无线链路时延测试与标定

宋海涛，申建华

(中国电子科技集团公司第54研究所，河北 石家庄　050081)



无线链路时延测试与标定

宋海涛，申建华

(中国电子科技集团公司第54研究所，河北 石家庄050081)

无线链路的时延测试标定是解决系统建设过程中卫星、地面设备的时延测试和时间同步闭合问题的关键因素。无线链路的时延标定，区别于有线链路时延，为包含射频设备和空间无线传输的联合时延测试。本文对无线链路的时延定义、变化规律和影响因素等进行了分析，对单向时延和组合时延测试方法进行了研究，对时延数据应用和时延测试规范进行了探索。

卫星导航；时延；无线传输

0　引言

导航设备无线时延标定需要对包含天线在内的设备时延进行测量和标定。其中，天线相位中心和时延的精确标定是一大难题[1-5]。特别是对于时间同步地面站所使用的大型天线，相位中心和时延的测量缺乏直接测量手段，通常是分段测量和等光程计算结合合成天线时延[6-9]，这一方法存在精度检核困难的问题。分段测试所采用的测量设备、测试方法、测试信号参数等均不可能完全相同，也就是说分段测试的测量基准不一样，这样必将导致合成的测量结果准确度下降，且测量精度难以评估。因此研究一种新的无线标定方法，使所有测量都是通过同一测试终端产生，而且无需分段测量，是精确得到全链路的单向时延的关键。

由于无线标定中使用了无线链路传送测量信号，测量中的不可控因素较多，信号干扰和测量设备时延变化等因素都将对标定精度产生较大影响。为了提高标定精度和进行误差项分析，需要设计多种不同的测量试验、长时间测量数据的分析和复杂的数据处理技术，最终选择效果最佳的标定方法。

1　无线链路时延分解

无线链路的时延标定主要的研究内容是发射天线与接收天线的天线时延的标定方法。一个标准的无线链路工作状态如图1所示，包括输出发射信号的发射终端，实现调制与信号放大功能的发射机，辐射电磁信号的发射天线，接收电磁信号的接收天线，实现信号放大与解调的接收机，处理接收信号的接收终端以及收发天线之间的无线传输环境。时延存在于整个电磁信号传输的路径中，为了便于分析，首先根据无线链路各器件时延特性的不同，对整个无线链路的时延进行必要的分解。

图1　无线链路组成结构图

电磁信号的起点位于发射终端信号的产生点处，本地时刻记为t0。电磁信号产生后，经发射机传送到发射天线馈源点处，这部分传输路径的时延记为Δt1。该时延可通过长时间的拷机测试进行标定。电磁信号进入天线馈源点后，经天线辐射单元进入无线传输环境，在发射天线上的信号传输时延记为Δt2。一般来说天线上的时延定义为电磁信号由天线馈源点到天线相位中心这一段传输路径的时延。由于天线工作特性的特殊性，导致该时延很难采用常规的设备进行标定分析。由发射天线相位中心到接收天线相位中心的无线传输时延记为Δt3。该时延可通过电磁场的传输理论进行分析计算。类似的，由接收天线相位中心到接收天线馈源点的传输时延记为Δt4。由接收天线馈源点到接收终端前的传输时延记为Δt5。电磁信号进入接收终端时，接收终端的本地时刻记为t0′。整个无线链路的总的时延Δt0可表示为

Δt0=t0′-t0

无线链路的时延特性标定主要是通过设计试验方法对收发天线的时延Δt2、Δt4进行标定分析。简单来说，当收发天线采用相同规格的天线元件时，天线时延可表示为

Δt2=Δt4=(Δt0-Δt1-Δt3-Δt5)/2

2　无线链路时延特性分析

从前面的分析可知，无线链路时延标定实验的主要测试结果有4个，分别是矢网输出的收发信号总时延Δt0，发射、接收物理链路的时延Δt1，Δt5以及波导天线之间空间链路的时延Δt3。

矢网输出的总时延Δt0是实验输出的直接测试结果。Δt0测量的准确度直接决定了天线时延的标定精度。一般来说，矢网时延的测试结果精度在0.1ns左右。矢网测试结果的误差来源主要有随机误差以及系统时延稳定性带来的时延漂移，因此实际的测量结果可表示为

其中τ(t)与系统的时延稳定性有关，κ为随机误差，与测量环境和设备的噪声等有关。在实验过程中可以采用以下途径降低以上误差的影响。

测试前，对所用到的设备进行足够时间的拷机处理，以保证测试过程中设备工作环境，包括温度、湿度等条件的稳定性；

测试过程中，将矢网的两校准端口对接，理论上来说此时的时延值应为0；通过一定时间的观测，记录测量时延的变化曲线，并应用该曲线对实验的测试结果Δt0进行必要的修正。

一般来说，降低随机误差干扰的常用手段是多次测量，采用数值滤波方法，取中间值。

图2　波导口天线的辐射模式

波导天线之间空间链路的时延Δt3的获得是理论计算的结果。在本实验，波导口天线时延标定的时延架构中，波导口天线的辐射模式如图2所示。A点为波导口的上端点，O点为波导口面的几何中心，B点为外部自由空间的任意一点。L为AB间距离，R为OB间距离。

观察点B处的场分布ψ可利用波导口面处的场分布ψ0来表示[10,11]：

当L≫λ，观察点处的场可由波导口面处的初始标量场分布ψ0可表示为

对于上述实验结构，当两天线的相位中心互相对准时，即为上式x′=0，z=R的特例，因此接收天线处的场分布可表示为

Δt3=R/c

必须注意的是，上式仅在两天线相位中心对准时成立。因此，本实验测量过程中需要注意以下几点：

波导天线的相位中心标校精度对测试结果的影响很大。

两波导天线的相位中心在测试过程中需保证对准。

满足以上测试条件后，对于实验中的对比方案，即两波导物理上连接的模式匹配下测试方案和两波导之间距离满足远场条件的无线测量方案，两种测量方案的结果应该是相同的。

3　结论

对无线链路的时延定义、变化规律和影响因素等进行了分析，对单向时延和组合时延测试方法进行了研究，对时延数据应用和时延测试规范进行了探索。并设计了无线链路的时延测试方法，分析了波导天线的相位中心标校精度对测试结果的影响，以及处理方法。

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Measurement and calibration of time delay in wireless routes

SONG Hai-tao，SHEN Jian-hua

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

The measurement and calibration of time delay in the wireless route is an important factor in solving time delay measurement and time synchronization loop problem of the navigation system constructions,including satellite and surface equipment.The wireless calibration of time delay,distinguish with wired route,is a synthetically time delay measurement combined with the radio frequency equipment and wireless transmission.This paper analyzed the definition of time delay in wireless route and the regularization of its transformation under influence factors,studied the measurement method of one-way time delay and combined time delay,and explored the standard and application of time delay calibration.

Satellite navigation; Time delay; Wireless transmission

2016-03-10

宋海涛(1985-)，男，工程师,研究方向：射频微波.

1001-9383(2016)02-0039-04

TN713

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