CN116094630B - 一种高精度信号延迟计算方法 - Google Patents

一种高精度信号延迟计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及信号控制的技术领域，公开了一种高精度信号延迟计算方法，包括：利用信号发射机天线获取卫星信号，并利用滤波器对所获取的卫星信号进行载波调制；根据载波调制后的卫星信号调整信号发射机天线角度，得到更多卫星信号，并对所获取的卫星信号进行载波调制；补偿卫星信号的载波相位，对载波调制后的卫星信号进行信号合成，得到卫星合成信号；计算卫星合成信号的时延步长，依靠卫星合成信号时延步长控制码相位值，实现信号时延控制。本发明所述方法通过设计一种高精度信号延迟算法，可以计算出不同精度要求的步长来控制码相位值，从而实现信号时延的控制。

Description

一种高精度信号延迟计算方法
技术领域
本发明涉及信号控制的技术领域，尤其涉及一种高精度信号延迟计算方法。
背景技术
一个信号通过一个滤波器时，其必将产生一定的群时延，对模拟滤波器，这种时延受到包括温度等外界的影响，但对数字滤波器来说，其群时延确是一个恒定值，当改变滤波器的群时延，就可以改变信号的时延。在理论上这种时延的改变可以做到非常精细，然而受到计算代价和内存容量的限制。因此，根据不同系统技术要求选择符合精度要求的步长可以实现码相位精确控制。
本发明通过设计一种高精度信号延迟算法，可以计算出不同精度要求的步长来控制码相位值，从而实现信号时延的控制。
发明内容
本发明提供一种高精度信号延迟计算方法，目的在于（1）实现卫星信号的载波调制；（2）可以通过设置不同的时延步长，来控制卫星信号的码相位时延控制精度。
实现上述目的，本发明提供的一种高精度信号延迟计算方法，包括以下步骤：
S1：利用信号发射机天线获取卫星信号，并利用滤波器对所获取的卫星信号进行载波调制；
S2：根据载波调制后的卫星信号调整信号发射机天线角度，得到更多卫星信号，并对所获取的卫星信号进行载波调制；
S3：补偿卫星信号的载波相位，对载波调制后的卫星信号进行信号合成，得到卫星合成信号；
S4：计算卫星合成信号的时延步长，依靠卫星合成信号时延步长控制码相位值，实现信号时延控制。
作为本发明的进一步改进方法：
所述S1步骤中利用信号发射机的天线装置获取卫星信号，包括：
利用信号发射机的天线装置获取M个扩频码码周期为、基带正交信号复数波形为/>、多普勒频率为/>的卫星信号，其中/>表示所获取的第M个卫星信号的扩频频码周期，/>表示所获取的第M个卫星信号的基带正交信号复数波形，/>表示所获取的第M个卫星信号的时延，/>表示所获取的第M个卫星信号的多普勒频率，在本发明一个具体实施例中，/>，所获取的每个卫星信号来自不同的卫星，所获取的卫星信号格式为：
；
其中：
为信号发射机的天线装置所获取的第M个卫星信号；
为第M个卫星信号/>的I路基带信号；
为第M个卫星信号/>的Q路基带信号；
为卫星信号的初相；
表示所获取的第M个卫星信号的扩频频码周期；
表示所获取的第M个卫星信号的基带正交信号复数波形。
所述S1步骤中利用滤波器对所获取的卫星信号进行载波调制，包括：
计算滤波器的频率响应特性：
；
；
其中：
表示第M个卫星信号所对应滤波器的频率响应特性；
表示载波，/>表示函数角频率，/>表示所获取的第M个卫星信号的多普勒频率；
表示第M个卫星信号的频率响应特性；
c表示光在真空中的传播速度，表示光载波波长；
基于卫星信号的时延，对滤波器进行重构：
；
；
；
其中：
表示第M个卫星的延时相位；
j为虚数；
T表示滤波器的采样周期；
表示滤波器抽样序数；
表示以卫星信号/>为输入，载波调制频率为/>的信号调制结果，则载波调制后信号的结构为：
；
其中：
表示基带信号；
表示所获取的第M个卫星信号的时延；
j表示虚数；
表示所获取的第M个卫星信号的多普勒频率。所述S2步骤中根据载波调制后的卫星信号调整信号发射机天线角度，包括：根据载波调制后的信号调制结果，得到信号调制结果与天线角度的对应公式：
；
其中：
j为虚数；
n为天线折射率；
c为光在真空中的传播速度；
根据公式中的对应关系，则信号发射机天线的角度为：；
根据计算得到的天线角度调整信号发射机天线的角度。所述S2步骤中利用信号发射机的天线装置获取更多卫星信号，并利用滤波器对所获取的卫星信号进行载波调制，包括：利用信号发射机的天线装置获取更多卫星信号，直到所获取的卫星信号数目达到K，，在本发明一个具体实施例中，/>，并利用滤波器对所获取的卫星信号进行载波调制，得到K个在共同载波/>调制下的卫星信号。
所述S3步骤中补偿卫星信号的载波相位，包括：对多普勒频率和基带信号时延产生的载波相位进行补偿:；
其中：
k表示所获取的第k个卫星的卫星信号，；/>表示载波相位；
表示卫星发射信号的采样周期，n表示采样周期数目；；采用48位相位累加器对载波相位进行表征，取正弦表的长度为/>=16384，则累计相位在正弦表中的相位坐标为：/>；；
由于正弦表的长度有限，为了进一步提高精度，在查找表中得出载波相位格点值后，再进一步精确修正相位：/>；
其中：表示载波相位精度；
表示基带码元；
对基带码元作复数乘法，则可达到码相位时延控制精度的实际值要求：，其中/>为码相位时延控制精度，c为光在真空中的传播速度，B为修正相位后卫星信号的频率，/>为卫星信号的发射频率；在本发明一个具体实施例中，根据设置的码相位时延控制精度/>，修正卫星信号的频率。
所述S3步骤中对载波调制且载波相位补偿后的卫星信号进行信号合成处理，包括：
对载波调制且载波相位补偿后的卫星信号进行信号合成处理，则合成的信号为：
；
；
；
其中：
为归一化的码元基带序列；
为卫星信号的初相；
j为虚数；
为第M个卫星信号/>的I路基带信号，/>为正交参数；
为第M个卫星信号/>的Q路基带信号，/>为正交参数；
表示所获取的第k个卫星信号的基带正交信号复数波所述S4步骤中计算卫星合成信号时延步长，依靠卫星合成信号时延步长控制码相位值，包括：
计算卫星信号的时延步长，则其对应的码相位时延控制精度/>为：
；
其中：表示卫星发射信号的采样周期；
c为光在真空中的传播速度；在本发明一个具体实施例中，2M码速率对应时延步长的码相位时延控制精度为/>。
相对于现有技术，本发明提出一种高精度信号延迟计算方法，该技术具有以下优势：
首先，本方案提出一种卫星信号载波调制方法，通过利用信号发射机的天线装置获取M个扩频码码周期为，基带正交信号复数波形为/>、多普勒频率为/>的卫星信号，其中/>表示所获取的第M个卫星信号的扩频频码周期，/>表示所获取的第M个卫星信号的基带正交信号复数波形，/>表示所获取的第M个卫星信号的时延，表示所获取的第M个卫星信号的多普勒频率，所获取的卫星信号格式为：
；
其中：为信号发射机的天线装置所获取的第M个卫星信号；/>为第M个卫星信号/>的I路基带信号；/>为第M个卫星信号/>的Q路基带信号；/>为卫星信号的初相；/>表示所获取的第M个卫星信号的基带正交信号复数波形。根据每个卫星信号的频率特性，计算对应滤波器的频率响应特性，从而为每个卫星信号提供不同的载波调制滤波器：
；
；
其中：表示第M个卫星信号所对应滤波器的频率响应特性；/>表示载波，/>表示函数角频率，/>表示所获取的第M个卫星信号的多普勒频率；/>表示第M个卫星信号的频率响应特性；c表示光在真空中的传播速度，/>表示光载波波长；同时本方案所述滤波器基于卫星信号的时延进行重构：
；
；
；
其中：表示第M个卫星的延时相位；j为虚数；T表示滤波器的采样周期；/>表示滤波器抽样序数；/>表示以卫星信号/>为输入，载波调制频率为/>的信号调制结果，则载波调制后信号的结构为：
；
其中：表示基带信号；/>表示所获取的第M个卫星信号的时延；j表示虚数；表示所获取的第M个卫星信号的多普勒频率，从而将所获取的卫星信号在共同载波/>下进行载波调制处理，调制后的卫星信号可以直接在数字域进行信号合成，得到卫星合成信号。对于某一个载波，如果将信号在射频合成，由于各个射频通道之间的时延不一致，而且随温度的变化比较大，因此，各个通道间的相互时延将受射频通道的影响很大，需要复杂的措施来校准。而用数字计算，可以将所有12颗星的时延/>统一到一个共同的时间基准，相互的时延/>也就能够准确控制。由于各个卫星的同一频点的射频信号都由同一个射频通道输出，其时延完全一样，可以从根本上解决各个卫星时延不确定性。
同时本方案提出一种信号时延控制方法，通过计算卫星信号的时延步长，则其对应的码相位时延控制精度/>为：/>；
其中：示卫星发射信号的采样周期；c为光在真空中的传播速度；其中 2M码速率对应时延步长的码相位时延控制精度/>为/>。根据设置的码相位时延控制精度/>，修正卫星信号的频率。相较于传统方案，本方案通过设置不同的时延步长，来控制卫星信号的码相位时延控制精度，解决了卫星信号时延受到计算代价和内存容量的限制而造成的选型不当等决策。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种高精度信号延迟计算方法的流程示意图；
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
S1：利用信号发射机天线获取卫星信号，并利用滤波器对所获取的卫星信号进行载波调制。
所述S1步骤中利用信号发射机的天线装置获取卫星信号，包括：利用信号发射机的天线装置获取M个扩频码码周期为、基带正交信号复数波形为/>、多普勒频率为/>的卫星信号，其中/>表示所获取的第M个卫星信号的扩频频码周期，/>表示所获取的第M个卫星信号的基带正交信号复数波形，/>表示所获取的第M个卫星信号的时延，/>表示所获取的第M个卫星信号的多普勒频率，在本发明一个具体实施例中，/>，所获取的每个卫星信号来自不同的卫星，所获取的卫星信号格式为：；
其中：
为信号发射机的天线装置所获取的第M个卫星信号；
为第M个卫星信号/>的I路基带信号；
为第M个卫星信号/>的Q路基带信号；
为卫星信号的初相；
表示所获取的第M个卫星信号的扩频频码周期；
表示所获取的第M个卫星信号的基带正交信号复数波形。
所述S1步骤中利用滤波器对所获取的卫星信号进行载波调制，包括：
计算滤波器的频率响应特性：
；
；
其中：
表示第M个卫星信号所对应滤波器的频率响应特性；/>表示载波，/>表示函数角频率，/>表示所获取的第M个卫星信号的多普勒频率；
表示第M个卫星信号的频率响应特性；c表示光在真空中的传播速度，表示光载波波长；
基于卫星信号的时延，对滤波器进行重构：
；
；
；
其中：表示第M个卫星的延时相位；
j为虚数；T表示滤波器的采样周期；
表示滤波器抽样序数；
表示以卫星信号/>为输入，载波调制频率为/>的信号调制结果，则载波调制后信号的结构为：
；
其中：
表示基带信号；
表示所获取的第M个卫星信号的时延；
j表示虚数；
表示所获取的第M个卫星信号的多普勒频率。
S2：根据载波调制后的卫星信号调整信号发射机天线角度，得到更多卫星信号，并对所获取的卫星信号进行载波调制。
所述S2步骤中根据载波调制后的卫星信号调整信号发射机天线角度，包括：
根据载波调制后的信号调制结果，得到信号调制结果与天线角度的对应公式：
；
其中：
j为虚数；
n为天线折射率；
c为光在真空中的传播速度；
根据公式中的对应关系，则信号发射机天线的角度为：；根据计算得到的天线角度/>调整信号发射机天线的角度。
所述S2步骤中利用信号发射机的天线装置获取更多卫星信号，并利用滤波器对所获取的卫星信号进行载波调制，包括：
利用信号发射机的天线装置获取更多卫星信号，直到所获取的卫星信号数目达到K，，在本发明一个具体实施例中，/>，并利用滤波器对所获取的卫星信号进行载波调制，得到K个在共同载波/>调制下的卫星信号。
S3：补偿卫星信号的载波相位，对载波调制后的卫星信号进行信号合成，得到卫星合成信号。
所述S3步骤中补偿卫星信号的载波相位，包括：
对多普勒频率和基带信号时延产生的载波相位进行补偿：，其中：k表示所获取的第k个卫星的卫星信号，/>；
表示载波相位；
表示卫星发射信号的采样周期，n表示采样周期数目；
；
采用48位相位累加器对载波相位进行表征，取正弦表的长度为=16384，则累计相位在正弦表中的相位坐标为：
；
；
由于正弦表的长度有限，为了进一步提高精度，在查找表中得出载波相位格点值后，再进一步精确修正相位：
；
其中：表示载波相位精度；
表示基带码元；
对基带码元作复数乘法，则可达到码相位时延控制精度的实际值要求：；其中/>为码相位时延控制精度，c为光在真空中的传播速度，B为修正相位后卫星信号的频率，/>为卫星信号的发射频率；在本发明一个具体实施例中，根据设置的码相位时延控制精度/>修正卫星信号的频率。
所述S3步骤中对载波调制且载波相位补偿后的卫星信号进行信号合成处理，包括：对载波调制且载波相位补偿后的卫星信号进行信号合成处理，则合成的信号为：
；
；
；
其中：
为归一化的码元基带序列；
为卫星信号的初相；
j为虚数；
为第M个卫星信号/>的I路基带信号，/>为正交参数；
为第M个卫星信号/>的Q路基带信号，/>为正交参数；
表示所获取的第k个卫星信号的基带正交信号复数波形。
S4：计算卫星合成信号的时延步长，依靠卫星合成信号时延步长控制码相位值，实现信号时延控制。
所述S4步骤中计算卫星合成信号时延步长，依靠卫星合成信号时延步长控制码相位值，包括：
计算卫星信号的时延步长，则其对应的码相位时延控制精度/>为：；
其中：表示卫星发射信号的采样周期；c为光在真空中的传播速度；在本发明一个具体实施例中，2M码速率对应时延步长的码相位时延控制精度/>为/>。相较于传统方案，本方案通过设置不同的时延步长，来控制卫星信号的码相位时延控制精度，解决了卫星信号时延受到计算代价和内存容量的限制而造成的选型不当等决策。
需要说明的是，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。并且本文中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上所述的一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种高精度信号延迟计算方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：利用信号发射机天线获取卫星信号，并利用滤波器对所获取的卫星信号进行载波调制；
所述利用滤波器对所获取的卫星信号进行载波调制，包括：
计算滤波器的频率响应特性：
其中：
LM(ω-ωf)表示第M个卫星信号所对应滤波器的频率响应特性；
ωf表示载波，ω表示函数角频率，ωM表示所获取的第M个卫星信号的多普勒频率；
H(ωM-ωf)表示第M个卫星信号的频率响应特性；
c表示光在真空中的传播速度，λ表示光载波波长；
基于卫星信号的时延，对滤波器进行重构：
βM,i＝|2πiLM(ω-ωf)|
其中：
表示第M个卫星的延时相位；
j为虚数；
T表示滤波器的采样周期；
i表示滤波器抽样序数；
L(vM(t),ω-ωf)表示以卫星信号vM(t)为输入，载波调制频率为ωf的信号调制结果，则载波调制后信号的结构为：
其中：
TM表示所获取的第M个卫星信号的扩频频码周期；
表示所获取的第M个卫星信号的基带正交信号复数波形；
AM表示基带信号；
τM(t)表示所获取的第M个卫星信号的时延；
j表示虚数；
ωM表示所获取的第M个卫星信号的多普勒频率；
S2：根据载波调制后的卫星信号调整信号发射机天线角度，得到更多卫星信号，并对所获取的卫星信号进行载波调制；
S3：补偿卫星信号的载波相位，对载波调制后的卫星信号进行信号合成，得到卫星合成信号；
S4：计算卫星合成信号的时延步长，依靠卫星合成信号时延步长控制码相位值，实现信号时延控制。
2.如权利要求1所述的一种高精度信号延迟计算方法，其特征在于，所述S1步骤中利用信号发射机的天线装置获取卫星信号，包括：
利用信号发射机的天线装置获取M个扩频码码周期为TM、基带正交信号复数波形为多普勒频率为ωM的卫星信号，其中TM表示所获取的第M个卫星信号的扩频频码周期，/>表示所获取的第M个卫星信号的基带正交信号复数波形，τM(t)表示所获取的第M个卫星信号的时延，ωM表示所获取的第M个卫星信号的多普勒频率，M<12，所获取的每个卫星信号来自不同的卫星，所获取的卫星信号格式为：
其中：
vM(t)为信号发射机的天线装置所获取的第M个卫星信号；
AMI为第M个卫星信号vM(t)的I路基带信号；
AMQ为第M个卫星信号vM(t)的Q路基带信号；
为卫星信号的初相。
3.如权利要求1所述的一种高精度信号延迟计算方法，其特征在于，所述S2步骤中根据载波调制后的卫星信号调整信号发射机天线角度，包括：
根据载波调制后的信号调制结果，得到信号调制结果与天线角度的对应公式：
其中：
n为天线折射率；
c为光在真空中的传播速度；
根据公式中的对应关系，则信号发射机天线的角度为：
根据计算得到的天线角度θ调整信号发射机天线的角度。
4.如权利要求3所述的一种高精度信号延迟计算方法，其特征在于，所述S2步骤中利用信号发射机的天线装置获取更多卫星信号，并利用滤波器对所获取的卫星信号进行载波调制，包括：
利用信号发射机的天线装置获取更多卫星信号，直到所获取的卫星信号数目达到K，其中K>M。
5.如权利要求4所述的一种高精度信号延迟计算方法，其特征在于，所述S3步骤中补偿卫星信号的载波相位，包括：
对多普勒频率和基带信号时延产生的载波相位进行补偿：
其中：
k表示所获取的第k个卫星的卫星信号，k∈[1,K]；
表示载波相位；
Ts表示卫星发射信号的采样周期，n′表示采样周期数目；
采用48位相位累加器对载波相位进行表征，取正弦表的长度为D3＝16384，则累计相位在正弦表中的相位坐标为：
在查找表中得出载波相位格点值后，进一步精确修正相位：
其中：
表示载波相位精度；
表示基带码元；
对基带码元作复数乘法，则可达到码相位时延控制精度的实际值要求：其中δL为码相位时延控制精度，c为光在真空中的传播速度，B为修正相位后卫星信号的频率，f为卫星信号的发射频率。
6.如权利要求5所述的一种高精度信号延迟计算方法，其特征在于，所述S3步骤中对载波调制且载波相位补偿后的卫星信号进行信号合成处理，包括：
对载波调制且载波相位补偿后的卫星信号进行信号合成处理，则合成的信号x(t)为：
其中：
为归一化的码元基带序列；
为卫星信号的初相；
AkI为第M个卫星信号vk(t)的I路基带信号，为正交参数；
AkQ为第M个卫星信号vk(t)的Q路基带信号，为正交参数；
表示所获取的第k个卫星信号的基带正交信号复数波形。
7.如权利要求6所述的一种高精度信号延迟计算方法，其特征在于，所述S4步骤中计算卫星合成信号时延步长，依靠卫星合成信号时延步长控制码相位值，包括：
计算卫星信号的时延步长则其对应的码相位时延控制精度δL为：
δL＝cδτ
其中：
Ts表示卫星发射信号的采样周期；c为光在真空中的传播速度。
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