一種天線信號初始相位差、時延和頻率差估計裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種天線信號的初始相位差、時延和頻率差估計裝置及方法，所述裝置包括：載波跟蹤模塊，通過載波跟蹤獲得兩路天線信號的同相信號和載波相位；時延互相關(guān)估計模塊，通過互相關(guān)計算估計得到兩路天線信號之間的時延估計值，并根據(jù)同相信號估計得到兩路天線信號之間的相位差模糊補償角度值；時延調(diào)整模塊，根據(jù)時延估計值對載波相位進行時延調(diào)整；相位差分模塊，計算載波相位差；頻率差和初始相位差估計模塊，根據(jù)載波相位差計算得到頻率差和初始相位差估計值；相位差模糊度補償模塊，根據(jù)相位差模糊補償角度對初始相位差估計值進行模糊度補償，進而得到初始相位差。
【專利說明】一種天線信號初始相位差、時延和頻率差估計裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及深空探測領(lǐng)域，特別涉及深空探測器的VLBI (甚長基線干涉測量)軌道測量和天線組陣信號接收中的長基線天線之間的相位差、時延和頻率差的估計裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類深空探測活動的不斷拓展，深空遠(yuǎn)距離的通信對射電望遠(yuǎn)鏡的性能提出了新的需求。而目前由于開發(fā)成本的提高和技術(shù)的限制，單個天線性能提高已經(jīng)到了停滯狀態(tài)，通過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)未來我國深空探測的發(fā)展需要，同時降低成本，可充分利用現(xiàn)有的遠(yuǎn)距離的大型射電望遠(yuǎn)鏡進行組陣，以較小的資金投入和較短研制周期實現(xiàn)深空探測通信能力的大幅度提高。
[0003]天線陣的輸出是進入合成器所有輸入信號的加權(quán)和。各天線之間的時延和相位的調(diào)整精度對信號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)，信號到達(dá)各天線的延遲受到探測器運動以及地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的影響，相對時延變化較快。目前通用的時延和相位差估計是采用VLBI技術(shù)中的互相關(guān)方法，由于多普勒頻移的不同，在進行相關(guān)時需要事先進行相位旋轉(zhuǎn)。而當(dāng)時延和多普勒頻移沒有足夠精度的先驗值時，時延和相位差的互相關(guān)估計需要進行兩維的相關(guān)峰搜索——多普勒頻移差(對應(yīng)相位旋轉(zhuǎn))和時延。所以在信號合成開始時段會需要較長的相關(guān)峰搜索時間，這對通信的實時性是非常不利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了提高深空探測長基線天線組陣中信號時延、初始相位差和頻率差的估計速度，并降低計算量，本發(fā)明針對深空探測中最常用的BPSK通信信號提出了一種長基線天線信號初始相位差、時延和頻率差的快速估計方法與裝置。
[0005]根據(jù)本發(fā)明一方面，其提供了一種天線信號的初始相位差、時延和頻率差估計裝置，其包括:
[0006]載波跟蹤模塊，其通過載波跟蹤獲得兩路天線信號的同相信號和載波相位；
[0007]時延互相關(guān)估計模塊，其通過互相關(guān)計算估計得到兩路天線信號之間的時延估計值，并根據(jù)所述兩路天線信號的同相信號估計得到兩路天線信號之間的相位差模糊補償角度值；
[0008]時延調(diào)整模塊，其根據(jù)所述時延估計值對所述載波相位進行時延調(diào)整；
[0009]相位差分模塊，其計算兩路天線信號經(jīng)時延調(diào)整后的載波相位差；
[0010]頻率差和初始相位差估計模塊，其根據(jù)所述載波相位差計算得到兩路天線信號的頻率差和初始相位差估計值；
[0011]相位差模糊度補償模塊，其根據(jù)所述相位差模糊補償角度對兩路天線信號的初始相位差估計值進行模糊度補償，進而得到兩路天線信號的初始相位差。[0012]根據(jù)本發(fā)明另一方面，其提供了一種天線信號的初始相位差、時延和頻率差估計方法，其包括:
[0013]通過載波跟蹤獲得兩路天線信號的同相信號和載波相位；
[0014]通過互相關(guān)計算估計得到兩路天線信號之間的時延估計值，并根據(jù)所述兩路天線信號的同相信號估計得到兩路天線信號之間的相位差模糊補償角度值；
[0015]根據(jù)所述時延估計值對所述載波相位進行時延調(diào)整；
[0016]計算兩路天線信號經(jīng)時延調(diào)整后的載波相位差；
[0017]根據(jù)所述載波相位差計算得到兩路天線信號的頻率差和初始相位差估計值；
[0018]根據(jù)所述相位差模糊補償角度對兩路天線信號的初始相位差估計值進行模糊度補償，進而得到兩路天線信號的初始相位差。
[0019]本發(fā)明提出的上述方案將不同位置的天線信號經(jīng)下變頻和帶通濾波后，變頻為中頻信號，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進行采樣。采樣后的天線信號通過載波跟蹤實現(xiàn)載波相位的復(fù)現(xiàn)，載波相位經(jīng)時延調(diào)整后與參考信號的載波相位進行差分，通過最小二乘估計方法實現(xiàn)頻率差和初始相位差的估計，其中初始相位差還需要進行31弧度的相位模糊補償；天線信號經(jīng)載波跟蹤后的同相信號與參考信號的同相信號進行互相關(guān)，實現(xiàn)時延的估計。由于載波跟蹤和時延互相關(guān)估計都只需要一維搜索，估計速度要比傳統(tǒng)的需二維搜索的互相關(guān)方法快得多，同時不需要任何的探測器位置、時延或時延率的先驗知識。
[0020]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明提出的長基線天線信號初始相位差、時延和頻率差的快速估計裝置與方法，與傳統(tǒng)的估計方法相比，由于載波跟蹤和時延互相關(guān)估計都只需要一維搜索，估計速度要比傳統(tǒng)的需二維搜索的互相關(guān)方法快得多，同時不需要任何的探測器位置、時延或時延率的先驗知識。本發(fā)明的裝置和方法也可以直接應(yīng)用到VLBI軌道測量中，實現(xiàn)探測器位置的快速定位。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明天線信號初始相位差、時延和頻率差估計裝置結(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)明中天線信號的初始相位差、時延和頻率差估計方法流程圖。
【具體實施方式】
[0024]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明。
[0025]圖1是本發(fā)明中天線信號初始相位差、時延和頻率差估計裝置的示意圖。如圖1所示，估計裝置為圖中虛線框內(nèi)部分，由載波跟蹤模塊、時延互相關(guān)估計模塊、時延調(diào)整模塊、相位差分模塊、頻率差和初始相位差估計模塊和相位差模糊度補償模塊等組成。
[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)等為探測器信號接收和預(yù)處理設(shè)備。各天線接收到的探測器信號，經(jīng)過低噪聲放大器進行的功率放大、下變頻器進行的下變頻和模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行的中頻信號采樣后得到的數(shù)字信號被稱作天線信號。
[0027]應(yīng)該注意，所述天線信號是經(jīng)過預(yù)處理所得的數(shù)字天線信號，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改變預(yù)處理的方式。
[0028]本發(fā)明提出的上述估計裝置對采樣后的兩路天線信號分別經(jīng)載波跟蹤模塊實現(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)實現(xiàn)；輸出的同相信號經(jīng)時延互相關(guān)模塊實現(xiàn)兩天線信號的時延估計，同時實現(xiàn)載波相位差η或O弧度的相位模糊估計。復(fù)現(xiàn)的載波相位經(jīng)時延調(diào)整模塊實現(xiàn)兩路載波相位的時間同步，然后經(jīng)載波相位差分模塊獲得載波相位的差值，通過頻率差和初始相位差估計模塊實現(xiàn)頻率差和相位差的估計，其中相位差還需要經(jīng)過相位差模糊度補償模塊實現(xiàn)H或O弧度的相位補償。其中，頻率差和初始相位差估計模塊采用經(jīng)典的最小二乘估計方法實現(xiàn)頻率差和相位差的估計。
[0029]下面詳細(xì)介紹各個模塊的具體實現(xiàn)過程。
[0030]載波跟蹤模塊，用于利用科斯塔斯環(huán)實現(xiàn)兩路天線信號的載波跟蹤和載波相位估計，即通過載波跟蹤獲得兩路天線信號的同相信號，并分別獲取兩路天線信號的載波相位。
[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相正交的環(huán)路構(gòu)成，每個環(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在各自的環(huán)路中進行鑒相，即通過各自環(huán)路中的第一乘法器與輸入的天線信號進行相乘得到鑒相結(jié)果，所述鑒相結(jié)果經(jīng)過低通濾波后分別得到同向、正交信號，所得到的兩個信號經(jīng)第二乘法器相乘以消除相位誤差信號中的調(diào)制信息；消除了調(diào)制信息的相位誤差信號經(jīng)環(huán)路濾波器濾波后輸出至NC0，用于控制NCO鎖定在天線信號的載波頻率和相位上。NCO在輸出正、余弦載波的同時，還計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，所述同向信號由天線信號與余弦載波相乘的環(huán)路獲得，所述正交信號由天線信號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經(jīng)累加器實現(xiàn)與保持寄存器中數(shù)據(jù)的累加，獲得下一時鐘周期載波相位值；所述載波相位經(jīng)FPGA時鐘信號的驅(qū)動，存貯到保持寄存器，然后由保持寄存器輸出至COS映射和sin映射模塊實現(xiàn)cos和sin載波信號的生成，同時載波相位還輸出至?xí)r延調(diào)整模塊進行后續(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]時延互相關(guān)估計模塊，其用于根據(jù)天線信號經(jīng)載波跟蹤后得到的同相信號之間的互相關(guān)計算，估計得到兩天線信號之間的時延估計值，同時獲得兩天線信號之間的相位差模糊補償角度，以實現(xiàn)載波相位差相位模糊的估計；
[0034]時延互相關(guān)估計模塊的具體處理方法描述如下:
[0035]首先，計算兩天線信號的互相關(guān)函數(shù)。設(shè)天線I和天線2的同相信號分別為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]在實際應(yīng)用中，R12(T)的計算可采用成熟的時域或頻域的快速計算方法，其中，4(0? S11 (t)的共軛；τ為兩路天線信號的時延值。
[0038]其次，計算使所述互相關(guān)函數(shù)絕對值最大時的時延τ值，獲得兩路信號的時延值，即
【權(quán)利要求】
1.一種天線信號的初始相位差、時延和頻率差估計裝置，其包括: 載波跟蹤模塊，其通過載波跟蹤獲得兩路天線信號的同相信號和載波相位； 時延互相關(guān)估計模塊，其通過互相關(guān)計算估計得到兩路天線信號之間的時延估計值，并根據(jù)所述兩路天線信號的同相信號估計得到兩路天線信號之間的相位差模糊補償角度值； 時延調(diào)整模塊，其根據(jù)所述時延估計值對所述載波相位進行時延調(diào)整； 相位差分模塊，其計算兩路天線信號經(jīng)時延調(diào)整后的載波相位差； 頻率差和初始相位差估計模塊，其根據(jù)所述載波相位差計算得到兩路天線信號的頻率差和初始相位差估計值； 相位差模糊度補償模塊，其根據(jù)所述相位差模糊補償角度對兩路天線信號的初始相位差估計值進行模糊度補償，進而得到兩路天線信號的初始相位差。
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第一乘法器、兩個低通濾波器、一個第二乘法器、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，天線信號經(jīng)第一乘法器與所述正、余弦載波相乘后得到兩個鑒相結(jié)果，所述兩個鑒相結(jié)果分別經(jīng)兩個低通濾波器濾波后輸出兩路基帶信號，其中經(jīng)余弦載波鑒相得到的基帶信號為同相信號，所述兩路基帶信號經(jīng)第二乘法器消除相位誤差信號中的數(shù)字信息，得到的相位誤差信號經(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的載波頻率和相位上，所述數(shù)字控制振蕩器還通過將環(huán)路濾波器濾波后的相位差信號經(jīng)累加器與上一時鐘周期的載波相位累加后得到當(dāng)前時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，所述時延互相關(guān)估計模塊通過如下方式計算得到兩路天線信號之間的時延估計值:首先根據(jù)兩路天線信號的同相信號建立互相關(guān)函數(shù)，獲取使得互相關(guān)函數(shù)絕對值最大時的時延，作為兩路天線信號的時延估計值。
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)為兩路天線信號的互相關(guān)函數(shù)，S11 (t)和s12(t)分別為兩路天線信號的同步信號，τ為兩路天線信號之間的時延值。
5.如權(quán)利要求如權(quán)利要求3-4任一項所述的裝置，其中，所述時延互相關(guān)估計模塊如下計算得到相位差模糊補償角度值:當(dāng)兩路天線信號之間的互相關(guān)絕對值最大時對應(yīng)的互相關(guān)值大于等于O時，相位差模糊補償角度值為O，小于O時，相位差模糊補償角度值為π。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，時延調(diào)整模塊如下調(diào)整載波相位的時延: 當(dāng)τ1≥O時，
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模塊如下計算得到兩路天線信號的頻率差和初始相位差估計值:
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述相位差模糊度補償模塊通過所述初始相位差估計值加上相位模糊補償角度得到兩路天線信號的最終初始相位差。
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與保持寄存器中上一時鐘周期的載波相位累加后得到當(dāng)前時鐘周期的載波相位，所述當(dāng)前時鐘周期的載波相位經(jīng)時鐘信號驅(qū)動存儲至保持寄存器，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、余弦載波信號后分別輸出至所述兩個第一乘法器。
10.一種天線信號的初始相位差、時延和頻率差估計方法，其包括: 通過載波跟蹤獲得兩路天線信號的同相信號和載波相位； 通過互相關(guān)計算估計得到兩路天線信號之間的時延估計值，并根據(jù)所述兩路天線信號的同相信號估計得到兩路天線信號之間的相位差模糊補償角度值； 根據(jù)所述時延估計值對所述載波相位進行時延調(diào)整； 計算兩路天線信號經(jīng)時延調(diào)整后的載波相位差； 根據(jù)所述載波相位差計算得到兩路天線信號的頻率差和初始相位差估計值； 根據(jù)所述相位差模糊補償角度對兩路天線信號的初始相位差估計值進行模糊度補償，進而得到兩路天線信號的初始相位差。
【文檔編號】H04B17/00GK103916201SQ201410117721
【公開日】2014年7月9日 申請日期: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, 戴舜, 李春來 申請人:中國科學(xué)院國家天文臺