天線組陣寬帶信號(hào)頻域全頻譜相關(guān)合成系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種天線組陣寬帶信號(hào)頻域全頻譜相關(guān)合成系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，天線組陣技術(shù)隨著人類探索外層空間的歷程而逐步發(fā)展。美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)針對(duì)深空網(wǎng)(DSN)的應(yīng)用環(huán)境，對(duì)天線組陣技術(shù)進(jìn)行了大量的研宄工作，早期主要是為了解決緊急情況下航天器對(duì)地面站信息的順利傳輸，盡可能多地接收遙遠(yuǎn)突發(fā)數(shù)據(jù)的環(huán)境。隨著對(duì)外太空探索的深入，隨著深空航天器離地面越來越遠(yuǎn)，其送回地面的信號(hào)變得越來越弱，使得單個(gè)天線接收信號(hào)的信噪比(SNR)也就越來越低。未來深空測(cè)控與通信系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展面臨著三個(gè)緊迫的難題:探測(cè)距離的增加和深空傳輸數(shù)據(jù)量的持續(xù)增長(zhǎng)，要求地面系統(tǒng)的傳輸能力不斷提高；建設(shè)更大天線的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)與成本控制；多個(gè)深空航天器同時(shí)測(cè)控的要求。如果還是應(yīng)用單個(gè)大天線做目標(biāo)探測(cè)，就要求天線的口徑很大，這不僅使技術(shù)難度提高很大，而且成本也增加很多。現(xiàn)有的大天線技術(shù)已達(dá)到性能極限，利用天線組陣技術(shù)對(duì)來自幾個(gè)天線的信號(hào)進(jìn)行合成，已成為提高接收信噪比的最有效方法之一。作為支持深空探測(cè)的一種靈活的技術(shù)手段，天線組陣技術(shù)的應(yīng)用條件并不苛刻，可用于任何信號(hào)調(diào)制方式，能夠解決現(xiàn)有測(cè)控通信系統(tǒng)性能瓶頸問題。
[0003]隨著人類進(jìn)人深空探測(cè)時(shí)代，微弱信號(hào)的接收成為航天測(cè)控領(lǐng)域的主要技術(shù)難題之一。提高微弱信號(hào)接收信噪比的一個(gè)直接的方法是制造物理口徑更大的天線，而更為有效可行的方法則是天線組陣。天線組陣是將許多小口徑天線組成天線陣列，接收來自同一航天器(深空探測(cè)器)發(fā)送的的信號(hào)，并將各個(gè)天線的接收信號(hào)合成為高信噪比接收信號(hào)。由于電磁波在大氣層中傳播存在相位擾動(dòng)，在不同地點(diǎn)的各陣元接收信號(hào)之間存在著時(shí)延差和相位差。由于無線電波的傳播方式包括直射、反射、折射、散射，導(dǎo)致信號(hào)可能經(jīng)過多條路徑到達(dá)接收端，且每路信號(hào)分量的幅度、相位和時(shí)延都不相同，因此多路信號(hào)分量疊加時(shí)會(huì)出現(xiàn)同相增加，異相減少的現(xiàn)象，在接收端多個(gè)信號(hào)分量疊加時(shí)，同相疊加會(huì)使信號(hào)幅度增強(qiáng)，而反相疊加則會(huì)削弱信號(hào)的幅度。這樣，接收信號(hào)的幅度將會(huì)發(fā)生急劇變化，從而產(chǎn)生衰落。同時(shí)傳輸信道很容易受到環(huán)境因素的影響，如地形、氣溫、空氣濕度都可能對(duì)傳播信號(hào)造成影響，從而影響信號(hào)的接收質(zhì)量。深空航天器發(fā)回的信號(hào)雖然十分微弱，但波束覆蓋區(qū)域廣，因此可以利用位于同一地域不同位置的多個(gè)天線組成天線陣列，接收來自同一信源的信號(hào)，利用信號(hào)的相干性和噪聲的不相關(guān)性，將各個(gè)天線接收的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)同相位合成，獲得所需的高信噪比，使得接收系統(tǒng)的作用距離增加，相當(dāng)于增大了天線的口徑。所有天線構(gòu)成的天線系統(tǒng)稱為天線陣，而其中的每個(gè)天線稱為陣元。目前我國的天線組陣技術(shù)方面還處在實(shí)驗(yàn)理論階段，將天線組陣應(yīng)用于高速率深空通信具有大量的技術(shù)難題，尤其是在寬帶信號(hào)合成領(lǐng)域，高精度時(shí)延差和相位差估計(jì)補(bǔ)償和天線陣的相關(guān)合成算法是天線組陣技術(shù)的核心問題。
[0004]天線組陣系統(tǒng)一般有以下幾種方案:全頻譜合成(FSC)、復(fù)符號(hào)合成(CSC)、符號(hào)流合成(SSC)、基帶合成(BC)和載波組陣(SA)。其中全頻譜合成是在中頻對(duì)各陣元信號(hào)進(jìn)行對(duì)齊并合成；復(fù)符號(hào)合成是對(duì)各陣元信號(hào)下變頻到基帶后各自部分解調(diào)得到的復(fù)符號(hào)對(duì)齊合成；符號(hào)流合成是各陣元通過各自的載波和副載波跟蹤鎖定后解調(diào)得到的實(shí)符號(hào)對(duì)齊合成；基帶合成是各陣元都鎖定到載波信號(hào)后，對(duì)包含副載波上數(shù)據(jù)的基帶信號(hào)對(duì)齊合成；載波組陣是各陣元的載波跟蹤環(huán)配對(duì)一起使用得到基帶信號(hào)后對(duì)齊合成。其中以全頻譜合成方案性能最優(yōu)，能夠適應(yīng)在單天線陣元不能跟蹤鎖定到深空微弱信號(hào)的環(huán)境。天線組陣系統(tǒng)的合成效果取決于合成前的相關(guān)處理及時(shí)延相位補(bǔ)償精度，全頻譜合成(FSC)中常用的相關(guān)方法有3種:第一種是Simple算法，該算法選擇信噪比最高的天線作為參考，其余的天線信號(hào)與之進(jìn)行相關(guān)；第二種是Sumple算法，該算法將一個(gè)天線信號(hào)外其余天線的總和作為參考進(jìn)行相關(guān)；第三種是Eigen算法，該算法基于本征值和本征矢量，通過求其最大特征值及其特征矢量使其輸出功率或輸出信干比最大，比較有代表性的一種是基于輸出功率最大合成準(zhǔn)則的Matr1-Free Power Method，其原理和sumple算法類似，只是用作相關(guān)的參考信號(hào)為所有天線信號(hào)的總和。
[0005]在常規(guī)的全頻譜合成(FSC)方案中，常規(guī)有以下兩種方法可以實(shí)現(xiàn):一是在時(shí)間域進(jìn)行各個(gè)陣元寬帶信號(hào)經(jīng)過波束分離得到更窄帶寬的子帶信號(hào)，每個(gè)子帶通過粗時(shí)延調(diào)整和相位修正后的各陣元子帶對(duì)齊信號(hào)進(jìn)行波束形成得到合成后的信號(hào)，同時(shí)還需要一個(gè)獨(dú)立的寬帶相關(guān)器進(jìn)行寬帶相關(guān)，得到相位各個(gè)通道的時(shí)延和相位修正值；二是在頻域內(nèi)把信號(hào)分解進(jìn)入不同的頻率子帶，通過對(duì)應(yīng)子帶相關(guān)分析每個(gè)子帶的延時(shí)和相位信息，各個(gè)子帶獨(dú)立的進(jìn)行頻域合成后，把各個(gè)合成后的子帶恢復(fù)成原始帶寬的時(shí)域信號(hào)。以Sumple為例，假設(shè)有N個(gè)天線陣元，對(duì)于時(shí)域的方法需要N的數(shù)量級(jí)的復(fù)數(shù)乘法器來實(shí)現(xiàn)，且需要為每一個(gè)時(shí)域中頻信號(hào)提供一個(gè)單獨(dú)的寬帶相關(guān)器，對(duì)于頻域的方法，不需要獨(dú)立的寬帶相關(guān)器，但是需要N2/2數(shù)量級(jí)的復(fù)數(shù)乘法器。頻域方法提高了寬帶信號(hào)帶寬資源的利用靈活性，但同時(shí)也增加了軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和硬件資源。由于未來對(duì)深空探測(cè)需求不斷提高，為實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率，更遠(yuǎn)的傳輸距離，設(shè)計(jì)的天線組陣系統(tǒng)需要考慮更寬信號(hào)帶寬的組陣和更多數(shù)目天線陣元的組陣，同時(shí)需要兼顧系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。因此，如何設(shè)計(jì)組陣合成方案和相關(guān)方法是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有天線組陣全頻譜合成系統(tǒng)中存在的問題，基于頻域的方法，提供一種能夠節(jié)約硬件計(jì)算資源，克服相位模糊的天線組陣寬帶信號(hào)全頻譜相關(guān)合成系統(tǒng)。
[0007]本發(fā)明的上述目的可以通過以下措施來達(dá)到，一種天線組陣寬帶信號(hào)全頻譜相關(guān)合成系統(tǒng)，包括:模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D模塊、延時(shí)模塊、數(shù)字下變頻DDC模塊、分析模塊、相關(guān)合成模塊、綜合模塊、數(shù)字上變頻DUC模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換D/A模塊，其特征在于:A/D模塊對(duì)輸入的N個(gè)天線陣元的寬帶中頻模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，將變?yōu)閿?shù)字中頻信號(hào)送入延時(shí)模塊，延時(shí)模塊根據(jù)相關(guān)合成模塊反饋的N個(gè)天線信號(hào)時(shí)延估計(jì)值進(jìn)行延時(shí)，將時(shí)鐘整周期的延時(shí)調(diào)整后的數(shù)據(jù)信號(hào)送到上述DDC模塊進(jìn)行數(shù)字下變頻，再將N個(gè)天線的寬帶基帶零中頻復(fù)信號(hào)送入分析模塊，分析模塊用M個(gè)L階的多相分析濾波器組對(duì)寬帶時(shí)域信號(hào)進(jìn)行多相濾波和傅里葉變換FFT，將N個(gè)天線陣元的寬帶零中頻復(fù)信號(hào)進(jìn)行多相分解，把每個(gè)陣元信號(hào)分解為M個(gè)均勻頻域區(qū)間的降速率窄帶支路后，再將各個(gè)天線陣元對(duì)應(yīng)窄帶支路復(fù)信號(hào)送到相關(guān)合成模塊，相關(guān)合成模塊通過它設(shè)置的分?jǐn)?shù)延時(shí)單元(I)、延時(shí)相位估計(jì)和反饋單元6、積分時(shí)間控制單元7、算法選擇控制單元2、參考信號(hào)生成單元3和多相相關(guān)單元4進(jìn)行自適應(yīng)延時(shí)補(bǔ)償，其中，算法選擇控制單元2、參考信號(hào)生成單元3通過設(shè)置切換產(chǎn)生天線組陣Simple算法、Sumple算法、Matrix-Free Power Method算法對(duì)應(yīng)的相關(guān)參考信號(hào)，N個(gè)多相相關(guān)單元4把N個(gè)天線陣元信號(hào)與相關(guān)參考信號(hào)進(jìn)行相關(guān)，延時(shí)相位估計(jì)和反饋單元6和積分時(shí)間控制單元7設(shè)置合適的相關(guān)積分時(shí)間，并根據(jù)