本文旨在通過(guò)研究用于構(gòu)建不同系統(tǒng)的各種元素的特征和配置，提供對(duì)時(shí)間測(cè)量方法及其在工程系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)的透徹理解。它探索了時(shí)間量化的各種技術(shù)，并將波形合成和操作的基本方法與功能電路聯(lián)系起來(lái)。雖然簡(jiǎn)要介紹了發(fā)射器和接收器，但本文深入研究了用于時(shí)間測(cè)量的組件。此外，它還闡述了實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間解調(diào)需要執(zhí)行時(shí)間調(diào)制、時(shí)間微分和控制等過(guò)程。

圖 1：RC 正弦波振蕩器、平方放大器和阻塞振蕩器脈沖發(fā)生器示例

傳輸和接收

脈沖傳輸

在利用脈沖時(shí)間技術(shù)的距離測(cè)量系統(tǒng)中，必須發(fā)射簡(jiǎn)短的矩形波形。通常，高壓開(kāi)關(guān)用于將電源瞬時(shí)連接到射頻振蕩器。對(duì)于精確的時(shí)間測(cè)量，開(kāi)關(guān)波形的精確復(fù)制和傳輸脈沖的快速上升至關(guān)重要。較短的脈沖(通常在 0.05 至 0.1 微秒之間)有利于提高距離分辨率。值得注意的是，采用更快的脈沖有時(shí)會(huì)導(dǎo)致射頻振蕩器工作不穩(wěn)定。

討論了三種類(lèi)型振蕩器(300 MHz 磁控管、2 MHz 三極管和 16 kHz 定時(shí)振蕩器)中振蕩的建立。與定時(shí)振蕩器相比，射頻 (RF) 振蕩器需要更多周期才能達(dá)到全振幅。在磁控管中，振蕩迅速上升，受到開(kāi)關(guān)波形的限制，但足以滿(mǎn)足大多數(shù)距離測(cè)量的需要。發(fā)射機(jī)有意限制振蕩累積，以防止干擾無(wú)線(xiàn)電通信。為了精確測(cè)量時(shí)間，需要仔細(xì)控制脈沖形狀。 16 kHz 振蕩器中振蕩的啟動(dòng)涉及中斷初始條件以實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期的一小部分的啟動(dòng)時(shí)間。雖然工作頻率為 30 至 60 kHz 的振蕩器可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的性能，它在脈沖射頻振蕩器中不太常見(jiàn)，因?yàn)槊}沖射頻振蕩器的累積受到調(diào)諧電路的品質(zhì)因數(shù)和振蕩器負(fù)阻的影響。

磁控管中開(kāi)關(guān)波形開(kāi)始和 RF 振蕩啟動(dòng)之間的延遲非常小(小于 1 納秒)，但這種延遲在其他振蕩器中可能更為明顯。這種延遲必須考慮到測(cè)距系統(tǒng)的校準(zhǔn)中，因?yàn)檫@種延遲在短持續(xù)時(shí)間和長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的不準(zhǔn)確性。通過(guò)在諧振頻率附近注入低電平連續(xù)波 (CW) 信號(hào)可以很大程度上減輕短期波動(dòng)，這也有助于減少延遲。該技術(shù)在 200 MHz 左右的頻率下特別有效。參與校準(zhǔn)測(cè)距設(shè)備的工程師必須仔細(xì)管理各種振蕩器的時(shí)間延遲，以確保精確測(cè)量并最大限度地減少錯(cuò)誤。

脈沖的接收

發(fā)射的脈沖傳播到反射器并以光速返回接收器。來(lái)自小型靜止目標(biāo)的反射會(huì)導(dǎo)致最小的波形失真，而來(lái)自較大或更復(fù)雜目標(biāo)的反射可能會(huì)由于物體多個(gè)表面的反射造成的干擾而導(dǎo)致顯著的失真。

帶寬和上升時(shí)間

提高通信系統(tǒng)中的信噪比和整體系統(tǒng)性能，特別是在距離測(cè)量應(yīng)用中，需要優(yōu)化接收器帶寬和脈沖持續(xù)時(shí)間。然而，來(lái)自信噪比限制和晶體管特性的限制對(duì)接收器帶寬施加了限制，通常落在 10 至 20 MHz 的范圍內(nèi)。這種有限的帶寬直接影響距離測(cè)量系統(tǒng)的精度。為了實(shí)現(xiàn)最佳信噪比，接收器帶寬和脈沖持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系由公式 t = 1.2 BW 控制，其中 t 是以微秒為單位的脈沖持續(xù)時(shí)間，BW 表示以兆赫為單位的中頻帶寬。與這種理想相關(guān)性的任何偏差只會(huì)導(dǎo)致信噪比的邊際下降。從本質(zhì)上講，微調(diào)接收器帶寬和脈沖持續(xù)時(shí)間對(duì)于最大限度地提高通信設(shè)置中的信號(hào)質(zhì)量和系統(tǒng)效率至關(guān)重要，尤其是涉及距離測(cè)量任務(wù)的通信設(shè)置。

延遲時(shí)間

考慮接收器的延遲時(shí)間對(duì)于精確的距離校正至關(guān)重要，因?yàn)樗Q于系統(tǒng)的帶寬和放大器配置。系統(tǒng)內(nèi)此延遲的一致性和可預(yù)測(cè)性對(duì)于確保統(tǒng)一和可靠的功能至關(guān)重要。此延遲引入了 15 至 60 米的恒定偏移，具體取決于接收器帶寬及其包含的級(jí)數(shù)量等變量。對(duì)于具有六級(jí)或七級(jí)的單調(diào)諧放大器，可以使用公式 T d = 0.6 / BW來(lái)估計(jì)延遲。在具有相同級(jí)數(shù)的雙調(diào)諧放大器的情況下，延遲大約是單調(diào)諧放大器值的兩倍。

延遲隨信號(hào)幅度的變化

選擇接收器帶寬時(shí)要考慮的另一個(gè)關(guān)鍵方面是信號(hào)幅度變化對(duì)接收脈沖時(shí)間延遲的影響。在設(shè)計(jì)用于監(jiān)測(cè)船舶或飛機(jī)等移動(dòng)目標(biāo)的雷達(dá)系統(tǒng)中，干擾現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生顯著的信號(hào)波動(dòng)。此外，由于雷達(dá)系統(tǒng)的角度掃描過(guò)程，回波信號(hào)常常會(huì)經(jīng)歷幅度調(diào)制。

增益控制

通過(guò)在接收器中采用自動(dòng)增益控制 (AGC)，可以顯著減輕信號(hào)幅度變化帶來(lái)的誤差，從而穩(wěn)定平均信號(hào)幅度。這對(duì)于減少范圍誤差至關(guān)重要，特別是當(dāng)信號(hào)波動(dòng)發(fā)生在接近脈沖重復(fù)率的頻率時(shí)。 AGC 對(duì)于最大限度地減少信號(hào)變化和干擾造成的誤差、確保最佳的距離測(cè)量精度和系統(tǒng)性能至關(guān)重要。通過(guò)增益設(shè)置的動(dòng)態(tài)調(diào)制，系統(tǒng)補(bǔ)償幅度變化，提高時(shí)間測(cè)量精度并降低對(duì)外部噪聲的敏感性。然而，AGC 可能無(wú)法完全消除由信號(hào)強(qiáng)度變化引起的接收器延遲偏差，因?yàn)樵鲆娴淖兓瘯?huì)影響接收器帶寬和時(shí)間延遲。

差異化

脈沖整形或脈沖微分電路與高增益放大的結(jié)合可用于加速接收器輸出信號(hào)的上升時(shí)間。然而，這種方法并沒(méi)有對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生任何明顯的改進(jìn)

同步

同步是將時(shí)間調(diào)制系統(tǒng)和時(shí)間解調(diào)系統(tǒng)之間的時(shí)間參考對(duì)齊到相同或故意偏移已知量的過(guò)程。距離測(cè)量的精度依賴(lài)于一致的同步。同步方法有多種，通過(guò)射頻脈沖發(fā)生器進(jìn)行同步就是其中之一。

零位校準(zhǔn)

解決射頻脈沖傳輸和解調(diào)過(guò)程啟動(dòng)之間的固定或可變延遲對(duì)于精確的時(shí)間測(cè)量至關(guān)重要。實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的時(shí)間同步需要糾正這些延遲，這些延遲可能會(huì)因時(shí)間或熱影響而波動(dòng)。零校準(zhǔn)程序?qū)τ谧R(shí)別和糾正受時(shí)間、熱或其他影響設(shè)備的外部因素影響的任何延遲至關(guān)重要。距離測(cè)量的參考點(diǎn)理想地對(duì)應(yīng)于從零距離檢測(cè)回波的情況，因?yàn)檫@是不可行的，所以通常使用放置在已知距離(大約300 m)處的反射器進(jìn)行校準(zhǔn)。將系統(tǒng)與公認(rèn)的基準(zhǔn)(例如晶體控制振蕩器)對(duì)齊，有助于確定準(zhǔn)確的調(diào)零，考慮所有可能的錯(cuò)誤。

時(shí)間調(diào)制

波形和時(shí)間間隔：在工程中，波形描述信號(hào)如何隨時(shí)間變化。每個(gè)波形都有不同的點(diǎn)，可以測(cè)量這些點(diǎn)之間的時(shí)間并分配特定值。

時(shí)間間隔的調(diào)制：某些電路，稱(chēng)為時(shí)間調(diào)制電路，可以根據(jù)外部信號(hào)調(diào)整或調(diào)制波形點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。這意味著電路會(huì)根據(jù)信號(hào)的特性改變時(shí)序。

時(shí)間調(diào)制電路：時(shí)間調(diào)制電路根據(jù)輸入信號(hào)x改變時(shí)間間隔T，建立表示為T(mén) = F(x)的關(guān)系

傳遞函數(shù)：將輸入信號(hào)x與時(shí)間間隔T聯(lián)系起來(lái)的函數(shù)F(x)稱(chēng)為傳遞函數(shù)。它定義了電路如何根據(jù)輸入修改時(shí)序。

工程師可以設(shè)計(jì)出能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間間隔以響應(yīng)變化的輸入信號(hào)的復(fù)雜電路，從而促進(jìn)不同工程領(lǐng)域的適應(yīng)性和多功能性。

單尺度時(shí)間調(diào)制：時(shí)間調(diào)制表示兩個(gè)波形或波形片段之間的時(shí)間間隙的改變。初始信號(hào)或部分稱(chēng)為“參考脈沖”，后續(xù)信號(hào)或部分稱(chēng)為“調(diào)制脈沖”。這種定時(shí)變化發(fā)生的持續(xù)時(shí)間稱(chēng)為“調(diào)制范圍”。該持續(xù)時(shí)間通常比雷達(dá)系統(tǒng)中觀(guān)察到的脈沖重復(fù)間隔短，以便于在脈沖之間重置波形發(fā)生器。在某些情況下，例如脈沖通信系統(tǒng)，調(diào)制范圍可能會(huì)小得多。如果電路使用一次性調(diào)制器并包括兩個(gè)定時(shí)信號(hào)：一個(gè)用于同步，一個(gè)用于時(shí)間調(diào)制，則該電路被稱(chēng)為“單尺度”。這些定時(shí)信號(hào)在脈沖重復(fù)間隔期間都不重復(fù)，確保系統(tǒng)內(nèi)精確的時(shí)間控制和同步。

多尺度時(shí)間調(diào)制：使用來(lái)自高精度振蕩器(例如晶體或 LC 控制振蕩器)的固定脈沖，可以將時(shí)間調(diào)制范圍細(xì)分為更精細(xì)的間隔。這些脈沖允許精確的時(shí)間細(xì)分，但實(shí)際的時(shí)間調(diào)制需要變化的控制信號(hào)。為了提高精度，可以使用由固定脈沖之一觸發(fā)的時(shí)間調(diào)制電路來(lái)在脈沖間隔之間進(jìn)行微調(diào)。在“雙尺度”系統(tǒng)中，粗時(shí)間調(diào)制器和精細(xì)時(shí)間調(diào)制器一起工作，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)調(diào)制范圍內(nèi)的精確定時(shí)控制。該配置使用三個(gè)定時(shí)信號(hào)：一個(gè)用于固定脈沖，兩個(gè)用于粗調(diào)和微調(diào)。通過(guò)增加調(diào)制范圍內(nèi)的細(xì)分可以實(shí)現(xiàn)更高的時(shí)間調(diào)制精度。這強(qiáng)調(diào)了精確的時(shí)間細(xì)分在實(shí)現(xiàn)最佳時(shí)序控制和同步方面的重要性。在多尺度系統(tǒng)中，采用定時(shí)波形的相位調(diào)制來(lái)生成固定脈沖，允許連續(xù)相移以實(shí)現(xiàn)脈沖之間的平滑插值。該技術(shù)提高了基于時(shí)間的系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和控制。

元件特性

正弦波的產(chǎn)生和測(cè)量

RC、LC 和石英晶體電路對(duì)于產(chǎn)生精確定時(shí)的正弦波至關(guān)重要。這些標(biāo)準(zhǔn)利用不同的組件和原理來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的波浪生成：

RC 電路： RC 電路結(jié)合使用電阻器和電容器來(lái)生成波形。它們廣泛用于確定各種波形形狀的斜率，例如三角形、指數(shù)、雙曲線(xiàn)和拋物線(xiàn)。

LC 電路： LC 電路利用電感器和電容器來(lái)產(chǎn)生正弦波。在確定正弦波周期方面，LC 電路與石英和 RC 電路的精度進(jìn)行了比較

石英晶體電路：石英晶體電路利用石英的壓電特性來(lái)產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦波。在測(cè)量正弦波周期時(shí)，將石英電路的精度與 RC 和 LC 電路進(jìn)行比較。每個(gè)電路的精度取決于所采用的具體組件和原理，RC 電路在斜率測(cè)量方面表現(xiàn)出色，而石英/LC 電路則提供卓越的周期確定能力。

溫度系數(shù)

計(jì)時(shí)裝置的熱穩(wěn)定性至關(guān)重要，尤其是在航空應(yīng)用中。石英晶體在這方面表現(xiàn)出色，其溫度系數(shù)僅為每攝氏度百萬(wàn)分之幾。相比之下，諸如電感電容 (LC) 和電阻電容 (RC) 組合等計(jì)時(shí)器件往往對(duì)溫度更加敏感。例如，碳電阻器和紙電容器在 40°C 的溫度范圍內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn) 5% 至 10% 的變化。然而，通過(guò)使用精心選擇的云母電容器(呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù))和繞線(xiàn)電阻器(呈現(xiàn)正溫度系數(shù))組合，可以實(shí)現(xiàn)每攝氏度 10 到 20 ppm 的總體溫度系數(shù)。憑借嚴(yán)格的質(zhì)量控制，LC 組合還可以達(dá)到每攝氏度百萬(wàn)分之五的溫度系數(shù)。為了確保最大的精度，建議對(duì)所有三種類(lèi)型的定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行恒溫調(diào)節(jié)，這種方法已在通信發(fā)射機(jī)中實(shí)施多年。緊湊且高效的溫度控制裝置可支持這種調(diào)節(jié)。

晶體管

波的斜率或持續(xù)時(shí)間的準(zhǔn)確確定取決于精密定時(shí)電路和負(fù)反饋放大器。然而，生成精確的定時(shí)標(biāo)記涉及將信號(hào)波的幅度與參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)這些電壓匹配時(shí)，高增益非線(xiàn)性晶體管放大器會(huì)通過(guò)生成尖銳脈沖來(lái)快速響應(yīng)，這一過(guò)程稱(chēng)為“幅度比較”。負(fù)責(zé)該脈沖的電路稱(chēng)為“幅度比較器”。盡管如此，由于老化、電壓漂移或類(lèi)似晶體管之間的不一致等因素造成的變化可能會(huì)在精確確定電壓相等的精確時(shí)刻時(shí)產(chǎn)生重大誤差。

規(guī)格準(zhǔn)確度

制造和質(zhì)量控制的進(jìn)步使石英晶體的精度優(yōu)于百萬(wàn)分之一，使其成為高度可靠的組件：

相比之下，電感器 (L)、電容器 (C) 和電阻器 (R) 等標(biāo)準(zhǔn)無(wú)源元件的精度要低得多。

標(biāo)準(zhǔn)組件

根據(jù)選擇參數(shù)，無(wú)線(xiàn)電電路中使用的碳電阻器和紙電容器的公差通常為 5%、10% 或 20%。

精密零件

云母電容器、繞線(xiàn)電阻器和磁導(dǎo)率調(diào)諧電感器提供更嚴(yán)格的容差，通常約為 1%。

為了在 LC 和 RC 基準(zhǔn)中實(shí)現(xiàn)更高的精度，它們通常根據(jù)石英標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保精確調(diào)整正弦周期和三角波斜率。這種校準(zhǔn)方法比直接元件測(cè)量更有效，因?yàn)樗梢匝a(bǔ)償雜散電容和電路行為的變化。此外，采用具有穩(wěn)定增益的負(fù)反饋環(huán)路可以精確控制波形線(xiàn)性度，從而實(shí)現(xiàn)極其精確的波形生成和整形。

概括

本文討論了工程師如何利用脈沖時(shí)間測(cè)量技術(shù)，重點(diǎn)關(guān)注生成和檢測(cè)脈沖的組件和過(guò)程。它涵蓋了短時(shí)脈沖的傳輸以及激活期間振蕩器(產(chǎn)生重復(fù)信號(hào)的電路)的行為。目標(biāo)是生成精確、快速的脈沖，這對(duì)于準(zhǔn)確確定距離至關(guān)重要，盡管由于時(shí)間延遲和信號(hào)可變性，管理這些脈沖帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

本文進(jìn)一步解釋了信號(hào)接收以及接收器帶寬(系統(tǒng)可以處理的頻率范圍)和信號(hào)上升時(shí)間(脈沖幅度增加的速度)等參數(shù)如何影響整體系統(tǒng)性能。自動(dòng)增益控制 (AGC) 等技術(shù)有助于穩(wěn)定信號(hào)強(qiáng)度，但不能消除所有錯(cuò)誤。為了確保測(cè)量精度，系統(tǒng)需要時(shí)間同步，并通過(guò)零校準(zhǔn)來(lái)糾正脈沖傳輸和接收之間的任何固定或波動(dòng)的延遲。

時(shí)間調(diào)制涉及根據(jù)外部輸入調(diào)整脈沖之間的間隔。工程師利用電路來(lái)調(diào)制時(shí)序，以提高復(fù)雜應(yīng)用中的精度。各種定時(shí)組件，包括 RC(電阻器-電容器)、LC(電感器-電容器)和石英晶體電路，可生成穩(wěn)定、清晰的波形。石英晶體以其準(zhǔn)確性和溫度穩(wěn)定性而聞名，而其他組件的性能可能會(huì)因熱變化而變化。

最后，晶體管和其他電路元件在生成精確脈沖方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，盡管它們需要仔細(xì)調(diào)整以避免引入錯(cuò)誤。

結(jié)論

本文深入探討了工程系統(tǒng)中精確時(shí)間測(cè)量所需的方法和組件，特別是那些依賴(lài)脈沖定時(shí)來(lái)完成距離測(cè)量等任務(wù)的系統(tǒng)。清楚地了解振蕩器、脈沖和信號(hào)的行為對(duì)于精度至關(guān)重要。同步、時(shí)間調(diào)制和定時(shí)組件的仔細(xì)管理等技術(shù)有助于確保準(zhǔn)確性。石英晶體等具有高精度的組件對(duì)于維持可靠的測(cè)量至關(guān)重要，并且持續(xù)的技術(shù)進(jìn)步不斷提高這些系統(tǒng)的精度。