高速切换射频接收通道群时延一致性方法与流程

本发明涉及一种可直接应用于旋转干涉仪，高速切换射频接收通道群时延一致性的方法。

背景技术：

宽带信号经过传输设备后，由于传输设备对信号各个频谱分量的响应不同，会引起设备输出端信号各个频谱分量因相移或时延不同而产生相位关系的紊乱，即相位失真，衡量此项特性的指标即为群时延。对于线性调频信号，群时延造成相位差随频率的增加而增加，由于群时延较直观地表现了群信号的时延,是衡量传输网络对信号传输时间延迟及信号失真影响的重要参数，而数字信号又包含有很多频谱分量,因此数字通信中常用群时延来描述相频特性。群时延与幅频特性，是整个射频信道主要的通道特性，群延迟对信道相位均衡产生很大影响，无论是天线旁瓣相消技术、数字波束形成(dbf)、超分辨、抗干扰技术，还是其他阵列处理技术的应用，其相频特性往往受制于通道间的失配程度，因此群时延一致性是电子通信系统多通道之间保证信号相位一致性常用的指标。

为提高卫星导航系统的抗干扰能力和接收信号质量，地面导航中心通常采用阵列天线和多通道射频前端来接收卫星导航信号，接收信道是一个非线性电路，主要由限幅电路，开关电路，放大电路、滤波电路、混频电路和对应的宽带本振电路等组成，多通道相频特性的不一致包括通道带内的不一致和通道间的不一致。在实际工程应用中，阵列通道存在各种误差，不是理想化的通道，天线阵列中的每个阵元都有独立的信号通道，阵列在排布时阵元位置的微小波动、阵元之间的互耦效应和各阵元馈线的不同，都会造成其电特性的不同，并改变阵列信号之间的相对相位关系。同时，信号由阵列天线接收后送入射频信道形成阵列信号时，会受到射频电路模拟器件特性的影响，这些特性主要包括器件本身产生的热噪声、残余调幅、调相噪声，及采样脉冲产生的孔径抖动噪声，模拟器件非线性特性引起的谐波、杂散频率和互调频率，数模转换器产生的量化噪声等，这些都是造成通道特性不一致的因素。射频信道的电磁不确定性，各通道的射频电路对温度、湿度等环境变化的响应及自身性能的漂移都会影响理想天线阵列相位合成，使通道产生随频率变化的幅度和相位不一致，形成通道失配。通道失配对宽带阵列信号处理非常不利，多用户相控阵通信系统的通道时延将会引起调制数据过零点出现偏移，发射信号经过链路传输后，调制信号被附加了群时延，同时载波信号幅度出现失真并被附加了额外相位并经数字化变换，时域上表现为调制数据过零点出现偏移。由于通道间各元器件指标不一致，通道间时延τ值各不同，对应调制数据过零点也不同，空分多址信号在载波分离时，导致系统误码率上升。通道间群时延不一致还会恶化信噪比，不一致性越大，恶化信噪比越大，系统误码性能越差，严重时将中断通信。虽然运用于通信、雷达以及测控系统的不同领域时对通道的设计侧重点有所不同，但是减小通道的相位频率传输失真，提高相位频率特性传输一致性，是射频通道设计的共同要求。在雷达相控阵技术中，群时延一致性体现在多路t/r组件中，突出的要求就是组件之间要有十分精确、一致的相位和群时延特性，由于t/r组件中不会进行高速状态切换，因此只要保证t/r组件通道之间的电路布局对称性，通道相位均衡，电路传输相位差控制在一定的范围内，便可以满足整个系统的群时延一致性要求；在测控系统领域，特别是空间物体、地面位置定位系统中，时延一致性主要是要求系统内设备间的相对一致性，由于测控系统通信频率事先已知，系统工作状态可以预先设置，且微波器件的电磁传输特性决定了信号通过它的绝对时延基本是在ns的级别上，因此只要保证设备状态的相对一致，通道布局对称性便可以满足系统对群时延的需求；其他常用的接收电子设备，基于大多的常用的限幅器，微波开关，功分器，放大器，混频器等器件都是宽带的，在一定的时间一定的频率范围内状态均比较固定，因此可以忽略射频器件自身的群时延特性对通道群时延的影响，即便接收信道最后的中频滤波器输出因矩形系数的要求(除使用晶体滤波器外，带宽为几十～几百khz)，多数带宽为5mhz～20mhz的中频滤波器，如切比雪夫，巴特沃斯，线性相移滤波器在频段内带宽上其时延波动约为几十ps，因此只需要考虑整个接收信道的电路布局对称性也可以满足系统对群时延一致性的要求。

微小卫星旋转干涉仪定位工作频率范围主要针对通信、雷达信号比较密集的vhf频段到x频段，设备密集、电磁环境复杂，工作平台内的对地数传信号、星间数传信号、测控信号、以及信号分发等强干扰信号，会造成接收信道信号输出相位失真，通道之间相位差误差增大影响测向定位精度，因此多通道信号隔离对通道之间群时延一致性的影响也不能忽略。针对微小卫星宽带接收通道的特殊性，并考虑星载设备的高可靠性要求，同时受关键宽带器件(宽带开关，宽带放大器，宽带混频器)指标、体积，以及器件质量等级的限制，高速切换接收通道群时延一致性需要从定位体制，高速切换射频开关矩阵，宽带接收信道的整体性能出发，考虑综合性能指标，通过合理方案进行通道群时延一致性指标的优化设计。

旋转干涉仪定位体制要求高速切换射频接收通道进行天线基线相位差累积，其切换速度仅为十几μs～几十μs(根据天线规模和定位算法时间计算)，在1s的时间内开关矩阵将高速切换数万次，要求后端处理设备在单次切换时间内，接收通道的信号相位尽可能长时间的采集与累积，与常用固定状态的接收通道相比，系统在高速切换接收状态下后端处理器没有时间进行单次切换状态等待，并且信号在开关切换时间时内其信号幅度和相位不完整，不能作为相位均方值累积的估算数据，因此高速切换状态下，接收多通道之间开关器件的开关时间，滤波器边带群时延以及通道控制指令时延对通道群时延一致性的影响就不能忽略。而目前雷达相控阵，测控电子设备和其他常用接收电子设备中实现通道群时延一致性主要采用电路设计布局对称性，对于不对称部分采用传输线相位均衡进行相位匹配，由于其设备工作状态相对稳定，不会进行高速切换，采用电路设计布局对称，传输线相位均衡进行相位匹配便可以解决大多数稳态工作状态下的通道群时延一致性，但对于瞬态状态下的通道高速切换，由于其切换速度达到μs级，不仅需要考虑相对稳定的工作状态下通道之间的群时延一致性，还必须考虑瞬态状态下器件时延，以及通道之间信号相互串扰对宽带信号相位合成的影响，因此仅仅考虑设计布局对称性的通道群时延一致性方法存在一定局限性。况且传输线相位补偿技术，由于传输线特性以及电路设计小型化结构布局后电磁耦合的不确定性，其相位补偿随频率不成理想线性变化，进行相位补偿合成时也存在一定相位误差，使用传输线相位补偿会增加电磁信号空间传输路径，当空间传输路径增加以后，空间耦合的概率也随之增加，幅度失真的风险也增加，因此设计对称布局，传输线相位补偿方法的稳定可靠性也存在一定的缺陷。

技术实现要素：

为了得到较好的群时延特性,同时保证幅度特性不失真,本发明针对多阵元通道间的群时延不一致性对系统误码性能的影响和现有技术存在的不足之处，提供一种通用、稳定、可靠，失真小的波束高速切换射频接收通道群时延一致性的方法。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到：一种高速切换接收射频通道群时延一致性方法，具有如下技术特征：在接收通道群时延一致性电路中，根据射频定位体制对射频通道切换间隔时间要求，定制满足高速切换接收射频通道群时延一致的时间和可靠性要求的微波射频开关，控制微波射频开关切换时间误差和开关时间一致；根据接收信道相邻两段预选滤波器重叠中心频率带宽，将接收信道在一中滤波器中频输出带宽内的信号，信号通过信道第一级混频器时，任何一个接收信号频率均通过一本振混频频率设置变频到一中滤波器中心频率点上；为增加通道信号隔离度，开关矩阵射频开关选用单刀多掷开关串接50ω电阻到地；在高速切换状态下除有用通道信号正常传输外，其余通道信号均被微波射频开关直接匹配到地；采用控制单元mcu通过i/o直接控制线向同步信号处理单元发送多通道高速切换控制命令和秒脉冲控制命令，通道状态切换控制命令到达所有控制开关的时间一致，以减小控制命令时间差造成通道之间信号通断时间差，提高通道时延一致性。

本发明相比于现有技术的有益效果在于通用。本发明在接收通道群时延一致性电路中，根据射频定位体制对射频通道切换间隔时间要求，定制满足高速切换接收射频通道群时延一致的时间和可靠性要求的微波射频开关，控制微波射频开关切换时间误差和开关时间一致，具备通用性。本发明的高速切换状态下接收通道群时延一致性是通用设计方法不局限旋转干涉仪波束高速切换接收系统通道。发明采用的微波射频开关，单刀多掷开关增加通道信号隔离度，预选滤波器扩展带宽的电路方法，在无高速切换要求的其他电子接收通道中，也可以作为改善通道群时延，改善通道幅度一致性的技术通用，满足卫星产品平台，也适应于地面，车载，机载以及舰载等电子定位侦察设备系统。

稳定。本发明通过定制满足高速切换时间和可靠性要求的微波射频开关，射频开关时间在20ns以内，同一型号批次开关时间误差控制在3ns以内，保证接收通道的开关时间具有很好的一致性。其次接收信道前端预选滤波器相同两频段重复一个中频带宽设计，信号通过信道第一级混频器时，任何一个接收信号频率均可以通过一本振混频频率设置变频到一中滤波器中心频率点上。由于均可以通过混频一、二本振频率设置调整到中频输出滤波器中心频率点上，减小了滤波器边带群时延波动不一致性对通道之间的信号群时延造成影响。一中滤波器带宽在保证接收中镜频和杂散抑制的前提下，扩展20mhz带宽设置，减小中频窄带滤波器边带群时延波动不一致性对通道时延一致性造成不确定影响，提高接收通道在高速切换状态下通道群时延一致性。再次高速切换状态下，控制单元mcu对接收通道的控制全部采用i/o线直接控制，控制电平选用+5v/0vttl电平，上升沿有效，控制命令到达开关时间一致，减小控制命令时间差造成通道之间信号通断时间差，控制状态清晰。最后开关矩阵输入前端采用单刀多掷空余开关通道，串接50ω电阻到地增加通道信号隔离，在高速切换状态下除有用通道信号正常传输外，其余通道信号均直接旁路到地，开关矩阵不存在空余悬空通道，彻底减小通道之间信号串扰相位失真。与采用现有技术结构布局，电路屏蔽增加通道隔离相比，采用射频开关电路旁路减小了电磁传输不确定性，减小后期调试难度，电路隔离度直接影响明了，如有隔离度提升改进也具有很强的更改便利性。

可靠。本发明定制采用的射频pin开关和gaas开关，两种开关的工作寿命是以集成电路的失效率来计算的，不受切换次数影响，其mtbf时间可以达到几万小时。与可靠性，相比于由切换次数确定的现有技术机械开关，本发明采用电子开关进行高速切换开关矩阵，能有效增强接收通道设备可靠性，能满足卫星产品高性能，高可靠性要求。

失真小。本发明采用单刀多掷空余开关通道，串接50ω电阻到地增加通道信号之间的隔离度设计，在高速切换状态下除有用通道信号正常传输外，其余通道均无信号输出。信号被旁路发生在开关输入前端，直接减小信号在设备中的传输距离，有效减小信号在无用通道之中的传输串扰和通道之间信号耦合叠加，进而扩展通带间增益幅度一致性。在高速切换状态下除有用通道信号正常传输外，其余通道信号均被开关直接匹配到地，不存在空余加电状态信号悬空通道，彻底减小通道之间信号串扰造成信号相位叠加失真，增加高速切换状态下接收通道抗干扰能力，提高通道时延一致性。从而克服导致通道之间信号幅度的不一致性，减小了接收通道幅度失真和通道间信号耦合非线性失真，保证了通道幅度一致性。

本发明适用于应用在对群时延信息比较敏感的设备系统，如比相测向系统、相位差定位系统，测向解模糊系统、测控系统、以及对多通道群时延绝对值比较关注的系统，有着很重要的实际用途。

附图说明

图1是本发明高速切换接收通道群时延一致性电路原理示意图。

图2是图1所示高速切换开关矩阵控制单元工作控制原理示意图。

图3是图1所示的开关矩阵通道隔离度电路原理示意图。

图4是图1所示的射频接收信道电路原理示意图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，在接收通道群时延一致性电路中，根据射频定位体制对射频通道切换间隔时间要求，定制满足高速切换接收射频通道群时延一致的时间和可靠性要求的微波射频开关，控制微波射频开关切换时间误差和开关时间一致；根据接收信道相邻两段预选滤波器重叠中心频率带宽，将接收信道在一中滤波器中频输出带宽内的信号，信号通过信道第一级混频器时，任何一个接收信号频率均通过一本振混频频率设置变频到一中滤波器中心频率点上；为增加通道信号隔离度，开关矩阵射频开关选用单刀多掷开关串接50ω电阻到地；在高速切换状态下除有用通道信号正常传输外，其余通道信号均被微波射频开关直接匹配到地；采用控制单元mcu通过i/o直接控制线向同步信号处理单元发送多通道高速切换控制命令和秒脉冲控制命令，通道状态切换控制命令到达所有控制开关的时间一致，以减小控制命令时间差造成通道之间信号通断时间差，提高通道时延一致性。

接收通道群时延一致性电路包括：连接电源及控制总线的高速切换开关矩阵和接收信道、时钟及自检源单元，其中，高速切换开关矩阵是实高速切换现旋转干涉仪系统的关键电路，高速切换开关矩阵包括：带有n个射频接口rfin(n)的天线场放的开关矩阵和连接开关矩阵的电源单元和监控单元，开关矩阵是实现旋转干涉仪高速切换的关键电路组件，开关矩阵由三级射频开关组成，实现输入天线阵与输出通道的状态切换选择；其射频开关时间的一致性，控制命令达到开关时间的一致性，对整个系统的群时延一致性有直接影响。电源单元为高速切换开关矩阵中的场放1、场放2…场放n，开关矩阵和控制单元电源电压以及电源管理；监控单元为开关矩阵提供控制信号，是系统高速切换状态命令的实发者和开关切换状态的实时检测者。天线场放场放1、场放2…场放n实现天线输入信号的低噪声放大，直接放在天线输入端，保证整个接收通道的动态灵敏度；接收信道包括，连接射频接收信道的时钟及自检源单元，时钟及自检源单元包含自检电路和参考源电路，参考源电路为接收通道提供一、二本振和ad电路提供参考时钟，自检电路提供一路自检源，对开关矩阵及接收信道进行幅度检测。射频接收信道包括：连接在射频接收信道1、射频接收信道2…射频接收信道n之间的预选开关，预选滤波器，低噪声放大器，混频器，一、二本振，一中滤波器和二中滤波器以及ad处理器，射频信号经过预选滤波器后经过低噪声放大器、预选滤波器实现对带外杂散信号的抑制，然后通过第一级混频器串联一中滤波器，再通过第二级混频器串联中频放大滤波电路后送入模数转换器ad处理器，输出中频信号1、中频信号2…中频信号n。为保证信道之间群时延的一致性，避免滤波器边带群时延的急剧变化，第一级混频器之前的射频预选滤波器电路将宽带射频信号分成多个子频段分别滤波，子频段边带重叠一个中频带宽，通过第一级混频器的宽带本振信号将所有射频信号变频到第一中频滤波器中心频率点上。

参阅图2。控制单元mcu包括连接了包含至少两个ldo电源和开关电源的电源电路，连接晶振、id电路、调试电路、复位电路、静态随机存取存储器sram、可编程只读存储器prom。控制单元mcu通过cano与pca82c250交互电阻分压，与信号处理单元交互开关矩阵控制信号和接收信道控制信号，通过1路外部中断和同步x路信道控制接收信道，通过同步y路开关控制开关矩阵，接收信号处理单元开关矩阵触发同步脉冲,通过控制线、spi连接ad电路进行状态监测，ad电路将电阻分压反馈至spi。在开关矩阵高速切换工作控制中，高速切换开关矩阵根据旋转干涉仪定位精度需求，预设开关状态停留时间(通常为μs级)，天线切换顺序按基线切换顺序表1最长基线，次长基线，次短基线和最短基线的切换顺序进行切换。

控制单元mcu采用i/o控制线直接输出开关矩阵高速切换控制命令，单个开关控制均采用独立的开关控制同步y路控制线控制，经过电平转换器将控制单元mcu输出的3.3v电压转换为+5v/0vttl电平，上升沿有效；接收信道也采用独立的信道控制同步x路控制线控制，经过电平转换器将控制单元mcu输出的3.3v电压转换为+5v/0vttl电平，上升沿有效。控制单元mcu按照基线切换顺序表1切换顺序，预设好各基线开关矩阵控制命令(+5v/0v)，设置好单个基线开关状态停留时间，以信号处理单元开关矩阵触发同步脉冲信号为基准，同步控制开关矩阵控制命令进行状态切换，后端信号处理单元根据脉冲信号统计采样结果。为了消除时间累积误差，高速切换一个秒脉冲信号(1s)后，基线状态重新回到状态1开始切换，在整个切换状态下，直接i/o控制线控制的开关矩阵控制指令(+5v/0v)到达射频开关的时间一致，高速切换通道信号停留时间一致，通道群时延一致，系统相位差累积快速准确。

表1基线切换顺序顺序

参阅图3。在开关矩阵通道隔离度电路中,天线信号rfin经过n个限幅滤波放大器限幅滤波放大后进入三级单刀多掷射频开关组成的开关矩阵，开关矩阵中的第一级单刀多掷开关将输入n路射频信号一分为2，第二级单刀多掷开关将第一级单刀多掷开关分成的2n路信号选择n路到第三级单刀多掷开关，第三级单刀多掷开关再将第二级单刀多掷开关选择的n路信号接通到接收信道1和接收信道2。根据开关通路计算，第一级单刀多掷开关选择单刀双掷开关就可以满足要求(根据接收通道数量m确定为单刀m掷开关)，第二级单刀多掷开关根据第三级单刀多掷开关选通路数y(开关通常数量为单刀三掷，单刀四掷)，选择为n/y掷开关，第三级单刀多掷开关选择为n/y掷开关。在高速切换状态下，为了增加通道之间的隔离度，减小通道之间信号干扰造成相位群时延失真，各级开关的接通路数增加一到两路，使用50ω匹配电路到地。因此第一级开关选择为单刀4掷，增加2路50ω匹配电路到地，当接收信道1和接收信道2不选择rfin1时，将此开关通道控制到其中1路50ω匹配电路到地；第二级单刀多掷开关选择为单刀4掷，增加1路50ω匹配电路到地，当接收信道1和接收信道2不选择次级开关能接通的3路天线输入信号时，将此开关通道控制到此路50ω匹配电路到地；第三级单刀多掷开关选择为单刀4掷，增加1路50ω匹配电路到地，当接收信道1和接收信道2不选择次级开关能接通的n路天线输入信号时，将此开关通道控制到此路50ω匹配电路到地。当开关矩阵工作时，不在切换状态的通道均通过匹配电路接通到地，只保留2个或1个接收通道信号传输，保证通道之间信号无串扰，无信号叠加产生相位失真，影响通道之间时延一致性。

参阅图4。射频接收信道包括：接收射频信号的射频接收信道前端预选滤波电路及其输出端串联的匹配电路、连接一本振的第一混频器，第三滤波器、放大器、连接二本振的第二混频器，中频放大滤波器组件和数模转换ad，其中，射频接收信道前端预选滤波电路包括：并联在两级单刀多掷预选开关之间，顺次串联的m路第一滤波器，低噪声放大器，衰减器和第二滤波器。基于接收信道的宽带接收特性，单刀多掷开关，低噪声放大器通常均为宽带器件，其器件时延一致性可以忽略对信道群时延一致性的影响；衰减器和匹配电路因其电路的无源特性，对信道群时延也基本不产生影响。考虑滤波器的通带特性，在滤波器边缘群时延会产生急剧波动，导致信号经过不同通道时群时延波动变化增大，在信道设计时相邻分段滤波器1的上边带和滤波器2的下边带设置重叠一个中频带宽，有用射频信号带宽落于滤波器带内正常波动，信号通过滤波器时不会处于滤波器边带上3db及以上的波动范围，其信号群时延缓波动，减小通道群时延差异，提高通道之间的信号群时延一致性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变、修改、甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。