利用沿锁定载波相位测量脉冲到达时差

利用沿锁定载波相位测量脉冲到达时差 利用沿锁定载波相位测量脉冲到达时差 第47卷第2期 2007年4月 Vo1.47No.2 Apr.2007 文章编号:1001—893X(2007)02—0116—03 利用沿锁定载波相位测量脉冲到达时差 廖刚,蔡挺松,刘盛利 (中国西南电子技术研究所,成都610036) 摘要:传统的单独利用脉冲沿,载波相位或中频相关的方法测量脉冲信号的到达时间差(TDOA) 都不容易达到较高的测量精度,为了实现高精度时差(皮秒量级)测量,在分析这些方法的基础上, 提出了利用脉冲沿来锁定载波相位实现宽带(初步设计实现了250MHz的带宽),大动态脉冲信号 TDOA的一种测量方法,给出了其实现的具体 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 并分析了能够达到的测量精度.目前该方法在实 验室条件下已经实现了10ps的测量精度,可用于短基线时差定位系统. 关键词:相对时间差测量;到达时间差(TDOA);载波相位测量;短基线时差定位系统;精度分析 中图分类号:TN97文献标识码:A TDOAMeasurementwiththePhaseLocked byEdgesofPulseSignals LIAO,CAI一song,LIUSheng—li (SouthwestChinaInstituteofElectronicTechnology,Chengdu610036,China) Abstract:TraditionalTDOAmeasurementmethods,suchastheedgeofpulsemeasurement method,phase ofsignalsmeasurementmethodandcorrelationofinterchannel,usuallycannotachievehighaccuracyre? sut.Inordertoobtainhigheraccuracy(picosecond),ameasurementmethodisproposedwhichusesthe phaselockedbyedgesofbmadband(250MHz)andwiderangedynamicpulsesignalstoachievehighac? curacy.Theflowofimplementationisgivenandtheaccuracyofmeasurementisanalysed.Withthismeth? od.10一 picosecondaccuracyisobtainedanditcanbeusedinshortbaselineTDOAlocationsystems. Keywords:relativeTDOAmeasurement;TDOA;phasemeasurementofsignals;shortbaselineTDOAloca? tionsystem;accuracyanalysis 时差测量技术作为一项基础技术在民用和军事 领域已经有着广泛的应用和需求,无论是雷达信号 处理,还是基于时间差的测向和定位,只要是基于到 达时间差(TDOA)的处理技术都需要时差测量的支 持.如何提高时差测量精度一直都是研究的热点问 题,单独的时域或频域的时差测量方法目前都不容 易达到较高的测量精度.本文在分析这些方法优, 缺点的基础上,提出了一种可实现皮秒量级的相对 时间差测量方法. 1典型的时差测量方法 时差测量的方法很多,如高频脉冲填充法,基于 脉冲前后沿的包络测量方法,通道间互相关时差提 取的方法,频域测频测相差提取时差方法等等,目前 广泛使用的基于脉冲前后沿的包络测量方法,在多 次测量求平均的基础上只能达到2ns左右的测时 差精度…;利用双通道互相关检测并求时差的方 法,达到了10ns的测量精度J.这里简单介绍两 种典型的方法,并分析其优,缺点. 1.1基于脉冲前后沿的测量方法 该方法是目前使用较多的测量方法,传统的处 理流程是首先对接收信号进行幅度归一化,然后对 信号进行检波,检波后的视频脉冲和一固定门限进 收稿日期:2006—09—21;修回日期:2007一o3—13 ? l16? .n ? 杖 一 国一 ? 第47卷第2期 2007年4月 Vo1.47No.2 Apr.2007 行比较,信号过门限的不同时刻之差便得到信号的 到达时差,同样两个脉冲在脉冲下降沿的时刻也可 以形成时间差,前沿的时差与后沿的时差求均值即 可得到脉冲的到达时差. 该方法具有实现简单,响应时间快,处理电路成 熟等优点,只要检波前信号有足够的信噪比,便可达 到较高的测量精度,在积累16个脉冲,检波带宽15 MHz的条件下(对应脉冲信噪比15dB),可以达到 2ns左右的测量精度.该方法的显着缺点就是一个 脉冲只能提取两个时差,对信号的信噪比要求较高, 需要较多的脉冲积累才能达到较高的精度. 1.2基于频域的时间差测量方法 基于频域的时间差测量方法类似于干涉仪测相 差的方法,在测量相位差的同时还要对信号进行频 率测量,最终计算出通道间的时间差. 该测量方法由于在一个脉冲内采样点多,可供 积累的信息较多,在较低的信噪比下就可以达到较 高的测量精度,但是该方法存在同干涉仪测量通道 间相位差一样的缺点,当时间差大于一个载波周期 时,测量就会出现模糊,这就导致其基线长度受到限 制.同时,该方法在求相位差时受采样精度和速率 的限制也比较明显,不易达到高精度的时差测量要 求 2利用沿锁定载波相位测量脉冲到达时差 的方法 这里所提出的利用沿锁定载波相位测量脉冲到 达时差的方法并不是一种单一的方法,其实质是包 络提取时差法,互相关时差提取法,干涉仪相位差时 间测量方法的综合,该方法利用上述各方法的优点, 弥补其缺点,最终实现了高精度时差测量. 顾名思义,沿锁定载波相位测量脉冲到达时差 的过程需分为脉冲沿测量(粗测)和在沿测量基础 上的相位测量(精测),这里的锁定指粗测及粗测与 精测相关联的过程.首先需要得到的就是脉冲沿测 时差的结果,即粗测量的过程,它是精测量的前提, 主要目的是提供时间差的整周期(相对于载波)和 为精测解相位模糊提供条件,其精度需小于1/2载 波周期.如图1所示,接收到的射频信号分两路,一 路按照脉冲包络粗测时差,完成时间粗测功能;另外 一 路信号分别进行正交混频,降低频率后送高速 A/D量化,求载波的相位,主要完成多采样点平均相 位差测量,载波频率测量,相位去模糊,最终的精确 时差计算等功能. 图1沿锁定载波相位测量脉冲到达时差原理图 系统标校是本测量方法最终能否实现皮秒量级 的关键.时差测量是一种相对的测量,在精确到皮 秒量级时,不可能准确地测量出在不同温度等条件 下的每个器件,甚至是每段传输线的延迟,所以必须 通过系统标校来完成通道的不一致性测量.标校包 含以下内容:通道间不同频率的时延特性;通道间在 不同的温度下的时延特性;天线间的相位不一致性. 当经过多次测量,形成了标校的数据 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 时,就可 以把这些标校数据代人正常的测量过程计算信号实 际的时差值. 3精度分析 3.1脉冲沿可用于相位锁定的条件分析 基于包络的粗测过程中的误差主要来自通道之 间的相位(时间)延迟不一致性及噪声.两通道之 间的相位(时间)延迟误差可以通过上述的系统校 正方法去掉,可以忽略不计.于是,误差的主要来源 就是热噪声引起的误差.对单个脉冲测量,热噪声 对测时误差的影响为 =t,//2STN(1) 式中为时间误差的均方根值; t,为脉冲前沿上升时间; S/N为测量所需的信噪比. 脉冲前沿上升时间t,与视频带宽的关系是 t,=0.35/B,当视频带宽B=15MHz时,时差提取 所需S/N=19dB,热噪声引起的测时均方根误差为 =1.85ns. 只要每次测量是独立的,多次测量后精度随 1/?凡改善. ? 117? ? 技 讥 国一 ? 第47卷第2期 2007年4月 Vo1.47No.2 Apr.2007 设测量次数n=25(对l3个脉冲测量,取前后 沿,且每次测量有效),理论上最终的时差粗测量精 ,r 度?:兰,即约为400ps的粗测精度. 4n 1 因此根据计算式fo?1一,在脉冲沿时差测量 厶Ll 精度400ps的条件下可对载波频率小于1250MHz 的脉冲信号实现无模糊的相位测量. 3.2载波相位测量精度分析 载波相位测量精度,即高精度时差测量的精测 精度,主要受信号信噪比,A/D量化误差及A/D器 件的锁定抖动影响. (1)由信噪比影响的对单次测量的载波相位测 量精度 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 如下: 1 dgo=(2) v /2q 由公式可知,当取信号的信噪比为q=17dB 时,单次采样可得到约6.的相位测量精度,即0-,= = 16.7ps(取,为1000MHz). 'q-rj (2)A/D的量化误差.其中量化误差由公式 (3)确定: Iarcssin-arcsin()l cr2——————?_————一 (3) 式中,是采样点的相位,k是采样码的长度是载 波频率.以8位的A/D采样器件AD9054对1000 MHz(混频前)的信号量化为例,可以得到图2所示 的仿真结果,其中最大的误差不超过1.8ps. 菖 嚣 孽 05101520'2530354045 载频相位(.) 图2A/D器件的量化误差对时差测量的影响 ? ll8? (3)以AD9054为例,其时钟锁定的抖动(Jit— ter)典型值为0-=2.5ps左右.对单次测量,总误 差为 = /2+0-;+0-;(40-0"1)I=+2+3 即当取载波信号的信噪比为q=17dB时,精测量的 误差约为l7ps. 1 只要每次测量是独立的,多次测量后精度随 4n 改善.取100次测量的条件下理论上即可达到 1.7ps的测量精度.当然受实际条件的影响,特别 是标校的影响,最终达到了约lOps的精度. 4结束语 本文通过分析传统的时间差测量方法难于实现 高精度时差测量的原因,提出了利用脉冲沿来锁定 脉冲到达时的相位,可无模糊地实现皮秒量级的相 对时差测量,其意义在于实现了一种高精度的测量 工具,这种高精度的测量工具可用于测距和测向系 统,能够显着提高这些系统的技术指标,降低系统的 使用要求. 参考文献: [1]刘锋.基于机载雷达侦察系统的时差测向精度分析 [c]?第八届全国雷达学术年会论文集.2002:724— 727. [2]张超.雷达信号的中频相关检测和时差提取[J].电 子对抗技术,2001,(3). [3]胡来招.无源定位[M].北京:国防工业出版社, 2004. [4]邵建华.到达时间差测量处理技术[J].雷达与对抗, 2003,(3). 作者简介: 廖刚(1972一),男,四川仁寿人, 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师,主要从事时 差测向和信号处理的研究工作,(电话)028—87555516(电 子信箱)liaogang8@163.eom; 蔡挺松(1976一),男,重庆人,工程师,主要从事时差测 向和信号处理的研究工作; 刘盛利(1974一),男,四川简阳人,硕士,主要从事信号 处理的研究工作. 一 咖 救 国一 咖 02468l2468 一