一种基于相位的相对延迟变化测量方法

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1、中国科学院上海天文台年刊２００７年总第２８期ＡＮＮＡＬＳＯＦＳＨＡＮＧＨＡＩＡＳＴＲＯＮＯＭＩＣＡＬＯＢＳＥＲＶＡＴＯＲＹ，ＣＡＳＮｏ．２８，２００７一种基于相位的相对延迟变化测量方法王锦清韦文仁（中国科学院上海天文台，上海２０００３０）提要详细地介绍了ＶＬＢＩ系统的地面单元中电缆延迟变化的测量方法，这种基于相位的测量方法，为相关领域的高精度延迟测量提供了借鉴。概要介绍了地面单元中电缆测量、反射调制以及相位比较器的工作原理，对各个环节作了数学上的推导分析。给出了一个电缆相对延迟值随温度变化的测试

2、样本。主题词：地面单元—相位—测量—延迟变化—移相—调制—锁相环分类号：Ｐ２２８．６，ＴＭ９３５．２７１引言测地ＶＬＢＩ系统要求对设备的相位和延迟作精确的校正。ＶＬＢＩ系统中的天线单元和地面单元就是为此目的而研制，前者用于相位校正，后者用于延迟校正。地面单元和天线单元框图如图１所示。天线单元又称相位校准单元，主要是一个梳状谱发生器，用于产生向接收机前端注入的１ＭＨｚ间隔的脉冲信号，其目的是在后处理中提取这些信号在不同频段上相位的移动，从而得知并补偿不同频段ＢＢＣ（基带转换器，ＢａｓｅＢａｎｄＣｏ

3、ｎｖｅｒｔｏｒ）的相位变动，这在文献［１］中有详细的阐述。从地面单元到天线单元信号传输的延时变化，将直接影响相位校准信号的准确性，就有必要对地面单元的电缆相对延迟测量的目的及原理作比较深入的分析。地面单元的主要功能是测量其自身（通常位于ＶＬＢＩ终端）和相位校准信号注入点（通常图１地面单元和天线单元Ｆｉｇ．１Ｇｒｏｕｎｄｕｎｉｔａｎｄａｎｔｅｎｎａｕｎｉｔ收稿日期：２００７０３１５；修回日期：２００７０５０７１２０中国科学院上海天文台年刊２００７年［２］位于接收机）之间电缆传输的延迟变化量

4、（相对测量）。因为相位校准信号为宽带梳状谱信号（覆盖范围为０～１２ＧＨｚ），它与射频信号耦合并进入接收机的低噪声放大器（见图１），所以在后面的中频信号中已经含有梳状谱信号，对于中频信号到格式器的延迟测量可以通过测量１兆间隔的梳状谱信号的相位变化求出。可见梳状谱的稳定性是极为重要的，而要确保梳状谱的稳定性，就必须保证从终端的地面单元到天线单元之间５ＭＨｚ信号的稳定性（因为梳状谱是由５ＭＨｚ分频后触发的）以及延迟变化的可知性，地面单元通过测量电缆的延迟变化就可以得知相位校准信号的延迟变化，所以地面单

5、元可以看成是对相位校准信号的校准。通常情况下ＶＬＢＩ终端和接收机之间的距离比较远，上海的距离大约为１５ｍ，乌鲁木齐、昆明的则为１００ｍ以上，５ＭＨｚ信号在经过这么长距离的传输后将引起不同程度的时间延迟，在理想情况下（即恒温恒压等条件下），这个延迟的平均绝对量可以在相关处理后用拟合的手段求出，但是，在温度等因素变化的情况下，这个延迟的平均绝对量和实际绝对量的偏差已经达到数十皮秒，这样的偏差已经影响到相位校准信号的精度，进而影响到后面中频信号中梳状谱的精度。因此，测量获得并记录ＶＬＢＩ终端和接收机之

6、间（也就是地面单元和天线单元之间）５ＭＨｚ电缆延迟的相对变化量，然后在数据处理时修正这项变化值，对于测地等高精度的天文测量具有十分重要的意义。同时这种基于相位的精确相对测量方法对于相关领域都具有借鉴意义。电缆延迟变化的测量方法有多种，低成本的方法中常用的有这样两种：第一种方法是使用矢量电压计，测量参考信号和被天线单元反射回来的信号之间的相位差，这种方法简单，但是存在的不足是在接收机和ＶＬＢＩ终端之间电缆上的反射将引入误差（这主要是由电缆连接不好等因素造成的），且该误差具有很大的随机性。第二种方法

7、也就是当前我们采用的测量方法，由地面单元电路进行电缆延迟测量，其基本原理是测量通过电缆后被反射回来的带有［３］５ｋＨｚ调制的５ＭＨｚ的相位延迟，这种方法为在线测量方法，现场的测量值可在百兆计数器上直接读出，并可以记录数据供观测后处理。２电路原理延迟校准系统如图２所示，主要由三个部分组成，它们分别是地面单元的电缆测量部分、［４］相位比较部分、天线单元的反射调制部分。来自原子钟的５ＭＨｚ频率信号经缓冲器放大后，通过功分器、多路器，经长电缆发送到天线单元，与此同时由该频率信号分频得到的５ｋＨｚ信号也通

8、过同样路径发送到天线单元，在天线单元的“反射调制”电路部分调制出上下边带信号（即５ＭＨｚ±５ｋＨｚ信号），该信号又被天线单元的ＨＹＢＲＩＤ反射回来，通过多路传送器返回地面单元，并在地面单元的电缆测量部分解调出５ｋＨｚ信号，它包含了５ＭＨｚ通过电缆来回传输而引入的相位延迟信息。让它和本地５ｋＨｚ比相，并通过相移器把这个相位延迟信息传递到另一路５ＭＨｚ上，然后又通过这一路带有相位延迟信息的５ＭＨｚ和另一路本地、无相位延迟的５ＭＨｚ进行比相，再将相位延迟传递到相位比较部分的２５Ｈｚ信号上（通过和本振混