Техническое описание импульсного сигнала FMTLab

1. Назначение сигнала

Сигнал, передаваемый FMTLab, предназначен для измерительных и экспериментальных задач, в том числе для:

• измерения задержек в передающем и приёмном трактах
• анализа влияния фильтрации, АРУ и групповой задержки
• экспериментов со стабильностью времени и частоты, включая опорный сигнал 1PPS
• измерительных соревнований FMTLab, где участники сравнивают точность, стабильность и повторяемость своих измерений

Сигнал не оптимизирован для радиосвязи и не предназначен для субъективной оценки качества приёма.
Его ключевое свойство — временна́я повторяемость и удобство для метрологии.

Порядок и времена импульсных блоков внутри передачи тура описаны в документе FMT Tour Transmission Format.

2. Структура сигнала

Передаваемый сигнал — синусоида 1 кГц, сформированная как три ограниченных по времени пакета (burst).
При обычной развёртке осциллографа несущая 1 кГц выглядит как сплошной блок.
При увеличении хорошо видна синусоидальная структура.
Времена эталонного пакета (Reference Pack):

• Импульс #1: 100 мс
• Пауза: 100 мс
• Импульс #2: 50 мс
• Пауза: 100 мс
• Импульс #3: 25 мс (калибровочное значение; в туре у этого импульса своя длительность — см. режимы работы ниже)

Общая длительность пакета:
100 + 100 + 50 + 100 + 25 = 375 мс
(Это и есть Reference Pack)

Пакет повторяется каждую секунду и синхронизирован с опорным сигналом 1PPS.

Режимы работы:

• Сеансы калибровки:
  Передаётся полный эталонный пакет, описанный выше: третий импульс 25 мс, пакет начинается на секунде 1PPS (смещение 0). По нему анализируют сигнальный тракт и проверяют свою методику измерения по известным значениям.
• Зачётные туры:
  Передаётся тот же пакет, но третий импульс имеет длительность, свою для тура — одинаковую в каждом пакете этого тура, — а весь пакет смещён относительно секунды 1PPS на постоянную в туре величину. Длительность третьего импульса — метрика PULSE; время от начала секунды 1PPS до начала первого импульса (уровень 50% огибающей) — метрика PPS.
  Первые два импульса и обе паузы сохраняют фиксированные значения и могут использоваться для калибровки и проверки линейности, стабильности и согласованности измерений.

Основные параметры сигнала:

• форма сигнала: синусоидальная
• частота синусоиды: 1 кГц
• структура: 3 импульса burst в одном пакете

3. Параметры, измеренные на выходе антенны

Все измерения времени выполнены цифровым осциллографом Rohde & Schwarz RTB2002.
Измерения проводились непосредственно на выходе антенны, на эталонном пакете 25 мс из сеанса калибровки.

Значения ниже — статистика по нескольким записям.
Разброс определяется разрешением таймера и задержками аналогового тракта.
В пределах серии измерений долговременного дрейфа не наблюдалось.

Импульс #1 (номинально 100 мс):

• Среднее: 100.00848 мс
• Мин–Макс: 99.98151 … 100.02708 мс
• СКО: 11.09 мкс

Импульс #2 (номинально 50 мс):

• Среднее: 50.05074 мс
• Мин–Макс: 50.01819 … 50.08701 мс
• СКО: 13.35 мкс

Импульс #3 (номинально 25 мс, калибровочное значение):

• Среднее: 25.0096 мс
• Мин–Макс: 24.98748 … 25.0306 мс
• СКО: 8.60 мкс

Измеренные положения импульсов относительно запуска подтверждают времена пакета:
импульс #2 начинается примерно на 200 мс, импульс #3 — примерно на 350 мс.

4. Опорный сигнал 1PPS и привязка времени

Вся система синхронизирована с опорным сигналом 1PPS, который используется:
как абсолютная метка времени
как опора для временно́го окна пакета

Рекомендуемый метод определения времён импульса

Границы импульсов определяются по относительным уровням огибающей 10% / 50% / 90% от амплитуды огибающей (от базовой линии до плато).

• Уровень 50% — основная временна́я опора (начало и конец импульса), как для длительности импульса (PULSE), так и для смещения пакета относительно 1PPS (PPS)
• Уровни 10% и 90% служат для оценки нарастания и спада, а также влияния сигнального тракта: фильтрации, групповой задержки, ограничения полосы и АРУ

Такой подход повышает повторяемость измерений и снижает чувствительность к искажениям амплитуды, форме огибающей, ограничениям полосы и артефактам аналогового тракта

5. Точность формирования против пределов измерений в эфире

Точность формирования и передачи импульсов в FMTLab намеренно превышает достижимую точность измерений в эфире.

Это значит, что вклад генератора и передающего тракта пренебрежимо мал по сравнению с ошибками, которые вносят радиоканал и приёмная установка участника.

По измерениям на выходе антенны разброс длительности импульса составляет от единиц до десятков микросекунд для импульсов 25–100 мс.

Ключевые моменты:

• времена пакета привязаны к опорному сигналу 1PPS
• фронты импульсов формируются детерминированно и повторяемо
• во время измерительных сеансов долговременного дрейфа не наблюдается

В результате точность формирования сигнала превышает возможности измерений в эфире минимум на 1–2 порядка по времени.

Отсюда следует:

• генератор не является ограничивающим фактором
• все наблюдаемые отклонения вызваны трактом передачи, радиоканалом и методикой измерения
• любая установка, способная измерять границы импульсов точнее ~0,1–0,2 мс, полностью удовлетворяет требованиям FMTLab и может соревноваться на равных

6. Уровни сигнала и методика

Принципы формирования и измерения сигнала опираются на рекомендацию ITU-R M.1177-4 как общий ориентир для радиоизмерений во временно́й и частотной областях.

FMTLab не заявляет о соответствии радиолокационным системам, но использует эти рекомендации как основу воспроизводимых измерений.

7. Принципы работы с сигналами FMTLab

• Никакие задержки не компенсируются постфактум
• Все искажения и поведение фронтов считаются частью системы
• Измеряется реальный сигнальный тракт, а не идеализированная модель

8. Оборудование для формирования импульсов

Импульсы формирует лабораторный генератор сигналов Keysight EDU33211A, работающий в режиме burst с внешней синхронизацией 1PPS.

Проверку времён выполняет цифровой осциллограф Rohde & Schwarz RTB2002.

Ключевые требования к генератору и сигнальному тракту:

• стабильная и повторяемая временна́я база
• возможность внешней синхронизации 1PPS
• детерминированные времена пакетов
• отсутствие случайного джиттера на уровне микросекунд
• повторяемые характеристики нарастания и спада без случайных артефактов

Генератор и режим работы обеспечивают нестабильность времени намного ниже типичных ошибок измерений в эфире.
Поэтому неточности формирования сигнала не влияют на результаты FMTLab и не требуют дополнительной коррекции. Генератор и передающий тракт рассматриваются как эталонный источник, относительно которого оценивается только приёмная система и методика измерения участника.

Ссылки на официальные спецификации оборудования

• Keysight EDU33211A — генератор импульсов / функциональный генератор
  Официальная страница прибора с данными из datasheet, включая режимы burst и поддержку внешней синхронизации:
  https://www.keysight.com/de/de/assets/3121-1004/data-sheets/EDU33210-Series-20-MHz-Function-Arbitrary-Waveform-Generators.pdf
• Rohde & Schwarz RTB2002 — цифровой осциллограф
  Официальная страница серии RTB2000: полоса, частота дискретизации и измерительные возможности:
  https://scdn.rohde-schwarz.com/ur/pws/dl_downloads/dl_common_library/dl_brochures_and_datasheets/pdf_1/RTB2000_bro_en_3607-4270-12_v0700.pdf