)處理的目的是通過(guò)兩信號(hào)的互相關(guān)功率譜得到干涉條紋，最終求得信道的相對(duì)時(shí)延差。當(dāng)前，各國(guó)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(jì)算兩個(gè)信號(hào)的相關(guān)函數(shù)，即進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算(相乘積分過(guò)程，記為“X”過(guò)程)，然后再對(duì)相關(guān)函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換(記為“F”過(guò)程)得到相關(guān)功率譜；FX 型方法：先對(duì)兩個(gè)信號(hào)分別進(jìn)行傅里葉變換(記為“F”過(guò)程)，再對(duì)兩信號(hào)的頻譜交叉相乘積分(記為“X”過(guò)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(hào)在傳輸和處理過(guò)程中，受到電纜和DBBC設(shè)備內(nèi)部信號(hào)調(diào)理和傳輸模塊的影響，到達(dá)采集模塊存在一定的時(shí)延，為了將兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)處理，需要進(jìn)行一定的時(shí)延補(bǔ)償。假設(shè)信號(hào)到達(dá)DBBC1并被采集的時(shí)刻為t1，信號(hào)到達(dá)DBBC2并被采集的時(shí)刻為t2。兩個(gè)信號(hào)的時(shí)延Δτ：

設(shè)信號(hào)的采樣頻率為FHz，由于信號(hào)是以數(shù)字信號(hào)形式記錄的，因此采樣時(shí)間間隔ΔT=1/F。在相關(guān)處理過(guò)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(guò)整數(shù)比特?cái)?shù)據(jù)移位完成，完成后的信號(hào)表達(dá)式為：

對(duì)XISTC(t)進(jìn)行傅里葉變換，可得：

由于信號(hào)是數(shù)字形式的，小數(shù)補(bǔ)償無(wú)法在時(shí)域完成，因此把小數(shù)補(bǔ)償FSTC在頻域完成，即相位在頻域進(jìn)行平移：

兩DBBC接收到的信號(hào)，分別經(jīng)過(guò)以上過(guò)程并得到F1(ω)和F2(ω)，對(duì)它們進(jìn)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(xiàn)[8]可知：互相關(guān)功率譜幅度為

由上式可知，當(dāng)Δτ為0時(shí)，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(hào)處理算法

為了得到在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的各通道的非線性相位特性而設(shè)計(jì)的相位校準(zhǔn)信號(hào)，即為PCAL信號(hào)[9]。PCAL信號(hào)由本地參考信號(hào)激發(fā)階躍二極管產(chǎn)生脈寬為幾十ps的脈沖，PCAL信號(hào)在時(shí)域上是一列周期矩形脈沖信號(hào)，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(gè)零點(diǎn)由脈沖的寬度τ決定，相鄰諧波的相位差為πf0τ[10]。其時(shí)域波形、歸一化功率譜和相位譜如圖3所示。

圖3　PCAL信號(hào)時(shí)域波形圖、功率譜和相位頻圖

文獻(xiàn)[11]提出基于FFT的多頻點(diǎn)高效并行提取PCAL信號(hào)相位和幅度的快速算法。此算法的特點(diǎn)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(diǎn)高效并行提取PCAL流程

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

把基帶信號(hào)中的第一個(gè)PCAL信號(hào)移至零中頻可得P′(n)：

對(duì)P′(n)進(jìn)行FFT運(yùn)算可得V(k)：

從而可得PCAL信號(hào)的相位信息φk：

3　試驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)測(cè)處理

利用兩臺(tái)DBBC設(shè)備，信號(hào)中饋入PCAL信號(hào)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采集和零基線干涉測(cè)量相關(guān)處理，用以測(cè)量?jī)膳_(tái)DBBC設(shè)備時(shí)延相對(duì)一致性，即采集的信號(hào)為PCAL信號(hào)和通道噪聲之和。測(cè)試框圖如圖5。

圖5　零基線測(cè)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(hào)發(fā)生器提供10MHz時(shí)鐘參考源和1PPS時(shí)鐘信號(hào)。信號(hào)源提供PCAL信號(hào)發(fā)生器所需的100MHz參考時(shí)鐘。其余設(shè)備均采用深空站裝配設(shè)備。下變頻信號(hào)在開(kāi)關(guān)矩陣處被一分為二，分別進(jìn)入兩臺(tái)DBBC設(shè)備，最后在專用計(jì)算機(jī)處進(jìn)行相關(guān)處理。

測(cè)試開(kāi)始前，對(duì)相應(yīng)信號(hào)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(kāi)關(guān)矩陣的分路之后，DBBC1和DBBC2對(duì)信道噪聲和PCAL信號(hào)進(jìn)行同步采集，并在事后相關(guān)處理。PCAL信號(hào)頻率間隔為0.1MHz。由圖5可知，兩路信號(hào)鏈路不同之處僅僅在開(kāi)關(guān)矩陣之后，因此時(shí)延的差別只包括開(kāi)關(guān)矩陣到DBBC和DBBC設(shè)備內(nèi)部器件時(shí)延。保證開(kāi)關(guān)矩陣到DBBC之間鏈路一致性好的前提下，測(cè)得的時(shí)延越小，兩個(gè)DBBC設(shè)備的時(shí)延一致性越好。

為了得到各個(gè)子通道的互相關(guān)功率譜干涉條紋，對(duì)兩臺(tái)DBBC設(shè)備所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行FX相關(guān)處理[12]。最后拼接8個(gè)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(jìn)一步處理，采用最小二乘曲線擬合，得到群時(shí)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(hào)調(diào)理模塊能夠引起通道之間1～2ns的時(shí)延誤差，可以用PCAL信號(hào)來(lái)進(jìn)行相位校準(zhǔn)來(lái)消除這樣的設(shè)備誤差。對(duì)圖7所表示的結(jié)果實(shí)際值和最小二乘線性擬合值進(jìn)行做差，得到一個(gè)能夠反映兩臺(tái)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(dòng)可達(dá)0.1rad，可以造成的時(shí)延測(cè)量誤差量范圍為0.2ns以內(nèi)。當(dāng)前的測(cè)量誤差已經(jīng)符合DBBC在設(shè)計(jì)之初的誤差量范圍0.4ns。為了更好提高測(cè)量精度，減少測(cè)量誤差，用PCAL信號(hào)對(duì)設(shè)備的時(shí)延非線性進(jìn)行標(biāo)校。分別提取兩DBBC設(shè)備各子通道的PCAL信號(hào)，得到各子通道的非線性時(shí)延。除去子通道零基線相關(guān)處理的非線性時(shí)延，得到標(biāo)校后的零基線相關(guān)處理?xiàng)l紋，如圖 9所示。

圖8　實(shí)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(hào)除去設(shè)備的非線性時(shí)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(shí)延的不一致性。得到標(biāo)校后的通道群時(shí)延和均方根，如表2(PCAL標(biāo)校后)所示。

表2　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)記錄表

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

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)DBBC設(shè)備進(jìn)行零基線干涉相關(guān)處理，對(duì)兩臺(tái)DBBC設(shè)備之間的時(shí)延一致性進(jìn)行了測(cè)定。試驗(yàn)結(jié)果表明：DBBC設(shè)備在經(jīng)過(guò)PCAL信號(hào)標(biāo)校后，在16MHz帶寬下，單通道的時(shí)延測(cè)量精度可達(dá)0.1ns，在100MHz帶寬下，時(shí)延測(cè)量精度為0.01ns量級(jí)。試驗(yàn)也證明了，零基線干涉測(cè)量相關(guān)處理算法的有效性。本試驗(yàn)是對(duì)零基線檢驗(yàn)方法的一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用，利用零基線已知的真值“0”去判定測(cè)量結(jié)果的優(yōu)劣，是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法。下一步，可以尋找利用零基線對(duì)整個(gè)VLBI系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)的方法，避免因?yàn)樯蹰L(zhǎng)距離帶來(lái)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(yàn)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(9):100-104.