CN102299880B - 一种调制信号相位特性的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调制信号相位特性计算方法，它涉及调制信号相位特性分析，尤其涉及调制信号相位变化位置的计算方法，所述方法包括：一、采集调制信号相位变化位置附近的调制信号；二、产生参考载波信号；三、采用滑动相关积分的方法计算参考载波信号与采集的调制信号的相关函数；四、计算调制信号相位变化位置。通过本发明可以对调制信号相位变化位置进行高精度测量，监测调制信号相位变化位置的长期特性，并具有新颖性、创造性和简单实用的特点。

Description

一种调制信号相位特性的计算方法

技术领域

本发明涉及到调制信号相位特性分析，尤其涉及调制信号相位变化位置的计算方法。

背景技术

目前，在卫星导航、航天测控、远距离时间同步等系统中对设备时延的测量精度要求越来越高，而目前精度最高的测量方法是分析设备时延的起始(通常为1PPS信号上升沿的某个位置)与射频调制信号的相位变化位置的时延，测试的仪器主要包括高速存储示波器、矢量网络分析仪等仪器，射频调制信号的相位变化位置主要采用人工观测的方式，判断相位变化的位置。BPSK基带信号通过基带处理、中频处理、上变频等步骤成为射频调制信号，BPSK调制信号相位变化位置难以准确判断，通常采用人工观测，根据个人经验进行估计。

现有的相位变化位置测量的主要问题是：采用人工观测，BPSK调制信号相位变化的位置依靠观测者的经验进行估计，人为误差较大，难以实现高精度的测量，难以对相位变化位置的长期特性进行监测。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足而提供一种应用于调制信号相位特性的计算方法。本发明方法实现简单，能够避免人工观测带来的误差，可以在此基础上形成相应的软件和硬件实现。

本发明的目的是这样实现的，本发明包括步骤：

①信号采集装置采集相位变化位置附近的调制信号；

②根据采集的调制信号的频率，信号处理装置产生参考载波信号；

③采用滑动相关积分的方法，信号处理装置计算采集的调制信号与参考载波信号的相关函数；

④信号处理装置计算采集的调制信号相位变化的位置，完成调制信号相位特性的计算。

其中，步骤①中采集的相位变化位置附近的调制信号满足：

(t₀-T₁＜t＜t₀+T₂)

其中，t为时间变量，t₀为信号相位变化位置对应的时刻，s_RF(t)为采集的射频信号，f(t)为调制信号的包络，f(t-t₀)＝-f(t₀-t)，ω为调制信号的角频率，ω＝2πf_s，f_s为调制信号的载波频率，为信号相位变化位置的载波相位，信号相位变化位置应尽量位于采集的调制信号的中央位置，即T₁与T₂近似相等，且 f_d为调制在载波上的信息频率，采集的调制信号的信号长度为(T₁+T₂)。

步骤①中采集的调制信号的载波频率f_s与信息频率f_d的关系为f_s＝N·f_d时，N为大于1的整数；所述的采集的调制信号相位变化位置的载波相位具有恒定值。

步骤②中产生的参考载波信号为：

$s_{\mathrm{REF}}\left(t\right)=\cos (\mathrm{\ω}(t-\frac{T_{\mathrm{REF}}}{2})+\mathrm{\θ})$

其中，t为时间变量，ω为参考载波信号的角频率，s_REF(t)为参考载波信号，θ为参考载波信号的相位，T₀为参考射频信号的载波周期，参考载波信号长度为T_REF，T₀＜T_REF＜(T₁+T₂)-T₀。

步骤③中采用滑动相关积分的方法计算采集的调制信号与参考载波信号的相关函数，相关函数表示为：

$C\left(n\right)=\underset{n-\frac{T_{\mathrm{REF}}}{2}}{\overset{n+\frac{T_{\mathrm{REF}}}{2}}{\∫}}{s}_{\mathrm{RF}}\left(t\right)s_{\mathrm{REF}}(t-n)\mathrm{dt}$

当n＝t₀时，

可见，当时，C(n)＝0其中，t、n为时间变量，C(n)为相关函数，s_RF(t)为采集的调制信号，s_REF(t)为参考载波信号，f(t)为调制信号的包络，为采集的调制信号相位变化位置对应的载波相位，θ为参考载波信号的相位。

步骤④的相位变化位置计算的方法为：令|C(n)|＝0，得到所有的解n_i，i＝1，2，3…，k，并且有n_i＜n_i+1，在每一个(n_i，n_i+1)区间计算|C(n)|的最大值M_i，i＝1，2，3…，k-1，在所有的M_i中，计算最小的两个值 对应的时间变量n为 则区间中|C(n)|的最小值对应的时间变量n为n_min，则n_min为调制信号相位变化位置在相关函数|C(n)|中的位置，调制信号相位变化位置在采集的调制信号s_RF(t)中的位置t_loc为：

$t_{\mathrm{loc}}=n_{\min }+\frac{T_{\mathrm{REF}}}{2}$

其中，t_loc为调制信号相位变化的位置，T_REF为参考载波信号长度。

本发明相比背景技术具有如下优点：

(i)本发明提出的调制信号相位特性计算方法，能够在调制信号相位变化位置测试过程中，避免了人工观测的误差，具有提高调制信号相位变化位置测试精度高的优点，具有新颖性和创造性的特点。

(ii)本发明提出的调制信号相位特性计算方法，能够实现自动测量，具有实用性强的特点。

(iii)本发明提出的射频信号相位特性计算方法，能够连续多次测量，对调制信号相位变化位置的稳定性进行监测，提高了调制信号相位变化位置测试的性能。

附图说明

图1是本发明的调制信号相位特性计算方法的流程图；

图2是本发明的系统结构图。

图3是根据本发明的实施例的BPSK射频调制信号相位特性计算方法的流程图。

图4是实施例的BPSK调制信号相位变化位置的示意图；

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的描述：

本发明的系统结构如图2所示，信号采集装置为模拟/数字(A/D)转换装置，用于将被测的调制信号转换为数字信号，信号处理装置为具有较强运算能力数据处理装置，用于对采集的调制信号进行处理，计算调制信号的相位特性。

本发明的调制信号相位特性计算方法的流程图如图1所示，这种调制信号相位特性计算方法具体包括步骤：

步骤101：信号采集装置采集信号相位变化位置附近的调制信号，信号相位变化位置附近的调制信号可表示为：

(t₀-T₁＜t＜t₀+T₂)

其中，t为时间变量，t₀为信号相位变化位置对应的时刻，s_RF(t)为采集的射频信号，f(t)为调制信号的包络，f(t-t₀)＝-f(t₀-t)，ω为调制信号的角频率，ω＝2πf_s，f_s为调制信号的载波频率，为信号相位变化位置的载波相位，信号相位变化位置应尽量位于采集的调制信号的中央位置，即T₁与T₂近似相等，且 f_d为调制在载波上的信息频率，采集的调制信号的信号长度为(T₁+T₂)。

当采集的调制信号的载波频率f_s与信息频率f_d的关系为f_s＝N·f_d时，N为大于1的整数。步骤101中的调制信号相位变化位置的载波相位具有恒定值，可采用矢量信号分析仪、高速存储示波器、矢量电压表等仪器测量出来。

步骤102：根据采集的调制信号的频率，信号处理装置产生参考载波信号。参考载波信号可表示为：

$s_{\mathrm{REF}}\left(t\right)=\cos (\mathrm{\ω}(t-\frac{T_{\mathrm{REF}}}{2})+\mathrm{\θ})$

其中，t为时间变量，ω为参考载波信号的角频率，s_REF(t)为参考载波信号，θ为参考载波信号的相位，T₀为参考射频信号的载波周期，参考载波信号长度为T_REF，T₀＜T_REF＜(T₁+T₂)-T₀。

步骤103：采用滑动相关积分的方法，信号处理装置计算采集的调制信号与参考载波信号的相关函数。参考载波信号和采集的调制信号进行滑动相关积分，相关函数表达式为：

$C\left(n\right)=\underset{n-\frac{T_{\mathrm{REF}}}{2}}{\overset{n+\frac{T_{\mathrm{REF}}}{2}}{\∫}}{s}_{\mathrm{RF}}\left(t\right)s_{\mathrm{REF}}(t-n)\mathrm{dt}$

当n＝t₀时，

可见，当时，C(n)＝0。

其中，t、n为时间变量，C(n)为相关函数，s_RF(t)为采集的调制信号，s_REF(t)为参考载波信号，f(t)为调制信号的包络，为采集的调制信号相位变化位置对应的载波相位，θ为参考载波信号的相位。

步骤104：信号处理装置计算采集的调制信号相位变化的位置，完成调制信号相位特性的计算。令|C(n)|＝0，得到所有的解n_i，i＝1，2，3…，k，并且有n_i＜n_i+1，在每一个(n_i，n_i+1)区间计算|C(n)|的最大值M_i，i＝1，2，3…，k-1，在所有的M_i中，计算最小的两个值 对应的时间变量n为 则区间中|C(n)|的最小值对应的时间变量n为n_min，则n_min为调制信号相位变化位置在相关函数|C(n)|中的位置，调制信号相位变化位置在采集的调制信号s_RF(t)中的位置t_loc为：

$t_{\mathrm{loc}}=n_{\min }+\frac{T_{\mathrm{REF}}}{2}$

其中，t_loc为调制信号相位变化的位置，T_REF为参考载波信号长度。

图3是具体实施例的调制信号相位特性计算流程图，具体实施例中采用BPSK调制的射频信号，且调制信号的载波频率f_s与信息频率f_d的关系为f_s＝N·f_d，图4是具体实施例的射频调制信号相位变化位置示意图，具体步骤包括：

步骤201：确定BPSK射频调制信号相位变化位置的载波相位

步骤202：信号采集装置采集信号相位变化位置附近的调制信号。信号相位变化位置附近的调制信号可表示为：

(t₀-T₁＜t＜t₀+T₂)

其中，t为时间变量，t₀为信号相位变化位置对应的时刻，s_RF(t)为采集的射频信号，f(t)为调制信号的包络，f(t-t₀)＝-f(t₀-t)，ω为调制信号的角频率，ω＝2πf_s，f_s为调制信号的载波频率，为信号相位变化位置的载波相位，信号相位变化位置应尽量位于采集的调制信号的中央位置，即T₁与T₂近似相等，且 f_d为调制在载波上的信息频率，采集的调制信号的信号长度为(T₁+T₂)。

步骤203：根据采集的调制信号的频率，信号处理装置产生参考载波信号。参考载波信号可表示为：

$s_{\mathrm{REF}}\left(t\right)=\cos (\mathrm{\ω}(t-\frac{T_{\mathrm{REF}}}{2})+\mathrm{\θ})$

其中，t为时间变量，ω为参考载波信号的角频率，s_REF(t)为参考载波信号，θ为参考载波信号的相位，T₀为参考射频信号的载波周期，参考载波信号长度为T_REF，T₀＜T_REF＜(T₁+T₂)-T₀。

步骤204：采用滑动相关积分的方法，信号处理装置计算采集的调制信号与参考载波信号的相关函数。参考载波信号和采集的调制信号进行滑动相关积分，相关函数表达式为：

$C\left(n\right)=\underset{n-\frac{T_{\mathrm{REF}}}{2}}{\overset{n+\frac{T_{\mathrm{REF}}}{2}}{\∫}}{s}_{\mathrm{RF}}\left(t\right)s_{\mathrm{REF}}(t-n)\mathrm{dt}$

当n＝t₀时，

其中，t、n为时间变量，C(n)为相关函数，s_RF(t)为采集的调制信号，s_REF(t)为参考载波信号，f(t)为调制信号的包络，为采集的调制信号相位变化位置对应的载波相位，θ为参考载波信号的相位。

步骤205：信号处理装置计算采集的调制信号相位变化的位置，完成调制信号相位特性的计算。令|C(n)|＝0，得到所有的解n_i，i＝1，2，3…，k，并且有n_i＜n_i+1，在每一个(n_i，n_i+1)区间计算|C(n)|的最大值M_i，i＝1，2，3…，k-1，在所有的M_i中，计算最小的两个值 对应的时间变量n为 则区间中|C(n)|的最小值对应的时间变量n为n_min，则n_min为调制信号相位变化位置在相关函数|C(n)|中的位置，调制信号相位变化位置在采集的调制信号s_RF(t)中的位置t_loc为：

$t_{\mathrm{loc}}=n_{\min }+\frac{T_{\mathrm{REF}}}{2}$

其中，t_loc为调制信号相位变化的位置，T_REF为参考载波信号长度。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形式的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种调制信号相位特性的计算方法，用于计算得到调制信号的相位变化的精确位置，其特征在于包括步骤： 

①信号采集装置采集相位变化位置附近的调制信号； 

②根据采集的调制信号的频率，信号处理装置产生参考载波信号； 

③采用滑动相关积分的方法，信号处理装置计算采集的调制信号与参考载波信号的相关函数； 

④信号处理装置计算采集的调制信号相位变化的位置，完成调制信号相位特性的计算； 

其中，步骤④的相位变化位置计算的方法为：令|C(n)|＝0，得到所有的解n_i，i＝1,2,3…，k，并且有n_i＜n_i+1，在每一个(n_i，n_i+1)区间计算|C(n)|的最大值M_i，i＝1,2,3…，k-1，在所有的M_i中，计算最小的两个值对应的时间变量n为， 则区间中|C(n)|的最小值对应的时间变量n为n_min，则n_min为调制信号相位变化位置在相关函数|C(n)|中的位置，调制信号相位变化位置在采集的调制信号s_RF(t)中的位置t_loc为： 

其中，t_loc为调制信号相位变化的位置，T_REF为参考载波信号长度，C(n)为调制信号与参考载波信号的相关函数。 

2.根据权利要求1所述的一种调制信号相位特性的计算方法，其特征在于步骤①中采集的相位变化位置附近的调制信号满足： 

其中，t为时间变量，t₀为信号相位变化位置对应的时刻，s_RF(t)为采集的射频信号，f(t)为调制信号的包络，f(t-t₀)＝-f(t₀-t)，ω为调制信号的角频率， ω＝2πf_s，f_s为调制信号的载波频率，为信号相位变化位置的载波相位，信号相位变化位置应尽量位于采集的调制信号的中央位置，即T₁与T₂近似相等，且 f_d为调制在载波上的信息频率，采集的调制信号的信号长度为(T₁+T₂)。 

3.根据权利要求2所述的一种调制信号相位特性的计算方法，其特征在于所述的采集的调制信号的载波频率f_s与信息频率f_d的关系为f_s＝N·f_d时，N为大于1的整数；所述的采集的调制信号相位变化位置的载波相位具有恒定值。 

4.根据权利要求1所述的一种调制信号相位特性计算方法，其特征在于步骤②中产生的参考载波信号为： 

其中，t为时间变量，ω为参考载波信号的角频率，s_REF(t)为参考载波信号，θ为参考载波信号的相位，T₀为参考射频信号的载波周期，参考载波信号长度为T_REF，T₀＜T_REF＜(T₁+T₂)-T₀，f_d为调制在载波上的信息频率。 

5.根据权利要求1所述的一种调制信号相位特性计算方法，其特征在于步骤③中采用滑动相关积分的方法计算采集的调制信号与参考载波信号的相关函数，相关函数表示为： 

当n＝t₀时， 

可见，当时，C(n)＝0，其中，t、n为时间变量，C(n)为相关函数，s_RF(t)为采集的调制信号，s_REF(t)为参考载波信号，f(t)为调制信号的包络，为采集的调制信号相位变化位置对应的载波相位，θ为参考载波信号的相位，t₀为信号相位变化位置对应的时刻。