本發(fā)明涉及傳輸時延測量和傳輸距離測量領(lǐng)域，特別是涉及一種傳輸時延和傳輸距離測量系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

當信號通過某一傳輸系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)時，其輸出信號相對于輸入信號將不可避免的產(chǎn)生一定的時間延遲。對于通信系統(tǒng)，傳輸?shù)臅r延特性在很大程度上決定了傳輸信號的線性失真情況。此外，距離的測量通常依賴于時間延遲的測量。因此，傳輸時延的測量準確度在航天測控、導航定位、數(shù)字通信等諸多領(lǐng)域中起著關(guān)鍵作用。

時延測量技術(shù)發(fā)展的歷史可追溯到20世紀30年代。美國的H.Nyquist和S.Brand等人在《BSTJ》雜志上發(fā)表了關(guān)于時延測量的論文，文章論述了群時延的物理意義和測量方法。近年來，隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了許多新的信號傳輸系統(tǒng)。時延的測量理論和測量方法日臻完善，各種測量儀器相繼問世。目前，時延的測量根據(jù)其基本原理主要可歸為時域的測量和頻域的測量。時域的時延測量是較為傳統(tǒng)的測量方法，且一直沿用至今，典型的有時間間隔計數(shù)器、光時域反射計等，其主要原理為通過傳輸脈沖信號引入時間延遲，測量其傳輸前后的時間間隔，受限于傳輸系統(tǒng)的非線性效應(yīng)和脈沖寬度，該測量方法精度較低，測量范圍較??；頻域的時延測量應(yīng)運而生，最為常用的是網(wǎng)絡(luò)分析儀，其測量原理是根據(jù)系統(tǒng)的相頻響應(yīng)曲線求取群時延特性，而矢量信號分析儀，則是通過對雙通道的傅里葉變換和互相關(guān)運算，由相關(guān)數(shù)值的峰值位置確定信號時延差，頻域的時延測量具有更高精度和更大范圍，但系統(tǒng)通常較為復雜，操作也更繁瑣。同時，隨著越來越多樣的傳輸系統(tǒng)和工作模式的出現(xiàn)，對時延測量的準確度、測試手段的多樣化等均提出了更高的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明之目的在于提供一種傳輸時延和傳輸距離測量系統(tǒng)和方法，其利用相位鑒別將微波信號的頻率鎖定于傳輸時延，進而通過頻率測量間接獲得傳輸時延和傳輸距離，大大提高了傳輸時延與傳輸距離的測量精度。

為達上述及其它目的，本發(fā)明提出一種傳輸時延和傳輸距離測量系統(tǒng)，包括：

發(fā)射單元，用于產(chǎn)生頻率可調(diào)的傳輸信號，并將其發(fā)射進入傳輸媒介；

反射單元，用于在該傳輸媒介遠端反射該傳輸信號；

鑒相單元，用于對發(fā)射和傳回的傳輸信號進行相位鑒別，產(chǎn)生誤差信號；

鎖頻單元，用于利用該誤差信號產(chǎn)生控制信號，將該控制信號輸入該發(fā)射單元控制其發(fā)射傳輸信號的頻率，使傳輸信號頻率鎖定于傳輸時延；

測量單元，用于記錄該誤差信號，并測量傳輸信號的頻率，獲得傳輸時延和傳輸距離。

進一步地，該發(fā)射單元先后以不同頻率發(fā)射傳輸信號，經(jīng)發(fā)射、相位鑒別分別產(chǎn)生誤差信號，該鎖頻單元利用先后獲得的誤差信號分別產(chǎn)生控制信號至發(fā)射單元，以分別控制該發(fā)射單元發(fā)射傳輸信號的頻率，使傳輸信號的頻率鎖定于傳輸時延。

進一步地，該鎖頻單元根據(jù)該誤差信號產(chǎn)生控制信號，反饋控制該發(fā)射單元發(fā)射的傳輸信號的頻率，使傳輸時延引起的相位延遲為90度的奇數(shù)倍m，從而使誤差信號為0，將傳輸信號的頻率鎖定于傳輸時延，為第一鎖定頻率f₁；在頻率沒有鎖定的狀態(tài)下，由該發(fā)射單元改變發(fā)射傳輸信號的頻率，該鎖頻單元根據(jù)該鑒相單元產(chǎn)生的誤差信號，反饋控制該發(fā)射單元發(fā)射的傳輸信號的頻率，使傳輸時延引起的相位延遲為90度的奇數(shù)倍n，n不等于m，從而使誤差信號為0，使傳輸信號的頻率再次鎖定于傳輸時延，為第二鎖定頻率f₂。

進一步地，該測量單元在該發(fā)射單元改變發(fā)射傳輸信號的頻率、以一定步長從第一鎖定頻率f₁掃頻至第一鎖定頻率f₂時，同步記錄該誤差信號，獲得掃頻過程中該誤差信號的過零點數(shù)N。

進一步地，該測量單元根據(jù)測量得到的第一鎖定頻率f₁、第二鎖定頻率f₂以及誤差信號的過零點數(shù)N,利用下式獲得傳輸時延τ：

$\mathrm{\τ}=\frac{N}{4(f_2-f_1)}.$

進一步地，該測量單元根據(jù)下式獲得相應(yīng)的傳輸距離D：

D=τ·v

其中，v為該發(fā)射單元發(fā)射的傳輸信號的傳輸速率，τ為傳輸時延。

進一步地，該鑒相單元利用混頻器和低通濾波器實現(xiàn)發(fā)射和傳回兩路信號的相位鑒別。

為達到上述目的，本發(fā)明還提供一種傳輸時延和傳輸距離測量方法，包括如下步驟：

步驟一，由發(fā)射單元產(chǎn)生頻率可調(diào)的傳輸信號，經(jīng)傳輸媒介傳輸?shù)竭h端，被反射單元返回；

步驟二，利用鑒相單元對發(fā)射和傳回的傳輸信號進行相位鑒別，產(chǎn)生誤差信號；

步驟三，利用鎖頻單元根據(jù)產(chǎn)生的誤差信號生成調(diào)節(jié)發(fā)射單元傳輸信號頻率的控制信號，使其鎖定于傳輸時延；

步驟四，利用測量單元，在傳輸信號頻率變化過程中記錄誤差信號，在傳輸信號頻率鎖定于傳輸時延后測量傳輸信號的頻率，并通過記錄的誤差信號和測量的傳輸信號頻率，獲得傳輸時延和傳輸距離。

進一步地，步驟三進一步包括：

將誤差信號輸入該鎖頻單元，產(chǎn)生控制信號，反饋控制該發(fā)射單元發(fā)射的傳輸信號的頻率，使傳輸時延引起的相位延遲為90度的奇數(shù)倍m，從而誤差信號為0，將傳輸信號的頻率鎖定于傳輸時延，為第一鎖定頻率f1；

在頻率沒有鎖定的狀態(tài)下，由該發(fā)射單元進一步改變發(fā)射的傳輸信號的頻率，通過步驟一與步驟二獲得誤差信號，該鎖頻單元根據(jù)該誤差信號產(chǎn)生控制信號，輸入至該發(fā)射單元，反饋控制該發(fā)射單元發(fā)射的傳輸信號的頻率，使傳輸時延引起的相位延遲為90度的奇數(shù)倍n，n不等于m從而誤差信號為0，將傳輸信號的頻率再次鎖定于傳輸時延，為第二鎖定頻率f₂。

進一步地，步驟四進一步包括：

測量單元測量發(fā)射單元先后發(fā)射的傳輸信號的頻率，得到第一鎖定頻率f₁與第二鎖定頻率f₂；

在傳輸信號頻率未鎖定的狀態(tài)下，發(fā)射單元改變發(fā)射傳輸信號的頻率，使其以一定步長從第一鎖定頻率f₁掃頻至第二鎖定頻率f₂，該測量單元在掃頻的同時，同步記錄誤差信號V₃，獲得掃頻過程中誤差信號的過零點數(shù)N，

根據(jù)第一鎖定頻率f₁與第二鎖定頻率f₂以及誤差信號的過零點數(shù)N計算獲得該傳輸時延和傳輸距離。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種傳輸時延和傳輸距離測量系統(tǒng)及方法，通過傳輸信號經(jīng)過傳輸媒介往返傳輸，由傳輸時延引入相位延遲，通過對發(fā)射和傳回的傳輸信號進行相位鑒別，獲得該相位延遲并反饋控制傳輸信號頻率，使其鎖定于傳輸時延，通過對頻率變化引起的相位延遲變化的記錄和鎖定頻率的測量，計算得到傳輸時延，并根據(jù)已知的傳輸信號在傳輸媒介中的傳輸速率，進一步計算得到傳輸距離，本發(fā)明可提高傳輸時延與傳輸距離的測量精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種傳輸時延和傳輸距離測量系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明一種傳輸時延和傳輸距離測量方法的步驟流程圖。

具體實施方式

以下通過特定的具體實例并結(jié)合附圖說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭示的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其它優(yōu)點與功效。本發(fā)明亦可通過其它不同的具體實例加以施行或應(yīng)用，本說明書中的各項細節(jié)亦可基于不同觀點與應(yīng)用，在不背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾與變更。

圖1為本發(fā)明一種傳輸時延和傳輸距離測量系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)圖。如圖1所示，本發(fā)明一種傳輸時延和傳輸距離測量系統(tǒng)，包括：發(fā)射單元1、反射單元2、鑒相單元3、鎖頻單元4以及測量單元5。

其中，發(fā)射單元1，用于產(chǎn)生頻率可調(diào)的傳輸信號，并將傳輸信號發(fā)射進入傳輸媒介；反射單元2，用于在傳輸媒介遠端反射傳輸信號；鑒相單元3，用于對發(fā)射和傳回的傳輸信號進行相位鑒別，產(chǎn)生誤差信號；鎖頻單元4，用于利用誤差信號產(chǎn)生控制信號，并將該控制信號輸入發(fā)射單元控制傳輸信號的頻率，使傳輸信號頻率鎖定于傳輸時延；測量單元5，用于記錄誤差信號，并測量傳輸信號的頻率，獲得傳輸時延和傳輸距離。

具體地說，由發(fā)射單元1產(chǎn)生并發(fā)射進入傳輸媒介的傳輸信號為

這里，A₁表示發(fā)射傳輸信號的振幅；f表示發(fā)射傳輸信號的頻率；表示發(fā)射傳輸信號的相位。需說明的是，本發(fā)明所述的發(fā)射方式，可根據(jù)傳輸媒介的種類有不同選擇，可選的，針對光纖傳輸媒介，可將傳輸信號經(jīng)振幅調(diào)制加載到光信號上發(fā)射出去；針對自由空間傳輸媒介，可將傳輸信號經(jīng)發(fā)射天線直接發(fā)射出去，也可將傳輸信號經(jīng)振幅調(diào)制加載到光信號上發(fā)射出去，但發(fā)射方式不限于此，不在本發(fā)明的討論之列。

上述發(fā)射單元1發(fā)射的傳輸信號經(jīng)傳輸媒介到達反射單元2并被反射回來，得到傳回傳輸信號，其表達式為

其中，A₂表示傳回傳輸信號的振幅；表示傳輸引入的相位延遲，滿足以下關(guān)系式

其中，τ為傳輸信號在傳輸媒介中的單程傳輸時延，滿足以下關(guān)系式

$\mathrm{\τ}=\frac{D}{v}$

其中，D為傳輸距離；v為發(fā)射傳輸信號在傳輸媒介中的傳輸速度。

鑒相單元3對發(fā)射和傳回的傳輸信號V₁和V₂進行相位鑒別，產(chǎn)生誤差信號

其中，A₃表示誤差信號的振幅。本發(fā)明所述的相位鑒別是指通過電路運算，得到一個包含兩個信號相位之間測定數(shù)學關(guān)系的電信號。可選的，本發(fā)明利用利用混頻器和低通濾波器可實現(xiàn)兩路信號的相位鑒別，即，對發(fā)射和傳回的傳輸信號V₁和V₂利用混頻器混頻，對混頻后的信號利用低通濾波器進行低通濾波獲得誤差信號，但相位鑒別的方式不以此為限。

誤差信號V₃經(jīng)過鎖頻單元4輸入至發(fā)射單元，反饋控制發(fā)射傳輸信號V₁的頻率f，使其滿足關(guān)系式

此時，傳輸信號的頻率為第一鎖定頻率f₁，滿足如下關(guān)系式

$\mathrm{\τ}=\frac{2N_1+1}{8f_1}$

其中，當系統(tǒng)鎖定時，N₁為一固定不變整數(shù)，則傳輸信號頻率f₁鎖定于傳輸時延τ。本發(fā)明所述的鎖頻單元4可根據(jù)發(fā)射單元1調(diào)整傳輸信號頻率的方式有不同選擇，以產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號?？蛇x的，若發(fā)射傳輸信號由壓控振蕩器產(chǎn)生，鎖頻單元可利用誤差信號經(jīng)過電路運算，產(chǎn)生電壓控制信號反饋控制其輸出頻率，實現(xiàn)方式不限于此，不在本發(fā)明的討論之列。

在頻率沒有鎖定的狀態(tài)下，發(fā)射單元1進一步改變發(fā)射傳輸信號V₁的頻率，再次通過以上方式將傳輸信號頻率鎖定于傳輸時延τ，可得到第二鎖定頻率f₂(不妨設(shè)f₂＞f₁)，并滿足以下關(guān)系式

$\mathrm{\τ}=\frac{2N_2+1}{8f_2}$

其中，N₂為一固定不變整數(shù)，且N₂＞N₁。

測量單元5測量傳輸信號的頻率，得到第一、第二鎖定頻率f₁和f₂。在傳輸信號頻率未鎖定的狀態(tài)下，發(fā)射單元1改變發(fā)射傳輸信號V₁的頻率，使其以一定步長從f₁掃頻至f₂。由于傳輸信號頻率f的變化將會引起相位延遲的變化，從而引起誤差信號V₃的變化，其滿足以下關(guān)系式：

測量單元5在掃頻的同時，同步記錄誤差信號V₃，可獲得掃頻過程中誤差信號V₃的過零點數(shù)N，其滿足以下關(guān)系式：

N＝N₂-N₁

測量單元5利用測得的第一、第二鎖定頻率f₁和f₂以及誤差信號V₃的過零點數(shù)N，根據(jù)以下關(guān)系式計算得到傳輸時延：

$\mathrm{\τ}=\frac{N}{4(f_2-f_1)}$

另外，N₁和N₂分別滿足以下關(guān)系式：

$N_1=\frac{8f_1\mathrm{\τ}-1}{2}$

$N_2=\frac{8f_2\mathrm{\τ}-1}{2}$

測量單元5利用已得的傳輸時延τ、第一、第二鎖定頻率f₁和f₂，根據(jù)上述關(guān)系式，對計算結(jié)果進行四舍五入得到N₁和N₂。在傳輸頻率鎖定于傳輸時延的狀態(tài)下，N₁(N₂)固定不變，測量單元5對鎖定傳輸頻率f₁(f₂)實時測量，根據(jù)以下任意一式，即可獲得實時的傳輸時延τ。

$\mathrm{\τ}=\frac{2N_1+1}{8f_1}$

$\mathrm{\τ}=\frac{2N_2+1}{8f_2}$

在發(fā)射信號的傳輸速率v已知的情況下，測量單元5根據(jù)以下關(guān)系式獲得相應(yīng)的傳輸距離D：

D＝τ·v

圖2為本發(fā)明一種傳輸時延和傳輸距離測量方法的步驟流程圖。如圖2所示，本發(fā)明一種傳輸時延和傳輸距離測量方法，包括如下步驟：

步驟201，由發(fā)射單元產(chǎn)生頻率可調(diào)的傳輸信號，經(jīng)傳輸媒介傳輸?shù)竭h端，被反射單元返回。本步驟發(fā)射單元的發(fā)射方式，可根據(jù)傳輸媒介的種類有不同選擇，可選的，針對光纖傳輸媒介，可將傳輸信號經(jīng)振幅調(diào)制加載到光信號上發(fā)射出去；針對自由空間傳輸媒介，可將傳輸信號經(jīng)發(fā)射天線直接發(fā)射出去，也可將傳輸信號經(jīng)振幅調(diào)制加載到光信號上發(fā)射出去。

步驟202，利用鑒相單元對發(fā)射和傳回的傳輸信號進行相位鑒別，產(chǎn)生誤差信號。在本步驟中，鑒相單元可利用混頻器和低通濾波器實現(xiàn)兩路信號的相位鑒別，產(chǎn)生誤差信號。

步驟203，利用鎖頻單元根據(jù)產(chǎn)生的誤差信號生成調(diào)節(jié)發(fā)射單元傳輸信號頻率的控制信號，使其鎖定于傳輸時延。

進一步地，步驟203具體包括如下步驟：

將誤差信號V₃輸入鎖頻單元，產(chǎn)生控制信號，并輸入至發(fā)射單元，反饋控制發(fā)射單元發(fā)射的傳輸信號V₁的頻率f，使時延引起的相位延遲為90度的奇數(shù)倍m，從而誤差信號V₃為0，將傳輸信號的頻率鎖定于傳輸時延，為第一鎖定頻率f₁。

在頻率沒有鎖定的狀態(tài)下，發(fā)射單元進一步改變發(fā)射傳輸信號V₁的頻率，再次通過步驟201-步驟203將發(fā)射單元發(fā)射的傳輸信號頻率鎖定于傳輸時延τ，即該鎖頻單元根據(jù)該誤差信號產(chǎn)生控制信號，輸入至該發(fā)射單元，反饋控制該發(fā)射單元發(fā)射的傳輸信號的頻率，使傳輸時延引起的相位延遲為90度的奇數(shù)倍n(n不等于m)，從而誤差信號為0，將傳輸信號的頻率再次鎖定于傳輸時延，為第二鎖定頻率f₂。例如給一個強干擾使系統(tǒng)失鎖，由發(fā)射單元改變發(fā)射傳輸信號V₁的頻率，產(chǎn)生鎖定于傳輸距離的不同頻率的傳輸信號。

步驟204，利用測量單元，在傳輸信號頻率變化過程中記錄誤差信號，在傳輸信號頻率鎖定于傳輸時延后測量傳輸信號的頻率，通過記錄的誤差信號和測量的傳輸信號頻率，獲得傳輸時延和傳輸距離。具體地說，在傳輸信號頻率未鎖定的狀態(tài)下，發(fā)射單元改變發(fā)射傳輸信號V₁的頻率，使其以一定步長從f₁掃頻至f₂，測量單元在掃頻的同時，同步記錄誤差信號V₃，可獲得掃頻過程中誤差信號V₃的過零點數(shù)N，同時，測量單元測量發(fā)射單元發(fā)射的傳輸信號的頻率，得到第一、第二鎖定頻率f₁和f₂，測量單元利用測得的第一、第二鎖定頻率f₁和f₂、誤差信號V₃的過零點數(shù)N，根據(jù)以下關(guān)系式計算得到傳輸時延τ

$\mathrm{\τ}=\frac{N}{4(f_2-f_1)}$

其中，N滿足

N＝N₂-N₁

N₁和N₂分別滿足以下關(guān)系式

$N_1=\frac{8f_1\mathrm{\τ}-1}{2}$

$N_2=\frac{8f_2\mathrm{\τ}-1}{2}$

測量單元利用已得的傳輸時延τ、第一、第二鎖定頻率f₁和f₂，并根據(jù)上述關(guān)系式，對計算結(jié)果進行四舍五入得到N₁和N₂。在傳輸頻率鎖定于傳輸時延的狀態(tài)下，N₁(N₂)固定不變，測量單元對鎖定傳輸頻率f₁(f₂)實時測量，根據(jù)以下任意一式，即可獲得實時的傳輸時延τ。

$\mathrm{\τ}=\frac{2N_1+1}{8f_1}$

$\mathrm{\τ}=\frac{2N_2+1}{8f_2}$

在發(fā)射信號的傳輸速率v已知的情況下，測量單元根據(jù)以下關(guān)系式獲得相應(yīng)的傳輸距離D:

D＝τ·v。

綜上所述，本發(fā)明一種傳輸時延和傳輸距離測量系統(tǒng)及方法，通過傳輸信號經(jīng)過傳輸媒介往返傳輸，由傳輸時延引入相位延遲，通過對發(fā)射和傳回的傳輸信號進行相位鑒別，獲得該相位延遲，產(chǎn)生控制信號，反饋控制傳輸信號頻率，使其鎖定于傳輸時延，通過對頻率變化引起的相位延遲變化的記錄和鎖定頻率的測量，計算得到傳輸時延，并根據(jù)已知的傳輸信號在傳輸媒介中的傳輸速率，進一步計算得到傳輸距離，可大大提高傳輸時延和傳輸距離的測量精度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和技術(shù)效果：

(1)通過相位鑒別，對傳輸引入的相位延遲進行測量，將對傳輸時延的測量轉(zhuǎn)化成對相位的測量，由于目前已有的相位鑒別技術(shù)具有很高精度，大大提高了傳輸時延的測量精度。

(2)利用相位鑒別信號反饋控制傳輸信號頻率，將其鎖定于傳輸時延，從而將對相位的測量進一步轉(zhuǎn)化成對頻率的測量。通常，對相位的測量只能獲得傳輸時延的相對變化，而本發(fā)明利用對多個鎖定頻率的測量，實現(xiàn)了傳輸時延的絕對測量。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員均可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發(fā)明的權(quán)利保護范圍，應(yīng)如權(quán)利要求書所列。