一种传输时延和传输距离测量系统和方法与流程

本发明涉及传输时延测量和传输距离测量领域，特别是涉及一种传输时延和传输距离测量系统和方法。

背景技术：

当信号通过某一传输系统或网络时，其输出信号相对于输入信号将不可避免的产生一定的时间延迟。对于通信系统，传输的时延特性在很大程度上决定了传输信号的线性失真情况。此外，距离的测量通常依赖于时间延迟的测量。因此，传输时延的测量准确度在航天测控、导航定位、数字通信等诸多领域中起着关键作用。

时延测量技术发展的历史可追溯到20世纪30年代。美国的H.Nyquist和S.Brand等人在《BSTJ》杂志上发表了关于时延测量的论文，文章论述了群时延的物理意义和测量方法。近年来，随着电子技术的迅速发展和广泛应用，出现了许多新的信号传输系统。时延的测量理论和测量方法日臻完善，各种测量仪器相继问世。目前，时延的测量根据其基本原理主要可归为时域的测量和频域的测量。时域的时延测量是较为传统的测量方法，且一直沿用至今，典型的有时间间隔计数器、光时域反射计等，其主要原理为通过传输脉冲信号引入时间延迟，测量其传输前后的时间间隔，受限于传输系统的非线性效应和脉冲宽度，该测量方法精度较低，测量范围较小；频域的时延测量应运而生，最为常用的是网络分析仪，其测量原理是根据系统的相频响应曲线求取群时延特性，而矢量信号分析仪，则是通过对双通道的傅里叶变换和互相关运算，由相关数值的峰值位置确定信号时延差，频域的时延测量具有更高精度和更大范围，但系统通常较为复杂，操作也更繁琐。同时，随着越来越多样的传输系统和工作模式的出现，对时延测量的准确度、测试手段的多样化等均提出了更高的要求。

技术实现要素：

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种传输时延和传输距离测量系统和方法，其利用相位鉴别将微波信号的频率锁定于传输时延，进而通过频率测量间接获得传输时延和传输距离，大大提高了传输时延与传输距离的测量精度。

为达上述及其它目的，本发明提出一种传输时延和传输距离测量系统，包括：

发射单元，用于产生频率可调的传输信号，并将其发射进入传输媒介；

反射单元，用于在该传输媒介远端反射该传输信号；

鉴相单元，用于对发射和传回的传输信号进行相位鉴别，产生误差信号；

锁频单元，用于利用该误差信号产生控制信号，将该控制信号输入该发射单元控制其发射传输信号的频率，使传输信号频率锁定于传输时延；

测量单元，用于记录该误差信号，并测量传输信号的频率，获得传输时延和传输距离。

进一步地，该发射单元先后以不同频率发射传输信号，经发射、相位鉴别分别产生误差信号，该锁频单元利用先后获得的误差信号分别产生控制信号至发射单元，以分别控制该发射单元发射传输信号的频率，使传输信号的频率锁定于传输时延。

进一步地，该锁频单元根据该误差信号产生控制信号，反馈控制该发射单元发射的传输信号的频率，使传输时延引起的相位延迟为90度的奇数倍m，从而使误差信号为0，将传输信号的频率锁定于传输时延，为第一锁定频率f₁；在频率没有锁定的状态下，由该发射单元改变发射传输信号的频率，该锁频单元根据该鉴相单元产生的误差信号，反馈控制该发射单元发射的传输信号的频率，使传输时延引起的相位延迟为90度的奇数倍n，n不等于m，从而使误差信号为0，使传输信号的频率再次锁定于传输时延，为第二锁定频率f₂。

进一步地，该测量单元在该发射单元改变发射传输信号的频率、以一定步长从第一锁定频率f₁扫频至第一锁定频率f₂时，同步记录该误差信号，获得扫频过程中该误差信号的过零点数N。

进一步地，该测量单元根据测量得到的第一锁定频率f₁、第二锁定频率f₂以及误差信号的过零点数N,利用下式获得传输时延τ：

$\mathrm{\τ}=\frac{N}{4(f_2-f_1)}.$

进一步地，该测量单元根据下式获得相应的传输距离D：

D=τ·v

其中，v为该发射单元发射的传输信号的传输速率，τ为传输时延。

进一步地，该鉴相单元利用混频器和低通滤波器实现发射和传回两路信号的相位鉴别。

为达到上述目的，本发明还提供一种传输时延和传输距离测量方法，包括如下步骤：

步骤一，由发射单元产生频率可调的传输信号，经传输媒介传输到远端，被反射单元返回；

步骤二，利用鉴相单元对发射和传回的传输信号进行相位鉴别，产生误差信号；

步骤三，利用锁频单元根据产生的误差信号生成调节发射单元传输信号频率的控制信号，使其锁定于传输时延；

步骤四，利用测量单元，在传输信号频率变化过程中记录误差信号，在传输信号频率锁定于传输时延后测量传输信号的频率，并通过记录的误差信号和测量的传输信号频率，获得传输时延和传输距离。

进一步地，步骤三进一步包括：

将误差信号输入该锁频单元，产生控制信号，反馈控制该发射单元发射的传输信号的频率，使传输时延引起的相位延迟为90度的奇数倍m，从而误差信号为0，将传输信号的频率锁定于传输时延，为第一锁定频率f1；

在频率没有锁定的状态下，由该发射单元进一步改变发射的传输信号的频率，通过步骤一与步骤二获得误差信号，该锁频单元根据该误差信号产生控制信号，输入至该发射单元，反馈控制该发射单元发射的传输信号的频率，使传输时延引起的相位延迟为90度的奇数倍n，n不等于m从而误差信号为0，将传输信号的频率再次锁定于传输时延，为第二锁定频率f₂。

进一步地，步骤四进一步包括：

测量单元测量发射单元先后发射的传输信号的频率，得到第一锁定频率f₁与第二锁定频率f₂；

在传输信号频率未锁定的状态下，发射单元改变发射传输信号的频率，使其以一定步长从第一锁定频率f₁扫频至第二锁定频率f₂，该测量单元在扫频的同时，同步记录误差信号V₃，获得扫频过程中误差信号的过零点数N，

根据第一锁定频率f₁与第二锁定频率f₂以及误差信号的过零点数N计算获得该传输时延和传输距离。

与现有技术相比，本发明一种传输时延和传输距离测量系统及方法，通过传输信号经过传输媒介往返传输，由传输时延引入相位延迟，通过对发射和传回的传输信号进行相位鉴别，获得该相位延迟并反馈控制传输信号频率，使其锁定于传输时延，通过对频率变化引起的相位延迟变化的记录和锁定频率的测量，计算得到传输时延，并根据已知的传输信号在传输媒介中的传输速率，进一步计算得到传输距离，本发明可提高传输时延与传输距离的测量精度。

附图说明

图1为本发明一种传输时延和传输距离测量系统的系统架构图；

图2为本发明一种传输时延和传输距离测量方法的步骤流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种传输时延和传输距离测量系统的系统架构图。如图1所示，本发明一种传输时延和传输距离测量系统，包括：发射单元1、反射单元2、鉴相单元3、锁频单元4以及测量单元5。

其中，发射单元1，用于产生频率可调的传输信号，并将传输信号发射进入传输媒介；反射单元2，用于在传输媒介远端反射传输信号；鉴相单元3，用于对发射和传回的传输信号进行相位鉴别，产生误差信号；锁频单元4，用于利用误差信号产生控制信号，并将该控制信号输入发射单元控制传输信号的频率，使传输信号频率锁定于传输时延；测量单元5，用于记录误差信号，并测量传输信号的频率，获得传输时延和传输距离。

具体地说，由发射单元1产生并发射进入传输媒介的传输信号为

这里，A₁表示发射传输信号的振幅；f表示发射传输信号的频率；表示发射传输信号的相位。需说明的是，本发明所述的发射方式，可根据传输媒介的种类有不同选择，可选的，针对光纤传输媒介，可将传输信号经振幅调制加载到光信号上发射出去；针对自由空间传输媒介，可将传输信号经发射天线直接发射出去，也可将传输信号经振幅调制加载到光信号上发射出去，但发射方式不限于此，不在本发明的讨论之列。

上述发射单元1发射的传输信号经传输媒介到达反射单元2并被反射回来，得到传回传输信号，其表达式为

其中，A₂表示传回传输信号的振幅；表示传输引入的相位延迟，满足以下关系式

其中，τ为传输信号在传输媒介中的单程传输时延，满足以下关系式

$\mathrm{\τ}=\frac{D}{v}$

其中，D为传输距离；v为发射传输信号在传输媒介中的传输速度。

鉴相单元3对发射和传回的传输信号V₁和V₂进行相位鉴别，产生误差信号

其中，A₃表示误差信号的振幅。本发明所述的相位鉴别是指通过电路运算，得到一个包含两个信号相位之间测定数学关系的电信号。可选的，本发明利用利用混频器和低通滤波器可实现两路信号的相位鉴别，即，对发射和传回的传输信号V₁和V₂利用混频器混频，对混频后的信号利用低通滤波器进行低通滤波获得误差信号，但相位鉴别的方式不以此为限。

误差信号V₃经过锁频单元4输入至发射单元，反馈控制发射传输信号V₁的频率f，使其满足关系式

此时，传输信号的频率为第一锁定频率f₁，满足如下关系式

$\mathrm{\τ}=\frac{2N_1+1}{8f_1}$

其中，当系统锁定时，N₁为一固定不变整数，则传输信号频率f₁锁定于传输时延τ。本发明所述的锁频单元4可根据发射单元1调整传输信号频率的方式有不同选择，以产生相应的控制信号。可选的，若发射传输信号由压控振荡器产生，锁频单元可利用误差信号经过电路运算，产生电压控制信号反馈控制其输出频率，实现方式不限于此，不在本发明的讨论之列。

在频率没有锁定的状态下，发射单元1进一步改变发射传输信号V₁的频率，再次通过以上方式将传输信号频率锁定于传输时延τ，可得到第二锁定频率f₂(不妨设f₂＞f₁)，并满足以下关系式

$\mathrm{\τ}=\frac{2N_2+1}{8f_2}$

其中，N₂为一固定不变整数，且N₂＞N₁。

测量单元5测量传输信号的频率，得到第一、第二锁定频率f₁和f₂。在传输信号频率未锁定的状态下，发射单元1改变发射传输信号V₁的频率，使其以一定步长从f₁扫频至f₂。由于传输信号频率f的变化将会引起相位延迟的变化，从而引起误差信号V₃的变化，其满足以下关系式：

测量单元5在扫频的同时，同步记录误差信号V₃，可获得扫频过程中误差信号V₃的过零点数N，其满足以下关系式：

N＝N₂-N₁

测量单元5利用测得的第一、第二锁定频率f₁和f₂以及误差信号V₃的过零点数N，根据以下关系式计算得到传输时延：

$\mathrm{\τ}=\frac{N}{4(f_2-f_1)}$

另外，N₁和N₂分别满足以下关系式：

$N_1=\frac{8f_1\mathrm{\τ}-1}{2}$

$N_2=\frac{8f_2\mathrm{\τ}-1}{2}$

测量单元5利用已得的传输时延τ、第一、第二锁定频率f₁和f₂，根据上述关系式，对计算结果进行四舍五入得到N₁和N₂。在传输频率锁定于传输时延的状态下，N₁(N₂)固定不变，测量单元5对锁定传输频率f₁(f₂)实时测量，根据以下任意一式，即可获得实时的传输时延τ。

$\mathrm{\τ}=\frac{2N_1+1}{8f_1}$

$\mathrm{\τ}=\frac{2N_2+1}{8f_2}$

在发射信号的传输速率v已知的情况下，测量单元5根据以下关系式获得相应的传输距离D：

D＝τ·v

图2为本发明一种传输时延和传输距离测量方法的步骤流程图。如图2所示，本发明一种传输时延和传输距离测量方法，包括如下步骤：

步骤201，由发射单元产生频率可调的传输信号，经传输媒介传输到远端，被反射单元返回。本步骤发射单元的发射方式，可根据传输媒介的种类有不同选择，可选的，针对光纤传输媒介，可将传输信号经振幅调制加载到光信号上发射出去；针对自由空间传输媒介，可将传输信号经发射天线直接发射出去，也可将传输信号经振幅调制加载到光信号上发射出去。

步骤202，利用鉴相单元对发射和传回的传输信号进行相位鉴别，产生误差信号。在本步骤中，鉴相单元可利用混频器和低通滤波器实现两路信号的相位鉴别，产生误差信号。

步骤203，利用锁频单元根据产生的误差信号生成调节发射单元传输信号频率的控制信号，使其锁定于传输时延。

进一步地，步骤203具体包括如下步骤：

将误差信号V₃输入锁频单元，产生控制信号，并输入至发射单元，反馈控制发射单元发射的传输信号V₁的频率f，使时延引起的相位延迟为90度的奇数倍m，从而误差信号V₃为0，将传输信号的频率锁定于传输时延，为第一锁定频率f₁。

在频率没有锁定的状态下，发射单元进一步改变发射传输信号V₁的频率，再次通过步骤201-步骤203将发射单元发射的传输信号频率锁定于传输时延τ，即该锁频单元根据该误差信号产生控制信号，输入至该发射单元，反馈控制该发射单元发射的传输信号的频率，使传输时延引起的相位延迟为90度的奇数倍n(n不等于m)，从而误差信号为0，将传输信号的频率再次锁定于传输时延，为第二锁定频率f₂。例如给一个强干扰使系统失锁，由发射单元改变发射传输信号V₁的频率，产生锁定于传输距离的不同频率的传输信号。

步骤204，利用测量单元，在传输信号频率变化过程中记录误差信号，在传输信号频率锁定于传输时延后测量传输信号的频率，通过记录的误差信号和测量的传输信号频率，获得传输时延和传输距离。具体地说，在传输信号频率未锁定的状态下，发射单元改变发射传输信号V₁的频率，使其以一定步长从f₁扫频至f₂，测量单元在扫频的同时，同步记录误差信号V₃，可获得扫频过程中误差信号V₃的过零点数N，同时，测量单元测量发射单元发射的传输信号的频率，得到第一、第二锁定频率f₁和f₂，测量单元利用测得的第一、第二锁定频率f₁和f₂、误差信号V₃的过零点数N，根据以下关系式计算得到传输时延τ

$\mathrm{\τ}=\frac{N}{4(f_2-f_1)}$

其中，N满足

N＝N₂-N₁

N₁和N₂分别满足以下关系式

$N_1=\frac{8f_1\mathrm{\τ}-1}{2}$

$N_2=\frac{8f_2\mathrm{\τ}-1}{2}$

测量单元利用已得的传输时延τ、第一、第二锁定频率f₁和f₂，并根据上述关系式，对计算结果进行四舍五入得到N₁和N₂。在传输频率锁定于传输时延的状态下，N₁(N₂)固定不变，测量单元对锁定传输频率f₁(f₂)实时测量，根据以下任意一式，即可获得实时的传输时延τ。

$\mathrm{\τ}=\frac{2N_1+1}{8f_1}$

$\mathrm{\τ}=\frac{2N_2+1}{8f_2}$

在发射信号的传输速率v已知的情况下，测量单元根据以下关系式获得相应的传输距离D:

D＝τ·v。

综上所述，本发明一种传输时延和传输距离测量系统及方法，通过传输信号经过传输媒介往返传输，由传输时延引入相位延迟，通过对发射和传回的传输信号进行相位鉴别，获得该相位延迟，产生控制信号，反馈控制传输信号频率，使其锁定于传输时延，通过对频率变化引起的相位延迟变化的记录和锁定频率的测量，计算得到传输时延，并根据已知的传输信号在传输媒介中的传输速率，进一步计算得到传输距离，可大大提高传输时延和传输距离的测量精度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和技术效果：

(1)通过相位鉴别，对传输引入的相位延迟进行测量，将对传输时延的测量转化成对相位的测量，由于目前已有的相位鉴别技术具有很高精度，大大提高了传输时延的测量精度。

(2)利用相位鉴别信号反馈控制传输信号频率，将其锁定于传输时延，从而将对相位的测量进一步转化成对频率的测量。通常，对相位的测量只能获得传输时延的相对变化，而本发明利用对多个锁定频率的测量，实现了传输时延的绝对测量。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。