一種天線信號(hào)的時(shí)延和相位調(diào)整裝置與方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種天線的時(shí)延和相位調(diào)整裝置和方法。所述方法包括：根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻時(shí)延和相位差估計(jì)值及前一時(shí)刻時(shí)延調(diào)整值和相位調(diào)整值得到當(dāng)前時(shí)刻時(shí)延調(diào)整值和相位調(diào)整值；根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻時(shí)延調(diào)整值計(jì)算得到整數(shù)倍時(shí)延值和分?jǐn)?shù)倍時(shí)延值；根據(jù)分?jǐn)?shù)倍時(shí)延值調(diào)整采樣時(shí)鐘信號(hào)相位，得到經(jīng)過(guò)分?jǐn)?shù)倍延時(shí)后的采樣時(shí)鐘信號(hào)；利用經(jīng)過(guò)分?jǐn)?shù)倍延時(shí)后的采樣時(shí)鐘信號(hào)對(duì)天線信號(hào)進(jìn)行采樣，得到經(jīng)分?jǐn)?shù)倍時(shí)延的數(shù)字天線信號(hào)；利用所述整數(shù)倍延時(shí)值對(duì)所述經(jīng)分?jǐn)?shù)倍延時(shí)的數(shù)字天線信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，得到經(jīng)時(shí)延調(diào)整的數(shù)字天線信號(hào)；利用相位差估計(jì)值得到二次混頻用信號(hào)，并用二次混頻信號(hào)對(duì)經(jīng)時(shí)延調(diào)整的數(shù)字天線信號(hào)進(jìn)行二次混頻，得到經(jīng)時(shí)延和相位差調(diào)整的天線信號(hào)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種天線信號(hào)的時(shí)延和相位調(diào)整裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及深空探測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種天線信號(hào)的時(shí)延和相位調(diào)整裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]深空探測(cè)中遠(yuǎn)距離的通信對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡的性能提出了新的需求。由于開(kāi)發(fā)成本的提高和技術(shù)的限制，單個(gè)天線G / T值的提高已經(jīng)到了停滯狀態(tài)。美國(guó)深空網(wǎng)(DSN)戰(zhàn)略計(jì)劃已經(jīng)明確了可能的增長(zhǎng)途徑:采用射頻頻段，通過(guò)大量小天線組陣的方法獲得更高的天線增益。天線組陣所提供的優(yōu)點(diǎn)是，能以比用單個(gè)天線所接收的更高數(shù)據(jù)率接收數(shù)據(jù)，它具有許多令人渴望的優(yōu)勢(shì):更好的性能、更強(qiáng)的工作穩(wěn)健性、更低的建造費(fèi)用、更好的計(jì)劃靈活性和對(duì)射電天文科學(xué)研究更廣泛的支持。天線組陣可以降低對(duì)單天線指向精度等指標(biāo)的要求，采用大規(guī)模的小天線可以大大降低建設(shè)成本。
[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。而隨科學(xué)應(yīng)用對(duì)深空探測(cè)數(shù)據(jù)量的迅猛增加，深空網(wǎng)下行數(shù)據(jù)傳輸正向高頻段和高碼速率的方向發(fā)展。目前，通過(guò)組陣的方式，美國(guó)深空探測(cè)火星的最大碼速率(距離地球0.6Au時(shí))為60Mbps，預(yù)計(jì)2020年在X頻段和Ka頻段分別最大可達(dá)400Mbps和1.2Gbps。如此高頻率和碼速率對(duì)時(shí)延和相位的調(diào)整精度提出了極高要求。
[0004]對(duì)于數(shù)字信號(hào)，時(shí)延和相位調(diào)整方法一般選擇在時(shí)域或頻域進(jìn)行。在時(shí)域調(diào)整時(shí)，時(shí)延的整數(shù)部分的時(shí)延(相對(duì)于采樣周期)易于實(shí)現(xiàn)，通常采用存儲(chǔ)器或寄存器等實(shí)現(xiàn)；而分?jǐn)?shù)部分的時(shí)延一般采用插值或?yàn)V波器的的方式實(shí)現(xiàn)，計(jì)算量較大，且難于實(shí)現(xiàn)精確調(diào)整。在頻域調(diào)整時(shí)，由于需要將信號(hào)先進(jìn)行傅里葉變換，調(diào)整完成后再進(jìn)行逆傅里葉變換，計(jì)算量較大，且由于硬件條件的限制會(huì)影響信號(hào)的處理精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了提高深空探測(cè)天線組陣中信號(hào)合成的時(shí)延和相位調(diào)整精度，并降低計(jì)算量，本發(fā)明提出了一種天線組陣中時(shí)延和相位調(diào)整的方法與裝置。
[0006]根據(jù)本發(fā)明一方面，其提供了一種天線的時(shí)延和相位調(diào)整裝置，包括:
[0007]時(shí)延和相位累加模塊，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻時(shí)延和相位差估計(jì)值以及前一時(shí)刻的時(shí)延調(diào)整值和相位調(diào)整值得到當(dāng)前時(shí)刻時(shí)延調(diào)整值和相位調(diào)整值；
[0008]整數(shù)與分?jǐn)?shù)倍時(shí)延計(jì)算模塊，其根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻時(shí)延調(diào)整值計(jì)算得到整數(shù)倍時(shí)延值和分?jǐn)?shù)倍時(shí)延值；
[0009]采樣時(shí)鐘相位調(diào)整模塊，根據(jù)分?jǐn)?shù)倍時(shí)延值調(diào)整采樣時(shí)鐘信號(hào)的相位,得到經(jīng)過(guò)分?jǐn)?shù)倍延時(shí)后的采樣時(shí)鐘信號(hào)；
[0010]模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，其利用所述經(jīng)過(guò)分?jǐn)?shù)倍延時(shí)后的采樣時(shí)鐘信號(hào)對(duì)天線信號(hào)進(jìn)行采樣，得到經(jīng)分?jǐn)?shù)倍時(shí)延的數(shù)字天線信號(hào)；[0011]整數(shù)倍時(shí)延調(diào)整模塊，利用所述整數(shù)倍延時(shí)值對(duì)所述經(jīng)分?jǐn)?shù)倍延時(shí)的數(shù)字天線信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，得到經(jīng)時(shí)延調(diào)整的數(shù)字天線信號(hào)；
[0012]相位調(diào)整模塊，利用相位差估計(jì)值計(jì)算得到二次混頻用信號(hào)，并利用二次混頻用信號(hào)對(duì)所述經(jīng)時(shí)延調(diào)整的數(shù)字天線信號(hào)進(jìn)行二次混頻，得到經(jīng)時(shí)延和相位差調(diào)整的天線信號(hào)。
[0013]根據(jù)本發(fā)明另一方面，其提供了一種天線的時(shí)延和相位調(diào)整方法，包括:
[0014]根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻時(shí)延和相位差估計(jì)值以及前一時(shí)刻的時(shí)延調(diào)整值和相位調(diào)整值得到當(dāng)前時(shí)刻時(shí)延調(diào)整值和相位調(diào)整值；
[0015]根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻時(shí)延調(diào)整值計(jì)算得到整數(shù)倍時(shí)延值和分?jǐn)?shù)倍時(shí)延值；
[0016]根據(jù)分?jǐn)?shù)倍時(shí)延值調(diào)整采樣時(shí)鐘信號(hào)的相位，得到經(jīng)過(guò)分?jǐn)?shù)倍延時(shí)后的采樣時(shí)鐘
信號(hào);
[0017]利用所述經(jīng)過(guò)分?jǐn)?shù)倍延時(shí)后的采樣時(shí)鐘信號(hào)對(duì)天線信號(hào)進(jìn)行采樣，得到經(jīng)分?jǐn)?shù)倍時(shí)延的數(shù)字天線信號(hào)；
[0018]利用所述整數(shù)倍延時(shí)值對(duì)所述經(jīng)分?jǐn)?shù)倍延時(shí)的數(shù)字天線信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，得到經(jīng)時(shí)延調(diào)整的數(shù)字天線信號(hào)；
[0019]利用相位差估計(jì)值計(jì)算得到二次混頻用信號(hào)，并利用二次混頻用信號(hào)對(duì)所述經(jīng)時(shí)延調(diào)整的數(shù)字天線信號(hào)進(jìn)行二次混頻，得到經(jīng)時(shí)延和相位差調(diào)整的天線信號(hào)。
[0020]本發(fā)明中天線信號(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。時(shí)延的調(diào)整分為采樣周期的整數(shù)倍時(shí)延和分?jǐn)?shù)倍時(shí)延兩部分進(jìn)行，整數(shù)倍時(shí)延采用傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器或寄存器等進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)采樣信號(hào)的位同步；分?jǐn)?shù)倍時(shí)延通過(guò)調(diào)整模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采樣時(shí)鐘的相位實(shí)現(xiàn)。相位的調(diào)整是在進(jìn)行信號(hào)的二次下變頻時(shí)，通過(guò)對(duì)混頻余弦信號(hào)的相位進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整實(shí)現(xiàn)的。
[0021]本發(fā)明提出上述方案與傳統(tǒng)的調(diào)整方案相比，由于分?jǐn)?shù)倍時(shí)延的調(diào)整通過(guò)對(duì)ADC時(shí)鐘相位的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)，相位調(diào)整通過(guò)二次混頻的方法實(shí)現(xiàn)，不需要進(jìn)行計(jì)算量較大的傅里葉變換和濾波方法，能夠降低信號(hào)的失真，以較小的計(jì)算量實(shí)現(xiàn)時(shí)延和相位的高精度調(diào)整。對(duì)天線組陣的信號(hào)合成具有重要的意義，尤其是當(dāng)天線陣中天線數(shù)量較大時(shí)，能夠大大節(jié)省硬件的性能需求。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是包含本發(fā)明時(shí)延和相位調(diào)整裝置的天線組陣信號(hào)接收系統(tǒng)示意圖；
[0023]圖2是本發(fā)明中時(shí)延和相位調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3 (A)和圖3 (B是本發(fā)明中分?jǐn)?shù)倍時(shí)延調(diào)整前天線信號(hào)采樣示意圖，其中圖3 (A)為調(diào)整前的天線信號(hào)包絡(luò)的幅度曲線；圖3(B)為相位調(diào)整前的采樣時(shí)鐘曲線；
[0025]圖4(A)和圖4(B)為圖3(A)和圖3(B)中的采樣時(shí)鐘相位向前調(diào)整了 0.3倍采樣周期后的曲線示意圖；
[0026]圖5是本發(fā)明中整數(shù)倍時(shí)延調(diào)整后天線信號(hào)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]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。
[0028]圖1是包含本發(fā)明時(shí)延和相位調(diào)整裝置的天線組陣信號(hào)接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖(以SUMPLE方法為例)。
[0029]如圖1所示，所述接收系統(tǒng)由天線、低噪聲放大器(LNA)、下變頻器、帶通濾波器、頻率和時(shí)統(tǒng)模塊、時(shí)延和相位調(diào)整模塊、時(shí)延和相位差估計(jì)模塊、減法器、信號(hào)合成模塊以及解調(diào)接收機(jī)等組成。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、帶通濾波器進(jìn)行的濾波和經(jīng)時(shí)延和相位調(diào)整模塊采樣后得到的數(shù)字信號(hào)被稱作天線信號(hào)。
[0030]應(yīng)該注意，所述天線信號(hào)是經(jīng)過(guò)預(yù)處理所得的信號(hào)，而前述低噪聲放大器(LNA)、下變頻器、時(shí)延和相位差估計(jì)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。
[0031]時(shí)延和相位調(diào)整模塊通過(guò)從時(shí)延和相位差估計(jì)模塊獲得的時(shí)延和相位差，對(duì)各路天線信號(hào)進(jìn)行時(shí)延和相位調(diào)整后得到調(diào)整后的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)各天線信號(hào)之間的時(shí)延和相位對(duì)齊。時(shí)延和相位調(diào)整模塊同時(shí)從頻率和時(shí)統(tǒng)模塊獲得頻標(biāo)信號(hào)，用于為ADC模塊采樣提供頻率基準(zhǔn)。其中，本發(fā)明提供了新的時(shí)延和相位差調(diào)整方式。時(shí)延和相位差估計(jì)模塊采用成熟的估計(jì)方法，例如時(shí)域或頻域的互相關(guān)估計(jì)方法等。多路調(diào)整后的信號(hào)經(jīng)由信號(hào)合成器進(jìn)行信號(hào)合成以獲得合成信號(hào)并送往解調(diào)接收機(jī)進(jìn)行解調(diào)等后續(xù)處理。其中，時(shí)延和相位差的產(chǎn)生過(guò)程如下，作為參考信號(hào)的合成信號(hào)通過(guò)減法器(圖1中以減號(hào)加圓圈表示)與每路調(diào)整后的信號(hào)相減得到差值，之后時(shí)延和相位差估計(jì)模塊對(duì)所得到的差值和對(duì)應(yīng)的此路調(diào)整后的信號(hào)進(jìn)行處理以獲得下一時(shí)刻的相位差和時(shí)延估計(jì)值，并提供給時(shí)延和相位調(diào)整模塊。
[0032]圖2示出了本發(fā)明中時(shí)延和相位調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]如圖2所示，時(shí)延和相位調(diào)整裝置包括:時(shí)延和相位累加模塊、整數(shù)與分?jǐn)?shù)倍時(shí)延計(jì)算模塊、采樣時(shí)鐘相位調(diào)整模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)模塊、整數(shù)倍時(shí)延調(diào)整模塊、相位補(bǔ)償計(jì)算模塊、余弦信號(hào)生成模塊、二次混頻模塊和低通濾波模塊。時(shí)延估計(jì)值經(jīng)整數(shù)與分?jǐn)?shù)倍時(shí)延計(jì)算模塊分別獲得整數(shù)倍和分?jǐn)?shù)倍時(shí)延值，分?jǐn)?shù)倍時(shí)延值經(jīng)采樣時(shí)鐘相位調(diào)整模塊實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)的相位調(diào)整，并輸出至模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)天線信號(hào)的數(shù)字采集和分?jǐn)?shù)倍時(shí)延調(diào)整；整數(shù)倍時(shí)延調(diào)整模塊根據(jù)整數(shù)倍時(shí)延值實(shí)現(xiàn)天線信號(hào)的整數(shù)倍時(shí)延調(diào)整。時(shí)延估計(jì)值還經(jīng)相位補(bǔ)償計(jì)算模塊實(shí)現(xiàn)由于時(shí)延調(diào)整造成的天線信號(hào)相位波動(dòng)量的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果和相位差估計(jì)值經(jīng)余弦信號(hào)生成模塊實(shí)現(xiàn)余弦信號(hào)的生成；完成時(shí)延整數(shù)倍調(diào)整的天線信號(hào)與余弦信號(hào)混頻，并經(jīng)低通濾波后，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的二次混頻和相位的調(diào)整。除ADC模塊外，其他模塊均采用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
[0034]下面詳細(xì)介紹各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的具體功能。
[0035]時(shí)延和相位累加模塊，用于根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻時(shí)延和相位差估計(jì)值以及前一時(shí)刻的時(shí)延調(diào)整值和相位調(diào)整值得到當(dāng)前時(shí)刻時(shí)延調(diào)整值和相位調(diào)整值。
[0036]時(shí)延和相位累加模塊的具體處理方法描述如下:
[0037]時(shí)延和相位累加模塊實(shí)現(xiàn)的時(shí)延和相位調(diào)整值計(jì)算方法為:
[0038]
【權(quán)利要求】
1.一種天線的時(shí)延和相位調(diào)整裝置，其包括: 時(shí)延和相位累加模塊，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻時(shí)延和相位差估計(jì)值以及前一時(shí)刻的時(shí)延調(diào)整值和相位調(diào)整值得到當(dāng)前時(shí)刻時(shí)延調(diào)整值和相位調(diào)整值； 整數(shù)與分?jǐn)?shù)倍時(shí)延計(jì)算模塊，其根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻時(shí)延調(diào)整值計(jì)算得到整數(shù)倍時(shí)延值和分?jǐn)?shù)倍時(shí)延值； 采樣時(shí)鐘相位調(diào)整模塊，根據(jù)分?jǐn)?shù)倍時(shí)延值調(diào)整采樣時(shí)鐘信號(hào)的相位，得到經(jīng)過(guò)分?jǐn)?shù)倍延時(shí)后的采樣時(shí)鐘信號(hào)； 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，其利用所述經(jīng)過(guò)分?jǐn)?shù)倍延時(shí)后的采樣時(shí)鐘信號(hào)對(duì)天線信號(hào)進(jìn)行采樣，得到經(jīng)分?jǐn)?shù)倍時(shí)延的數(shù)字天線信號(hào)； 整數(shù)倍時(shí)延調(diào)整模塊，利用所述整數(shù)倍延時(shí)值對(duì)所述經(jīng)分?jǐn)?shù)倍延時(shí)的數(shù)字天線信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，得到經(jīng)時(shí)延調(diào)整的數(shù)字天線信號(hào)； 相位調(diào)整模塊，利用相位差估計(jì)值計(jì)算得到二次混頻用信號(hào)，并利用二次混頻用信號(hào)對(duì)所述經(jīng)時(shí)延調(diào)整的數(shù)字天線信號(hào)進(jìn)行二次混頻，得到經(jīng)時(shí)延和相位差調(diào)整的天線信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，整數(shù)與分?jǐn)?shù)倍時(shí)延計(jì)算模塊中整數(shù)倍時(shí)延如下計(jì)算:
3.如權(quán)利要求1-2任一項(xiàng)所述的裝置，其中，分?jǐn)?shù)倍時(shí)延值如下計(jì)算:
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，采樣時(shí)鐘相位調(diào)整模塊如下計(jì)算得到經(jīng)過(guò)分?jǐn)?shù)倍延時(shí)后的采樣時(shí)鐘信號(hào):
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中輸入的天線信號(hào)為經(jīng)預(yù)處理后的天線信號(hào)，其表達(dá)式如下所示:
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采樣得到的經(jīng)過(guò)分?jǐn)?shù)倍延時(shí)后的采樣時(shí)鐘信號(hào)如下所示:

7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述相位調(diào)整模塊包括: 相位補(bǔ)償計(jì)算模塊，其用于計(jì)算延時(shí)調(diào)整造成的相位突變值； 二次混頻用信號(hào)計(jì)算模塊，其用于根據(jù)所述相位突變值和相位差估計(jì)值計(jì)算得到二次混頻信號(hào)； 二次混頻模塊，其利用二次混頻用信號(hào)對(duì)所述經(jīng)時(shí)延調(diào)整的天線信號(hào)進(jìn)行二次混頻，得到經(jīng)時(shí)延和相位差調(diào)整的天線信號(hào)。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中，所述相位突變值如下計(jì)算:
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述二次混頻用信號(hào)為余弦信號(hào)，余弦信號(hào)如下所示:
10.一種天線的時(shí)延和相位調(diào)整方法，其包括: 根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻時(shí)延和相位差估計(jì)值以及前一時(shí)刻的時(shí)延調(diào)整值和相位調(diào)整值得到當(dāng)前時(shí)刻時(shí)延調(diào)整值和相位調(diào)整值； 根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻時(shí)延調(diào)整值計(jì)算得到整數(shù)倍時(shí)延值和分?jǐn)?shù)倍時(shí)延值；根據(jù)分?jǐn)?shù)倍時(shí)延值調(diào)整采樣時(shí)鐘信號(hào)的相位，得到經(jīng)過(guò)分?jǐn)?shù)倍延時(shí)后的采樣時(shí)鐘信號(hào); 利用所述經(jīng)過(guò)分?jǐn)?shù)倍延時(shí)后的采樣時(shí)鐘信號(hào)對(duì)天線信號(hào)進(jìn)行采樣，得到經(jīng)分?jǐn)?shù)倍時(shí)延的數(shù)字天線信號(hào)； 利用所述整數(shù)倍延時(shí)值對(duì)所述經(jīng)分?jǐn)?shù)倍延時(shí)的數(shù)字天線信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，得到經(jīng)時(shí)延調(diào)整的數(shù)字天線信號(hào)；利用相位差估計(jì)值計(jì)算得到二次混頻用信號(hào)，并利用二次混頻用信號(hào)對(duì)所述經(jīng)時(shí)延調(diào)整的數(shù)字天線信號(hào)進(jìn)行二次 混頻，得到經(jīng)時(shí)延和相位差調(diào)整的天線信號(hào)。
【文檔編號(hào)】H04B17/00GK103916199SQ201410101224
【公開(kāi)日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月18日
【發(fā)明者】孔德慶, 張洪波, 朱新穎, 姜正陽(yáng), 何若愚, 李臣, 李春來(lái) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)