一種天線信號(hào)初始相位差、時(shí)延和頻率差估計(jì)裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種天線信號(hào)的初始相位差、時(shí)延和頻率差估計(jì)裝置及方法，所述裝置包括：載波跟蹤模塊，通過(guò)載波跟蹤獲得兩路天線信號(hào)的同相信號(hào)和載波相位；時(shí)延互相關(guān)估計(jì)模塊，通過(guò)互相關(guān)計(jì)算估計(jì)得到兩路天線信號(hào)之間的時(shí)延估計(jì)值，并根據(jù)同相信號(hào)估計(jì)得到兩路天線信號(hào)之間的相位差模糊補(bǔ)償角度值；時(shí)延調(diào)整模塊，根據(jù)時(shí)延估計(jì)值對(duì)載波相位進(jìn)行時(shí)延調(diào)整；相位差分模塊，計(jì)算載波相位差；頻率差和初始相位差估計(jì)模塊，根據(jù)載波相位差計(jì)算得到頻率差和初始相位差估計(jì)值；相位差模糊度補(bǔ)償模塊，根據(jù)相位差模糊補(bǔ)償角度對(duì)初始相位差估計(jì)值進(jìn)行模糊度補(bǔ)償，進(jìn)而得到初始相位差。
【專利說(shuō)明】一種天線信號(hào)初始相位差、時(shí)延和頻率差估計(jì)裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及深空探測(cè)領(lǐng)域，特別涉及深空探測(cè)器的VLBI (甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量)軌道測(cè)量和天線組陣信號(hào)接收中的長(zhǎng)基線天線之間的相位差、時(shí)延和頻率差的估計(jì)裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類深空探測(cè)活動(dòng)的不斷拓展，深空遠(yuǎn)距離的通信對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡的性能提出了新的需求。而目前由于開(kāi)發(fā)成本的提高和技術(shù)的限制，單個(gè)天線性能提高已經(jīng)到了停滯狀態(tài)，通過(guò)大量天線組陣的方法是獲得更高天線增益的基本途徑。為適應(yīng)未來(lái)我國(guó)深空探測(cè)的發(fā)展需要，同時(shí)降低成本，可充分利用現(xiàn)有的遠(yuǎn)距離的大型射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行組陣，以較小的資金投入和較短研制周期實(shí)現(xiàn)深空探測(cè)通信能力的大幅度提高。
[0003]天線陣的輸出是進(jìn)入合成器所有輸入信號(hào)的加權(quán)和。各天線之間的時(shí)延和相位的調(diào)整精度對(duì)信號(hào)的合成性能有直接的影響。由于天線距離遙遠(yuǎn)(幾百或幾千公里)，信號(hào)到達(dá)各天線的延遲受到探測(cè)器運(yùn)動(dòng)以及地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的影響，相對(duì)時(shí)延變化較快。目前通用的時(shí)延和相位差估計(jì)是采用VLBI技術(shù)中的互相關(guān)方法，由于多普勒頻移的不同，在進(jìn)行相關(guān)時(shí)需要事先進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)。而當(dāng)時(shí)延和多普勒頻移沒(méi)有足夠精度的先驗(yàn)值時(shí)，時(shí)延和相位差的互相關(guān)估計(jì)需要進(jìn)行兩維的相關(guān)峰搜索——多普勒頻移差(對(duì)應(yīng)相位旋轉(zhuǎn))和時(shí)延。所以在信號(hào)合成開(kāi)始時(shí)段會(huì)需要較長(zhǎng)的相關(guān)峰搜索時(shí)間，這對(duì)通信的實(shí)時(shí)性是非常不利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了提高深空探測(cè)長(zhǎng)基線天線組陣中信號(hào)時(shí)延、初始相位差和頻率差的估計(jì)速度，并降低計(jì)算量，本發(fā)明針對(duì)深空探測(cè)中最常用的BPSK通信信號(hào)提出了一種長(zhǎng)基線天線信號(hào)初始相位差、時(shí)延和頻率差的快速估計(jì)方法與裝置。
[0005]根據(jù)本發(fā)明一方面，其提供了一種天線信號(hào)的初始相位差、時(shí)延和頻率差估計(jì)裝置，其包括:
[0006]載波跟蹤模塊，其通過(guò)載波跟蹤獲得兩路天線信號(hào)的同相信號(hào)和載波相位；
[0007]時(shí)延互相關(guān)估計(jì)模塊，其通過(guò)互相關(guān)計(jì)算估計(jì)得到兩路天線信號(hào)之間的時(shí)延估計(jì)值，并根據(jù)所述兩路天線信號(hào)的同相信號(hào)估計(jì)得到兩路天線信號(hào)之間的相位差模糊補(bǔ)償角度值；
[0008]時(shí)延調(diào)整模塊，其根據(jù)所述時(shí)延估計(jì)值對(duì)所述載波相位進(jìn)行時(shí)延調(diào)整；
[0009]相位差分模塊，其計(jì)算兩路天線信號(hào)經(jīng)時(shí)延調(diào)整后的載波相位差；
[0010]頻率差和初始相位差估計(jì)模塊，其根據(jù)所述載波相位差計(jì)算得到兩路天線信號(hào)的頻率差和初始相位差估計(jì)值；
[0011]相位差模糊度補(bǔ)償模塊，其根據(jù)所述相位差模糊補(bǔ)償角度對(duì)兩路天線信號(hào)的初始相位差估計(jì)值進(jìn)行模糊度補(bǔ)償，進(jìn)而得到兩路天線信號(hào)的初始相位差。[0012]根據(jù)本發(fā)明另一方面，其提供了一種天線信號(hào)的初始相位差、時(shí)延和頻率差估計(jì)方法，其包括:
[0013]通過(guò)載波跟蹤獲得兩路天線信號(hào)的同相信號(hào)和載波相位；
[0014]通過(guò)互相關(guān)計(jì)算估計(jì)得到兩路天線信號(hào)之間的時(shí)延估計(jì)值，并根據(jù)所述兩路天線信號(hào)的同相信號(hào)估計(jì)得到兩路天線信號(hào)之間的相位差模糊補(bǔ)償角度值；
[0015]根據(jù)所述時(shí)延估計(jì)值對(duì)所述載波相位進(jìn)行時(shí)延調(diào)整；
[0016]計(jì)算兩路天線信號(hào)經(jīng)時(shí)延調(diào)整后的載波相位差；
[0017]根據(jù)所述載波相位差計(jì)算得到兩路天線信號(hào)的頻率差和初始相位差估計(jì)值；
[0018]根據(jù)所述相位差模糊補(bǔ)償角度對(duì)兩路天線信號(hào)的初始相位差估計(jì)值進(jìn)行模糊度補(bǔ)償，進(jìn)而得到兩路天線信號(hào)的初始相位差。
[0019]本發(fā)明提出的上述方案將不同位置的天線信號(hào)經(jīng)下變頻和帶通濾波后，變頻為中頻信號(hào)，然后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行采樣。采樣后的天線信號(hào)通過(guò)載波跟蹤實(shí)現(xiàn)載波相位的復(fù)現(xiàn)，載波相位經(jīng)時(shí)延調(diào)整后與參考信號(hào)的載波相位進(jìn)行差分，通過(guò)最小二乘估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)頻率差和初始相位差的估計(jì)，其中初始相位差還需要進(jìn)行31弧度的相位模糊補(bǔ)償；天線信號(hào)經(jīng)載波跟蹤后的同相信號(hào)與參考信號(hào)的同相信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)，實(shí)現(xiàn)時(shí)延的估計(jì)。由于載波跟蹤和時(shí)延互相關(guān)估計(jì)都只需要一維搜索，估計(jì)速度要比傳統(tǒng)的需二維搜索的互相關(guān)方法快得多，同時(shí)不需要任何的探測(cè)器位置、時(shí)延或時(shí)延率的先驗(yàn)知識(shí)。
[0020]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明提出的長(zhǎng)基線天線信號(hào)初始相位差、時(shí)延和頻率差的快速估計(jì)裝置與方法，與傳統(tǒng)的估計(jì)方法相比，由于載波跟蹤和時(shí)延互相關(guān)估計(jì)都只需要一維搜索，估計(jì)速度要比傳統(tǒng)的需二維搜索的互相關(guān)方法快得多，同時(shí)不需要任何的探測(cè)器位置、時(shí)延或時(shí)延率的先驗(yàn)知識(shí)。本發(fā)明的裝置和方法也可以直接應(yīng)用到VLBI軌道測(cè)量中，實(shí)現(xiàn)探測(cè)器位置的快速定位。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是本發(fā)明天線信號(hào)初始相位差、時(shí)延和頻率差估計(jì)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2是本發(fā)明中載波跟蹤模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3是本發(fā)明中天線信號(hào)的初始相位差、時(shí)延和頻率差估計(jì)方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0025]圖1是本發(fā)明中天線信號(hào)初始相位差、時(shí)延和頻率差估計(jì)裝置的示意圖。如圖1所示，估計(jì)裝置為圖中虛線框內(nèi)部分，由載波跟蹤模塊、時(shí)延互相關(guān)估計(jì)模塊、時(shí)延調(diào)整模塊、相位差分模塊、頻率差和初始相位差估計(jì)模塊和相位差模糊度補(bǔ)償模塊等組成。
[0026]圖1中所示的其它設(shè)備，如天線、低噪聲放大器(LNA)、下變頻器、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等為探測(cè)器信號(hào)接收和預(yù)處理設(shè)備。各天線接收到的探測(cè)器信號(hào)，經(jīng)過(guò)低噪聲放大器進(jìn)行的功率放大、下變頻器進(jìn)行的下變頻和模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行的中頻信號(hào)采樣后得到的數(shù)字信號(hào)被稱作天線信號(hào)。
[0027]應(yīng)該注意，所述天線信號(hào)是經(jīng)過(guò)預(yù)處理所得的數(shù)字天線信號(hào)，而前述低噪聲放大器、下變頻器、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等模塊所進(jìn)行的處理只是示例性的預(yù)處理。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，所述預(yù)處理不限于這一種方式，而可以通過(guò)添加其它的裝置或去掉某一裝置(例如，低噪聲放大器)或者調(diào)整執(zhí)行預(yù)處理的裝置的次序來(lái)改變預(yù)處理的方式。
[0028]本發(fā)明提出的上述估計(jì)裝置對(duì)采樣后的兩路天線信號(hào)分別經(jīng)載波跟蹤模塊實(shí)現(xiàn)載波相位的復(fù)現(xiàn)，載波跟蹤模塊采用數(shù)字科斯塔斯環(huán)實(shí)現(xiàn)；輸出的同相信號(hào)經(jīng)時(shí)延互相關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)兩天線信號(hào)的時(shí)延估計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)載波相位差η或O弧度的相位模糊估計(jì)。復(fù)現(xiàn)的載波相位經(jīng)時(shí)延調(diào)整模塊實(shí)現(xiàn)兩路載波相位的時(shí)間同步，然后經(jīng)載波相位差分模塊獲得載波相位的差值，通過(guò)頻率差和初始相位差估計(jì)模塊實(shí)現(xiàn)頻率差和相位差的估計(jì)，其中相位差還需要經(jīng)過(guò)相位差模糊度補(bǔ)償模塊實(shí)現(xiàn)H或O弧度的相位補(bǔ)償。其中，頻率差和初始相位差估計(jì)模塊采用經(jīng)典的最小二乘估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)頻率差和相位差的估計(jì)。
[0029]下面詳細(xì)介紹各個(gè)模塊的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。
[0030]載波跟蹤模塊，用于利用科斯塔斯環(huán)實(shí)現(xiàn)兩路天線信號(hào)的載波跟蹤和載波相位估計(jì)，即通過(guò)載波跟蹤獲得兩路天線信號(hào)的同相信號(hào)，并分別獲取兩路天線信號(hào)的載波相位。
[0031]圖2是本發(fā)明中載波跟蹤模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，所述載波跟蹤模塊由兩個(gè)相正交的環(huán)路構(gòu)成，每個(gè)環(huán)路包括第一乘法器、低通濾波器、第二乘法器、環(huán)路濾波器和數(shù)字控制振蕩器(NCO)，兩路環(huán)路共用一個(gè)環(huán)路濾波器和數(shù)字控制振蕩器(NCO)。所述NCO分別和兩路互相正交的環(huán)路構(gòu)成鎖相環(huán)；NC0分別向兩個(gè)環(huán)路提供互相正交的正弦載波和余弦載波，并分別輸出至兩個(gè)環(huán)路中的第一乘法器。所述正、余弦載波與輸入的天線信號(hào)在各自的環(huán)路中進(jìn)行鑒相，即通過(guò)各自環(huán)路中的第一乘法器與輸入的天線信號(hào)進(jìn)行相乘得到鑒相結(jié)果，所述鑒相結(jié)果經(jīng)過(guò)低通濾波后分別得到同向、正交信號(hào)，所得到的兩個(gè)信號(hào)經(jīng)第二乘法器相乘以消除相位誤差信號(hào)中的調(diào)制信息；消除了調(diào)制信息的相位誤差信號(hào)經(jīng)環(huán)路濾波器濾波后輸出至NC0，用于控制NCO鎖定在天線信號(hào)的載波頻率和相位上。NCO在輸出正、余弦載波的同時(shí)，還計(jì)算獲得載波相位并將其輸出至?xí)r延調(diào)整模塊。除NCO外，載波跟蹤模塊中的其它模塊均采用通用技術(shù)。其中，所述同向信號(hào)由天線信號(hào)與余弦載波相乘的環(huán)路獲得，所述正交信號(hào)由天線信號(hào)與正弦載波相乘的環(huán)路獲得。
[0032]NCO模塊由累加器、保持寄存器、cos映射和sin映射模塊構(gòu)成。經(jīng)環(huán)路濾波器濾波的相位誤差信號(hào)經(jīng)累加器實(shí)現(xiàn)與保持寄存器中數(shù)據(jù)的累加，獲得下一時(shí)鐘周期載波相位值；所述載波相位經(jīng)FPGA時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)，存貯到保持寄存器，然后由保持寄存器輸出至COS映射和sin映射模塊實(shí)現(xiàn)cos和sin載波信號(hào)的生成，同時(shí)載波相位還輸出至?xí)r延調(diào)整模塊進(jìn)行后續(xù)的處理。NCO模塊中的累加器、保持寄存器、cos映射和sin映射等模塊均采用通用技術(shù)。
[0033]時(shí)延互相關(guān)估計(jì)模塊，其用于根據(jù)天線信號(hào)經(jīng)載波跟蹤后得到的同相信號(hào)之間的互相關(guān)計(jì)算，估計(jì)得到兩天線信號(hào)之間的時(shí)延估計(jì)值，同時(shí)獲得兩天線信號(hào)之間的相位差模糊補(bǔ)償角度，以實(shí)現(xiàn)載波相位差相位模糊的估計(jì)；
[0034]時(shí)延互相關(guān)估計(jì)模塊的具體處理方法描述如下:
[0035]首先，計(jì)算兩天線信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)。設(shè)天線I和天線2的同相信號(hào)分別為S11 (t)和S12⑴，其互相關(guān) 函數(shù)設(shè)為R12 ( τ )，則:
[0036]A>l:(r) = j_ ^Vll
[0037]在實(shí)際應(yīng)用中，R12(T)的計(jì)算可采用成熟的時(shí)域或頻域的快速計(jì)算方法，其中，4(0? S11 (t)的共軛；τ為兩路天線信號(hào)的時(shí)延值。
[0038]其次，計(jì)算使所述互相關(guān)函數(shù)絕對(duì)值最大時(shí)的時(shí)延τ值，獲得兩路信號(hào)的時(shí)延值，即
【權(quán)利要求】
1.一種天線信號(hào)的初始相位差、時(shí)延和頻率差估計(jì)裝置，其包括: 載波跟蹤模塊，其通過(guò)載波跟蹤獲得兩路天線信號(hào)的同相信號(hào)和載波相位； 時(shí)延互相關(guān)估計(jì)模塊，其通過(guò)互相關(guān)計(jì)算估計(jì)得到兩路天線信號(hào)之間的時(shí)延估計(jì)值，并根據(jù)所述兩路天線信號(hào)的同相信號(hào)估計(jì)得到兩路天線信號(hào)之間的相位差模糊補(bǔ)償角度值； 時(shí)延調(diào)整模塊，其根據(jù)所述時(shí)延估計(jì)值對(duì)所述載波相位進(jìn)行時(shí)延調(diào)整； 相位差分模塊，其計(jì)算兩路天線信號(hào)經(jīng)時(shí)延調(diào)整后的載波相位差； 頻率差和初始相位差估計(jì)模塊，其根據(jù)所述載波相位差計(jì)算得到兩路天線信號(hào)的頻率差和初始相位差估計(jì)值； 相位差模糊度補(bǔ)償模塊，其根據(jù)所述相位差模糊補(bǔ)償角度對(duì)兩路天線信號(hào)的初始相位差估計(jì)值進(jìn)行模糊度補(bǔ)償，進(jìn)而得到兩路天線信號(hào)的初始相位差。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述載波跟蹤模塊包括兩個(gè)第一乘法器、兩個(gè)低通濾波器、一個(gè)第二乘法器、環(huán)路濾波器和數(shù)字控制振蕩器，其中所述兩個(gè)第一乘法器和低通濾波器分別與第二乘法器、環(huán)路濾波器和數(shù)字控制振蕩器形成兩個(gè)鎖相環(huán)路:數(shù)字控制振蕩器分別向兩路鎖相環(huán)輸出正、余弦載波，天線信號(hào)經(jīng)第一乘法器與所述正、余弦載波相乘后得到兩個(gè)鑒相結(jié)果，所述兩個(gè)鑒相結(jié)果分別經(jīng)兩個(gè)低通濾波器濾波后輸出兩路基帶信號(hào)，其中經(jīng)余弦載波鑒相得到的基帶信號(hào)為同相信號(hào)，所述兩路基帶信號(hào)經(jīng)第二乘法器消除相位誤差信號(hào)中的數(shù)字信息，得到的相位誤差信號(hào)經(jīng)環(huán)路濾波器濾波后輸出至數(shù)字控制振蕩器，以控制數(shù)字振蕩器鎖定在天線信號(hào)的載波頻率和相位上，所述數(shù)字控制振蕩器還通過(guò)將環(huán)路濾波器濾波后的相位差信號(hào)經(jīng)累加器與上一時(shí)鐘周期的載波相位累加后得到當(dāng)前時(shí)鐘周期的載波相位并輸出。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述時(shí)延互相關(guān)估計(jì)模塊通過(guò)如下方式計(jì)算得到兩路天線信號(hào)之間的時(shí)延估計(jì)值:首先根據(jù)兩路天線信號(hào)的同相信號(hào)建立互相關(guān)函數(shù)，獲取使得互相關(guān)函數(shù)絕對(duì)值最大時(shí)的時(shí)延，作為兩路天線信號(hào)的時(shí)延估計(jì)值。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中，互相關(guān)函數(shù)如下所示: "丨 2 (O = J , +rH 其中，R12(T)為兩路天線信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)，S11 (t)和s12(t)分別為兩路天線信號(hào)的同步信號(hào)，τ為兩路天線信號(hào)之間的時(shí)延值。
5.如權(quán)利要求如權(quán)利要求3-4任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述時(shí)延互相關(guān)估計(jì)模塊如下計(jì)算得到相位差模糊補(bǔ)償角度值:當(dāng)兩路天線信號(hào)之間的互相關(guān)絕對(duì)值最大時(shí)對(duì)應(yīng)的互相關(guān)值大于等于O時(shí)，相位差模糊補(bǔ)償角度值為O，小于O時(shí)，相位差模糊補(bǔ)償角度值為π。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，時(shí)延調(diào)整模塊如下調(diào)整載波相位的時(shí)延: 當(dāng)τ1≥O時(shí)，
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，頻率差和初始相位差估計(jì)模塊如下計(jì)算得到兩路天線信號(hào)的頻率差和初始相位差估計(jì)值:
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述相位差模糊度補(bǔ)償模塊通過(guò)所述初始相位差估計(jì)值加上相位模糊補(bǔ)償角度得到兩路天線信號(hào)的最終初始相位差。
9.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述數(shù)字控制振蕩器包括:累加器、保持寄存器、正弦映射模塊和余弦映射模塊；其中累加器用于將經(jīng)環(huán)路濾波器濾波后的相位差信號(hào)與保持寄存器中上一時(shí)鐘周期的載波相位累加后得到當(dāng)前時(shí)鐘周期的載波相位，所述當(dāng)前時(shí)鐘周期的載波相位經(jīng)時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)至保持寄存器，然后由保持寄存器將其輸出正弦映射模塊和余弦映射模塊，同時(shí)還輸出至?xí)r延調(diào)整模塊；正弦映射模塊和余弦映射模塊根據(jù)所述載波相位生成正弦、余弦載波信號(hào)后分別輸出至所述兩個(gè)第一乘法器。
10.一種天線信號(hào)的初始相位差、時(shí)延和頻率差估計(jì)方法，其包括: 通過(guò)載波跟蹤獲得兩路天線信號(hào)的同相信號(hào)和載波相位； 通過(guò)互相關(guān)計(jì)算估計(jì)得到兩路天線信號(hào)之間的時(shí)延估計(jì)值，并根據(jù)所述兩路天線信號(hào)的同相信號(hào)估計(jì)得到兩路天線信號(hào)之間的相位差模糊補(bǔ)償角度值； 根據(jù)所述時(shí)延估計(jì)值對(duì)所述載波相位進(jìn)行時(shí)延調(diào)整； 計(jì)算兩路天線信號(hào)經(jīng)時(shí)延調(diào)整后的載波相位差； 根據(jù)所述載波相位差計(jì)算得到兩路天線信號(hào)的頻率差和初始相位差估計(jì)值； 根據(jù)所述相位差模糊補(bǔ)償角度對(duì)兩路天線信號(hào)的初始相位差估計(jì)值進(jìn)行模糊度補(bǔ)償，進(jìn)而得到兩路天線信號(hào)的初始相位差。
【文檔編號(hào)】H04B17/00GK103916201SQ201410117721
【公開(kāi)日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】孔德慶, 張洪波, 朱新穎, 蘇彥, 姜正陽(yáng), 戴舜, 李春來(lái) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)