面向深空通信的載波同步方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種面向深空通信的載波同步方法及裝置，其特點(diǎn)在于：每次建立通信鏈路過程中，均先有一段僅發(fā)射載波的過程，利用這一階段信息，對載波信號進(jìn)行捕獲；將信號通過正交解調(diào)環(huán)路，匹配濾波后分別對I、Q支路通過查表映射的方法，避免相位偏差存在相位模糊；在同步跟蹤階段，本發(fā)明提出一種利用極性判決的簡便的鑒相跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)方法，簡化電路設(shè)計(jì)；將鑒相環(huán)路輸出的相位偏差信息通過環(huán)路濾波器，環(huán)路濾波的偏差結(jié)果實(shí)時(shí)的調(diào)整本地載波的相位變化。本發(fā)明能夠解決一般載波同步技術(shù)中存在的相位模糊問題，具有簡化的鑒相環(huán)路設(shè)計(jì)，易于硬件實(shí)現(xiàn)。
【專利說明】面向深空通信的載波同步方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一種載波同步實(shí)現(xiàn)方法，屬于通信【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及深空通信領(lǐng)域中 通信系統(tǒng)的同步技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 載波同步技術(shù)是接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一，當(dāng)接收的信號采用同步解調(diào)或相干檢測 時(shí)，接收端需要提供一個(gè)與發(fā)射端調(diào)制載波同頻同相的相干載波，這個(gè)載波的獲取就稱為 載波提取或稱為載波同步。由于信號在傳播過程中，受到信道特性和振蕩器不穩(wěn)定的影響， 通信系統(tǒng)接收到的調(diào)制信號與本地載波會(huì)存在一定的頻偏和相位誤差。這就需要進(jìn)行載波 同步，消除本地載波與接收到的信號的頻率、相位誤差，以保證解調(diào)的正確性。載波同步的 方法一般有兩種：插入導(dǎo)頻法和直接法。本文設(shè)計(jì)的方法屬于一種直接法的同步方式。
[0003] 目前，載波恢復(fù)電路有多種，其中最常用的有鎖相環(huán)、平方環(huán)、Costas環(huán)（同相-正 交環(huán)）、判決反饋環(huán)等。這些環(huán)路設(shè)計(jì)中由于都采用了相位較小情況下，正弦與實(shí)際相位近 似的思想，因此都不可避免的引入相應(yīng)的相位模糊問題。例如如果鑒相結(jié)果為sin Θ，當(dāng)Θ 較小時(shí)，可近似認(rèn)為sin0 Θ。當(dāng)sin0 =〇時(shí)，Θ = 〇或ji，這意味著恢復(fù)出載波可 能與理想載波同相，也可能反相。一般的設(shè)計(jì)在后級的信號處理中，利用已知的用戶信息， 對解調(diào)信號相位正反進(jìn)行判決，來糾正相位模糊。但前提是接收端必須知道并準(zhǔn)確提取出 固定的已知信息。
[0004] 在深空通信中，鄰近空間鏈路指的是短距離、雙向、固定或移動(dòng)的無線鏈路，廣泛 用于探測器、著陸器、巡視器、低軌環(huán)繞衛(wèi)星以及軌道中繼衛(wèi)星之間的通信。考慮到深空通 信中接收信號非常微弱，傳統(tǒng)載波同步方法難以保證同步性能?？臻g數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì) (Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)推薦的鄰近空間鏈路協(xié)議中 規(guī)定，在每次建立通信鏈路過程中，均先有一段僅發(fā)射載波的過程，因而接收機(jī)可以利用該 信息進(jìn)行輔助載波同步。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有載波同步方案中的相位模糊問題，提出 一種針對深空通信特有的不攜帶用戶信息的光載波階段，通過分階段的鑒相過程，實(shí)現(xiàn)無 相位模糊的同步捕獲與跟蹤過程。與此同時(shí)，提出一種簡化的鑒相實(shí)現(xiàn)裝置，在提高系統(tǒng)性 能的基礎(chǔ)上降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。
[0006] 本發(fā)明根據(jù)先捕獲再跟蹤的載波同步綜合設(shè)計(jì)思路，首先提出免相位模糊的載波 捕獲方法，利用僅存在載波信息這一過程，先將接收的單音信號進(jìn)行正交解調(diào)，若此刻接收 信號與本地載波存在的相位偏差，正交支路匹配濾波后可分別得到該相位偏差的正余弦近 似值。利用前級電路的功率估計(jì)結(jié)果，將I/Q支路通過長度可變的移位寄存器電路，做近似 的歸一化處理。然后，通過反正余弦的三角函數(shù)查找表得到較為準(zhǔn)確的相位偏差值。由于 分別根據(jù)相位偏差的反余弦及反正弦值進(jìn)行查找，可以在〇?2 π范圍內(nèi)較為準(zhǔn)確的定位 此刻的載波相位偏差，從而解決相位模糊問題。最后，將相位偏差值經(jīng)過環(huán)路濾波，獲得本 地振蕩器相應(yīng)的控制字，并對本地產(chǎn)生的正交信號實(shí)時(shí)的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)載波捕獲過程。
[0007] 當(dāng)載波上調(diào)制有用信息后，受隨機(jī)起伏振蕩的解調(diào)信號影響，上述查表鑒相方案 性能將下降。因此，當(dāng)捕獲完成后，載波開始攜帶有用信息之前，系統(tǒng)將自動(dòng)切換為極性判 決鑒相的方案進(jìn)行載波跟蹤。由于捕獲階段已在0?2π范圍內(nèi)定位，此時(shí)的相位偏差已 經(jīng)較小，利用正弦值近似不會(huì)帶來土 η的相位模糊。在此，本發(fā)明提出了一種簡單高效的 鑒相電路，通過判別正交支路匹配濾波后的兩支路信號正負(fù)極性，對兩支路信號做相應(yīng)的 加或減的運(yùn)算，從而得到此刻載波相位偏差。然后，將鑒相結(jié)果通過環(huán)路濾波器，濾除環(huán)路 噪聲以及隨機(jī)起伏的用戶信息對載波的影響，并對本地產(chǎn)生的正交信號實(shí)時(shí)調(diào)整。在同步 閉環(huán)實(shí)時(shí)調(diào)整下，相位偏差被約束在較小的范圍內(nèi)，從而鎖定載波，實(shí)現(xiàn)同步。
[0008] 具體技術(shù)方案如下：
[0009] -種面向深空通信的載波同步系統(tǒng)，包括第一乘法器1、第二乘法器2、第一匹配 濾波器3、第二匹配濾波器4、功率估計(jì)器、反三角函數(shù)映射模塊、極性判決鑒相器、捕獲跟 蹤狀態(tài)切換模塊、環(huán)路濾波器、數(shù)控振蕩器；所述第一乘法器1的兩輸入端分別與接收信號 和數(shù)控振蕩器的一路輸出端相連，輸出端與第一匹配濾波器3的輸入端相連；所述第二乘 法器2的兩輸入端分別與接收信號和所述數(shù)控振蕩器的另一路輸出端相連，輸出端與第二 匹配濾波器4輸入端相連；所述的第一匹配濾波器3輸出I信號，其輸出端與反三角函數(shù)映 射模塊的第一輸入端及極性判決鑒相器的第一輸入端相連，所述的第二匹配濾波器4輸出 Q信號，其輸出端與反三角函數(shù)映射模塊的第二輸入端及極性判決鑒相器的第二輸入端相 連；所述功率估計(jì)器輸入為接收信號，輸出端與所述反三角函數(shù)映射模塊的第三輸入端相 連；所述反三角函數(shù)映射模塊和極性判決鑒相器分別與捕獲跟蹤狀態(tài)切換模塊的第一輸入 端和第二輸入端相連；所述捕獲跟蹤狀態(tài)切換模塊的輸出端與環(huán)路濾波器的輸入端相連； 所述環(huán)路濾波器輸出的門限判決信號與捕獲跟蹤狀態(tài)切換模塊第三輸入端相連，輸出的頻 率控制字信號與所述數(shù)控振蕩器的輸入端相連。
[0010] 所述的第一乘法器1及第二乘法器2用于將數(shù)控振蕩器產(chǎn)生的兩路本地正交參考 信號分別與接收信號相乘，實(shí)現(xiàn)頻譜搬移；
[0011] 所述的第一匹配濾波器3及第二匹配濾波器4用于濾除高頻鏡像和帶外噪聲；
[0012] 功率估計(jì)器，用于計(jì)算估測接收信號的功率；
[0013] 反三角函數(shù)映射模塊，用于對濾波后的正交支路信號進(jìn)行查表映射鑒相；
[0014] 極性判決鑒相器，用于根據(jù)正交支路信號的極性進(jìn)行鑒相處理；
[0015] 捕獲跟蹤狀態(tài)切換模塊，用于根據(jù)環(huán)路濾波器的誤差門限切換同步環(huán)路的捕獲和 跟蹤狀態(tài)；
[0016] 環(huán)路濾波器，用于濾除環(huán)路噪聲，抑制隨機(jī)起伏干擾，生成頻率控制字，同時(shí)輸出 累積誤差是否溢出門限信號；
[0017] 數(shù)控振蕩器，用于根據(jù)頻率控制字，生成相應(yīng)的本地正交載波信號。
[0018] 作為優(yōu)選方案，所述反三角函數(shù)映射模塊包括移位寄存器、反余弦表、反正弦表、 求均值模塊；所述的三角函數(shù)映射模塊的第一輸入端、第二輸入端及第三輸入端設(shè)于移位 寄存器上，移位寄存器的兩個(gè)輸出端分別于反正弦表及反余弦表連接，反正弦表及反余弦 表的輸出端與求均值模塊連接，所述的移位寄存器用于根據(jù)功率估計(jì)器的輸入結(jié)果，通過 長度可變的移位運(yùn)算等效除法運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對輸入的I、Q信號增益自動(dòng)近似"歸一化"調(diào)整， 將處理后的I、Q信號分別通過反余弦表和反正弦表，通過兩表的相位比對和求均值模塊的 求平均計(jì)算，得到此刻對應(yīng)的載波相位偏差結(jié)果。
[0019] 作為優(yōu)選方案，所述極性判決鑒相器包括加減組合運(yùn)算電路及與其連接的極性判 決選擇模塊；所述的加減組合運(yùn)算電路用于將輸入濾波后的I、Q信號通過加減組合運(yùn)算電 路分別得到-(I+Q)、（I+Q)、（I-Q)、（Q-Ι)后輸入極性判決選擇模塊，所述的極性判決選擇 模塊用于根據(jù)當(dāng)前I、Q信號的符號極性組合，決定輸出-(I+Q)、（I+Q)、（I-Q)、（Q-Ι)其中 的一個(gè)結(jié)果作為近似的鑒相結(jié)果。
[0020] 作為優(yōu)選方案，所述的加減組合運(yùn)算電路包括加法電路、第一減法電路、第二減法 電路及第三減法電路，所述的加法電路及第一減法電路均輸入I、Q信號，所述的加法電路 輸出信號至第二減法電路及極性判決選擇模塊，所述的第一減法電路輸出信號至第三減法 電路及極性判決選擇模塊，所述的第二減法電路及第三減法電路均輸出信號至極性判決選 擇豐吳塊。
[0021] 本發(fā)明還涉及一種面向深空通信的載波同步方法，包括如下步驟：步驟一：在接 收信號僅存在載波信息這一階段，假設(shè)接收前端接收到的信號為
[0022]

【權(quán)利要求】
1. 一種面向深空通信的載波同步系統(tǒng)，其特征在于：包括第一乘法器（1)、第二乘法器 (2)、第一匹配濾波器（3)、第二匹配濾波器（4)、功率估計(jì)器、反三角函數(shù)映射模塊、極性判 決鑒相器、捕獲跟蹤狀態(tài)切換模塊、環(huán)路濾波器、數(shù)控振蕩器；所述第一乘法器（1)的兩輸 入端分別與接收信號和數(shù)控振蕩器的一路輸出端相連，輸出端與第一匹配濾波器（3)的輸 入端相連；所述第二乘法器（2)的兩輸入端分別與接收信號和所述數(shù)控振蕩器的另一路輸 出端相連，輸出端與第二匹配濾波器（4)輸入端相連；所述的第一匹配濾波器（3)輸出I信 號，其輸出端與反三角函數(shù)映射模塊的第一輸入端及極性判決鑒相器的第一輸入端相連， 所述的第二匹配濾波器（4)輸出Q信號，其輸出端與反三角函數(shù)映射模塊的第二輸入端及 極性判決鑒相器的第二輸入端相連；所述功率估計(jì)器輸入為接收信號，輸出端與所述反三 角函數(shù)映射模塊的第三輸入端相連；所述反三角函數(shù)映射模塊和極性判決鑒相器分別與捕 獲跟蹤狀態(tài)切換模塊的第一輸入端和第二輸入端相連；所述捕獲跟蹤狀態(tài)切換模塊的輸出 端與環(huán)路濾波器的輸入端相連；所述環(huán)路濾波器輸出的門限判決信號與捕獲跟蹤狀態(tài)切換 模塊第三輸入端相連，輸出的頻率控制字信號與所述數(shù)控振蕩器的輸入端相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的深空通信的載波同步系統(tǒng)，其特征在于： 所述的第一乘法器（1)及第二乘法器（2)用于將數(shù)控振蕩器產(chǎn)生的兩路本地正交參考 信號分別與接收信號相乘，實(shí)現(xiàn)頻譜搬移； 所述的第一匹配濾波器（3)及第二匹配濾波器（4)用于濾除高頻鏡像和帶外噪聲； 功率估計(jì)器，用于計(jì)算估測接收信號的功率； 反三角函數(shù)映射模塊，用于對濾波后的正交支路信號進(jìn)行查表映射鑒相； 極性判決鑒相器，用于根據(jù)正交支路信號的極性進(jìn)行鑒相處理； 捕獲跟蹤狀態(tài)切換模塊，用于根據(jù)環(huán)路濾波器的誤差門限切換同步環(huán)路的捕獲和跟蹤 狀態(tài)； 環(huán)路濾波器，用于濾除環(huán)路噪聲，抑制隨機(jī)起伏干擾，生成頻率控制字，同時(shí)輸出累積 誤差是否溢出門限信號； 數(shù)控振蕩器，用于根據(jù)頻率控制字，生成相應(yīng)的本地正交載波信號。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的深空通信的載波同步系統(tǒng)，其特征在于： 所述反三角函數(shù)映射模塊包括移位寄存器、反余弦表、反正弦表、求均值模塊；所述的 三角函數(shù)映射模塊的第一輸入端、第二輸入端及第三輸入端設(shè)于移位寄存器上，移位寄存 器的兩個(gè)輸出端分別與反正弦表及反余弦表連接，反正弦表及反余弦表的輸出端與求均值 模塊連接，所述的移位寄存器用于根據(jù)功率估計(jì)器的輸入結(jié)果，通過長度可變的移位運(yùn)算 等效除法運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對輸入的I、Q信號增益自動(dòng)近似"歸一化"調(diào)整，將處理后的I、Q信號 分別通過反余弦表和反正弦表，通過兩表的相位比對和求均值模塊的求平均計(jì)算，得到此 刻對應(yīng)的載波相位偏差結(jié)果。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的深空通信的載波同步系統(tǒng)，其特征在于： 所述極性判決鑒相器包括加減組合運(yùn)算電路及與其連接的極性判決選擇模塊；所述的 加減組合運(yùn)算電路用于將輸入濾波后的I、Q信號通過加減組合運(yùn)算電路分別得到-(I+Q)、 (I+Q)、（I-Q)、（Q-Ι)后輸入極性判決選擇模塊，所述的極性判決選擇模塊用于根據(jù)當(dāng)前I、 Q信號的符號極性組合，決定輸出-(I+Q)、（I+Q)、（I-Q)、（Q-Ι)其中的一個(gè)結(jié)果作為近似的 鑒相結(jié)果。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的深空通信的載波同步系統(tǒng)，其特征在于：加減組合運(yùn)算電路 包括加法電路、第一減法電路、第二減法電路及第二減法電路，所述的加法電路及第一減法 電路均輸入I、Q信號，所述的加法電路輸出信號至第二減法電路及極性判決選擇模塊，所 述的第一減法電路輸出信號至第三減法電路及極性判決選擇模塊，所述的第二減法電路及 第三減法電路均輸出信號至極性判決選擇模塊。
6. -種面向深空通信的載波同步方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟一：在接收信號僅存在載波信息這一階段，假設(shè)接收前端接收到的信號為
其中〇、Λ分別為接收載波的角頻率和初始相位，&為幅值

假設(shè)所述數(shù)控振蕩器產(chǎn)生的本地載波信號為
所述數(shù)控振蕩器增益，與接收信號通過所述乘法器分別相乘后得到I、Q兩支路信號
步驟二djt)和Qjt)通過所述匹配濾波器后得
其中▲_) = (〇%-κ2為所述匹配濾波器的增益； 步驟三：利用所述功率估計(jì)器計(jì)算估測接收信號的功率，可以得到Ki的對應(yīng)大小，通過 Ki、Kn和K2這些增益值的大小調(diào)整所述長度可變的移位寄存器，對Ι/Q支路信號做近似的歸 一化處理； 步驟四：通過查找映射過程得到；Κ3為查找表的自帶固定增益，即為鑒相增 Μ ; 步驟五：將鑒相結(jié)果通過所述環(huán)路濾波器，得到本地振蕩器相應(yīng)的控制字，調(diào) 整本地載波相位，使
步驟六：當(dāng)Δ爐(0足夠小達(dá)到捕獲門限后，所述捕獲跟蹤狀態(tài)切換模塊將環(huán)路切換為跟 蹤工作模式，此時(shí)所述極性判決鑒相器得到的鑒相結(jié)果有效； 此時(shí)所述極性判決鑒相器實(shí)現(xiàn)的功能是 1) 當(dāng) IJt)彡 0且％(〇 彡 0 時(shí)，輸出為 Λ Φ (t) = QjO-Mt); 2) 當(dāng) IJt)彡 0且％(〇 < 0 時(shí)，輸出為 Λ Φ (t) = IJtKQia); 3) 當(dāng) IJt) < 0且％(〇 彡 0 時(shí)，輸出為 Λ Φ (t) = -IJO-Qia); 4)當(dāng) IJt) < 0且％(〇 < 0 時(shí)，輸出為 Λ Φ (t) = IJO-Qia)。 此時(shí)接收信號仍僅為載波，由于
令K = KH，則所 述極性判決鑒相器輸出的鑒相結(jié)果為
；這里K = Μ吏兩種鑒相方式都有相同的鑒相增益。 步驟七：當(dāng)接收載波上調(diào)制有有用信息時(shí)，以QPSK調(diào)制信號為例，假設(shè)發(fā)射端正交調(diào) 制信號為s(t) = mJOcoscoQt+mJOsincoQt，mjt)、mQ(t)為用戶信息，幅值為1 ;此時(shí) I"t)與_表示形式：
(4) 所述判決鑒相器輸出的鑒相結(jié)果為 1) 當(dāng)IJt)彡0且％(〇彡0時(shí)，輸出為
2) 當(dāng)IJt)彡0且％(〇 <0時(shí)，輸出為
3) 當(dāng)IJt) < 0且％(〇彡0時(shí)，輸出為
4) 當(dāng) IJt) < 0且％(〇 < 0 時(shí)，輸出為 Λ Φ (t) = IJO-Qia)
【文檔編號】H04L7/00GK104104493SQ201410371649
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月30日
【發(fā)明者】崔銳, 王成華, 朱秋明, 陳曉明, 陳學(xué)強(qiáng), 朱銳, 居行波, 谷雨 申請人:南京航空航天大學(xué)