CN103916199B - 一种天线信号的时延和相位调整装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天线的时延和相位调整装置和方法。所述方法包括：根据当前时刻时延和相位差估计值及前一时刻时延调整值和相位调整值得到当前时刻时延调整值和相位调整值；根据当前时刻时延调整值计算得到整数倍时延值和分数倍时延值；根据分数倍时延值调整采样时钟信号相位，得到经过分数倍延时后的采样时钟信号；利用经过分数倍延时后的采样时钟信号对天线信号进行采样，得到经分数倍时延的数字天线信号；利用所述整数倍延时值对所述经分数倍延时的数字天线信号进行调整，得到经时延调整的数字天线信号；利用相位差估计值得到二次混频用信号，并用二次混频信号对经时延调整的数字天线信号进行二次混频，得到经时延和相位差调整的天线信号。

Description

一种天线信号的时延和相位调整装置与方法

技术领域

本发明涉及深空探测领域，特别涉及一种天线信号的时延和相位调整装置与方法。

背景技术

深空探测中远距离的通信对射电望远镜的性能提出了新的需求。由于开发成本的提高和技术的限制，单个天线G／T值的提高已经到了停滞状态。美国深空网(DSN)战略计划已经明确了可能的增长途径：采用射频频段，通过大量小天线组阵的方法获得更高的天线增益。天线组阵所提供的优点是，能以比用单个天线所接收的更高数据率接收数据，它具有许多令人渴望的优势：更好的性能、更强的工作稳健性、更低的建造费用、更好的计划灵活性和对射电天文科学研究更广泛的支持。天线组阵可以降低对单天线指向精度等指标的要求，采用大规模的小天线可以大大降低建设成本。

天线阵的输出是进入合成器所有输入信号的加权和。各天线之间的时延和相位的调整精度对信号的合成性能有直接的影响。而随科学应用对深空探测数据量的迅猛增加，深空网下行数据传输正向高频段和高码速率的方向发展。目前，通过组阵的方式，美国深空探测火星的最大码速率(距离地球0.6Au时)为60Mbps，预计2020年在X频段和Ka频段分别最大可达400Mbps和1.2Gbps。如此高频率和码速率对时延和相位的调整精度提出了极高要求。

对于数字信号，时延和相位调整方法一般选择在时域或频域进行。在时域调整时，时延的整数部分的时延(相对于采样周期)易于实现，通常采用存储器或寄存器等实现；而分数部分的时延一般采用插值或滤波器的的方式实现，计算量较大，且难于实现精确调整。在频域调整时，由于需要将信号先进行傅里叶变换，调整完成后再进行逆傅里叶变换，计算量较大，且由于硬件条件的限制会影响信号的处理精度。

发明内容

为了提高深空探测天线组阵中信号合成的时延和相位调整精度，并降低计算量，本发明提出了一种天线组阵中时延和相位调整的方法与装置。

根据本发明一方面，其提供了一种天线的时延和相位调整装置，包括：

时延和相位累加模块，根据当前时刻时延和相位差估计值以及前一时刻的时延调整值和相位调整值得到当前时刻时延调整值和相位调整值；

整数与分数倍时延计算模块，其根据当前时刻时延调整值计算得到整数倍时延值和分数倍时延值；

采样时钟相位调整模块，根据分数倍时延值调整采样时钟信号的相位，得到经过分数倍延时后的采样时钟信号；

模数转换模块，其利用所述经过分数倍延时后的采样时钟信号对天线信号进行采样，得到经分数倍时延的数字天线信号；

整数倍时延调整模块，利用所述整数倍延时值对所述经分数倍延时的数字天线信号进行调整，得到经时延调整的数字天线信号；

相位调整模块，利用相位差估计值计算得到二次混频用信号，并利用二次混频用信号对所述经时延调整的数字天线信号进行二次混频，得到经时延和相位差调整的天线信号。

根据本发明另一方面，其提供了一种天线的时延和相位调整方法，包括：

根据当前时刻时延和相位差估计值以及前一时刻的时延调整值和相位调整值得到当前时刻时延调整值和相位调整值；

根据当前时刻时延调整值计算得到整数倍时延值和分数倍时延值；

根据分数倍时延值调整采样时钟信号的相位，得到经过分数倍延时后的采样时钟信号；

利用所述经过分数倍延时后的采样时钟信号对天线信号进行采样，得到经分数倍时延的数字天线信号；

利用所述整数倍延时值对所述经分数倍延时的数字天线信号进行调整，得到经时延调整的数字天线信号；

利用相位差估计值计算得到二次混频用信号，并利用二次混频用信号对所述经时延调整的数字天线信号进行二次混频，得到经时延和相位差调整的天线信号。

本发明中天线信号经下变频和带通滤波后，变频为中频信号，然后通过模数转换器(ADC)进行采样。时延的调整分为采样周期的整数倍时延和分数倍时延两部分进行，整数倍时延采用传统的存储器或寄存器等进行调整，实现采样信号的位同步；分数倍时延通过调整模数转换器(ADC)采样时钟的相位实现。相位的调整是在进行信号的二次下变频时，通过对混频余弦信号的相位进行实时调整实现的。

本发明提出上述方案与传统的调整方案相比，由于分数倍时延的调整通过对ADC时钟相位的调整来实现，相位调整通过二次混频的方法实现，不需要进行计算量较大的傅里叶变换和滤波方法，能够降低信号的失真，以较小的计算量实现时延和相位的高精度调整。对天线组阵的信号合成具有重要的意义，尤其是当天线阵中天线数量较大时，能够大大节省硬件的性能需求。

附图说明

图1是包含本发明时延和相位调整装置的天线组阵信号接收系统示意图；

图2是本发明中时延和相位调整装置的结构示意图；

图3(A)和图3(B)是本发明中分数倍时延调整前天线信号采样示意图，其中图3(A)为调整前的天线信号包络的幅度曲线；图3(B)为相位调整前的采样时钟曲线；

图4(A)和图4(B)为图3(A)和图3(B)中的采样时钟相位向前调整了0.3倍采样周期后的曲线示意图；

图5是本发明中整数倍时延调整后天线信号的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1是包含本发明时延和相位调整装置的天线组阵信号接收系统结构示意图(以SUMPLE方法为例)。

如图1所示，所述接收系统由天线、低噪声放大器(LNA)、下变频器、带通滤波器、频率和时统模块、时延和相位调整模块、时延和相位差估计模块、减法器、信号合成模块以及解调接收机等组成。各天线接收到的探测器信号，经过低噪声放大器进行的功率放大、下变频器进行的下变频、带通滤波器进行的滤波和经时延和相位调整模块采样后得到的数字信号被称作天线信号。

应该注意，所述天线信号是经过预处理所得的信号，而前述低噪声放大器(LNA)、下变频器、时延和相位差估计等模块所进行的处理只是示例性的预处理。本领域技术人员可以理解，所述预处理不限于这一种方式，而可以通过添加其它的装置或去掉某一装置(例如，低噪声放大器)或者调整执行预处理的装置的次序来改变预处理的方式。

时延和相位调整模块通过从时延和相位差估计模块获得的时延和相位差，对各路天线信号进行时延和相位调整后得到调整后的信号，实现各天线信号之间的时延和相位对齐。时延和相位调整模块同时从频率和时统模块获得频标信号，用于为ADC模块采样提供频率基准。其中，本发明提供了新的时延和相位差调整方式。时延和相位差估计模块采用成熟的估计方法，例如时域或频域的互相关估计方法等。多路调整后的信号经由信号合成器进行信号合成以获得合成信号并送往解调接收机进行解调等后续处理。其中，时延和相位差的产生过程如下，作为参考信号的合成信号通过减法器(图1中以减号加圆圈表示)与每路调整后的信号相减得到差值，之后时延和相位差估计模块对所得到的差值和对应的此路调整后的信号进行处理以获得下一时刻的相位差和时延估计值，并提供给时延和相位调整模块。

图2示出了本发明中时延和相位调整装置的结构示意图。

如图2所示，时延和相位调整装置包括：时延和相位累加模块、整数与分数倍时延计算模块、采样时钟相位调整模块、模数转换(ADC)模块、整数倍时延调整模块、相位补偿计算模块、余弦信号生成模块、二次混频模块和低通滤波模块。时延估计值经整数与分数倍时延计算模块分别获得整数倍和分数倍时延值，分数倍时延值经采样时钟相位调整模块实现时钟信号的相位调整，并输出至模数转换模块实现天线信号的数字采集和分数倍时延调整；整数倍时延调整模块根据整数倍时延值实现天线信号的整数倍时延调整。时延估计值还经相位补偿计算模块实现由于时延调整造成的天线信号相位波动量的计算，计算结果和相位差估计值经余弦信号生成模块实现余弦信号的生成；完成时延整数倍调整的天线信号与余弦信号混频，并经低通滤波后，实现信号的二次混频和相位的调整。除ADC模块外，其他模块均采用FPGA技术实现。

下面详细介绍各个模块实现的具体功能。

时延和相位累加模块，用于根据当前时刻时延和相位差估计值以及前一时刻的时延调整值和相位调整值得到当前时刻时延调整值和相位调整值。

时延和相位累加模块的具体处理方法描述如下：

时延和相位累加模块实现的时延和相位调整值计算方法为：

式中，是前一时刻时延调整值，m为采样点序号，且m＝1，2，3，…；t_m为第m个时间采样时刻；为时延和相位差估计模块输出的第i个天线信号在t_m时刻的时延估计值；为时延和相位差估计模块输出的第i个天线信号在t_m时刻的相位差估计值；为t_m时刻的时延调整值；为t_m时刻的相位调整值；i＝1，2，…，L，L为天线阵中的天线数量。

整数与分数倍时延计算模块，其根据当前时刻时延调整值计算得到整数倍时延值和分数倍时延值。

整数与分数倍时延计算模块的具体处理方法描述如下：

整数倍时延的计算方法为：

式中，ｚ_τi(t_m)为第i个天线信号的整数倍时延计算值，且为非负整数；i＝1，2，…，L，L为天线阵中的天线数量；T_s为天线信号采样周期；符号为下取整函数，符号为上取整函数；k为防止出现ｚ_τi(t_m)＜0而预设的整数常数，且满足

分数倍时延的计算方法如下式所示

式中，p_τi(t_m)为第i个天线信号的分数倍时延计算值，由上述公式可知其取值范围为

-0.5＜p_τi(t_m)≤0.5

采样时钟相位调整模块，用于将采样时钟信号的相位向前调整分数倍时延值个采样周期，得到分数倍延时后的采样时钟信号。

采样时钟相位调整模块的具体处理方法描述如下：

采样时钟相位调整模块实现ADC采样时钟相位的调整，设调整前的时钟信号为函数c_i(t)，调整后的时钟函数如下式所示

$c_i^{\′}\left(t\right)=c_i(t+p_{\mathrm{\τi}}{T}_s)$

式中，c′_i(t)调整后的时钟函数，其相位向前调整了p_τi个采样周期。模块的具体实现方式在此不做限定，可以采用成熟的相位调整电路或数据处理方法，例如利用直接数字频率合成器(DDS)或延时线等技术。

模数转换模块，利用所述经分数倍延时后的采样时钟信号对经过预处理的天线信号进行采样，得到经分数倍时延的数字天线信号。

模数转换模块的具体处理方法描述如下：

模数转换模块在实现天线信号模数转换的同时实现分数倍时延的调整。设天线接收到的信号S_i0(t)为

式中，a_i0(t)为信号幅度，f₀为信号中心频率，τ_i(t)为信号相对于参考信号的时延，参考信号为所有天线信号合成后的信号，为信号初始相位。则模数转换之前的天线信号s_i1(t)可表示为

式中，A_i1为下变频和带通滤波增益；f₁为下变频后的中心频率，且

f₁＝f₀-f_c1

式中，f_c1为下变频器混频信号的频率。经ADC采样后的天线信号s_i2(t_m)可表示为

式中，A_i2为模数转换增益；m为采样点序号，且m＝1，2，3，…；t_m为第m个时间采样时刻。

整数倍时延调整模块，用于根据所述整数倍延时值对所述经分数倍延时的数字天线信号进行延时，得到经分数倍延时和整数倍延时的数字天线信号。

整数倍时延调整模块的具体处理方法描述如下：

整数倍时延调整模块实现信号的采样周期整数倍时延的调整。经整数倍时延调整模块调整后的天线信号s_i3(t_m)为：

如果时延的估计精度足够高即则可得

其中，k为防止出现z_τi(t_m)＜0而预设的整数常数。

从而实现了天线信号时延的调整。

相位补偿计算模块，用于计算天线信号的相位补偿值，以弥补由于时延调整造成的天线信号的相位突变，并输出给余弦信号生成模块对余弦相位进行调整，防止时延补偿值发生变化后造成相位的异常波动；

相位补偿计算模块实现相位补偿a_τi的计算，具体方法如下式所示：

余弦信号生成模块，用于根据相位差估计值以及相位补偿值计算二次混频用的余弦信号。

余弦信号生成模块实现二次混频时的余弦信号M_ci(t_m)，具体方法如下式所示

式中，f_c2为二次混频的余弦信号频率，且满足B/2＜f_c2≤f₁，其中B为天线信号带宽。

二次混频模块，用于根据所述二次混频用的余弦信号对天线信号进行二次下变频，同时实现天线信号的相位调整。

二次混频模块实现对天线信号的二次下变频和信号相位的调整，具体计算为：

s_i4(t_m)＝s_i2(t_m)M_ci(t_m)

式中，s_i4(t_m)为二次混频后的输出信号。需要说明的是，此处只给出了余弦二次混频，根据后续数据处理的需要也可以采用正交下变频等其他方法实现。

低通滤波模块，用于对二次混频后的天线信号进行低通滤波，用于滤除混频后的高频信号。

低通滤波模块实现二次混频后的天线信号的低通滤波，滤波后的天线信号s_i5(t_m)为：

式中，A_i3为二次混频和低通滤波增益。一般情况下，当系统稳定后相位调整值满足：

其中，为参考信号的初始相位。所以，可得

从而实现了天线信号的相位调整。

图3(A)和图3(B)是本发明中分数倍时延调整前天线信号采样示意图。假设天线信号与合成后的参考信号相比，时延值为1.3倍的采样周期。同时为便于可视化，示意图只给出了信号包络情况，而未考虑载波和相位的影响。图3(A)为调整前的天线信号包络的幅度曲线，其中星号代表采样值；图3(B)为相位调整前的采样时钟曲线，假设ADC模块在采样时钟上升沿时进行采样。

图4(A)和图4(B)是本发明中分数倍时延调整后天线信号采样示意图。图4(A)和图4(B)为图3(A)和图3(B)中的采样时钟相位向前调整了0.3倍采样周期后的曲线，图4(A)中的星号为采样值。可以看出，随着采样时钟相位的调整，采样值也相应的延迟了0.3倍时延值。

图5是本发明中整数倍时延调整后天线信号示意图。图4中的天线信号在延迟1倍的采样周期后，最终实现了1.3倍采样周期的时延调整，从而实现了与参考信号的时延同步。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种天线的时延和相位调整装置，其包括：

时延和相位累加模块，根据当前时刻时延和相位差估计值以及前一时刻的时延调整值和相位调整值得到当前时刻时延调整值和相位调整值；

整数与分数倍时延计算模块，其根据当前时刻时延调整值计算得到整数倍时延值和分数倍时延值；

采样时钟相位调整模块，根据分数倍时延值调整采样时钟信号的相位，得到经过分数倍延时后的采样时钟信号；

模数转换模块，其利用所述经过分数倍延时后的采样时钟信号对天线信号进行采样，得到经分数倍时延的数字天线信号；

整数倍时延调整模块，利用所述整数倍延时值对所述经分数倍延时的数字天线信号进行调整，得到经时延调整的数字天线信号；

相位调整模块，利用相位差估计值计算得到二次混频用信号，并利用二次混频用信号对所述经时延调整的数字天线信号进行二次混频，得到经时延和相位差调整的天线信号；

其中，所述相位调整模块包括：

相位补偿计算模块，其用于计算延时调整造成的相位补偿值；

余弦信号生成模块，其用于根据相位差估计值和相位补偿值计算二次混频用的余弦信号；

二次混频模块，其用于根据所述二次混频用的余弦信号对所述经时延调整的天线信号进行二次下变频，并同时对天线信号进行相位调整，以得到经时延和相位差调整的天线信号；

低通滤波模块，其用于对所述经时延和相位差调整的天线信号进行低通滤波。

2.如权利要求1所述的装置，其中，整数与分数倍时延计算模块中整数倍时延如下计算：

式中，z_τi(t_m)为第i个天线信号的整数倍时延计算值，且为非负整数；i＝1，2，…，L，L为天线阵中的天线数量；为t_m时刻的时延调整值，T_s为天线信号采样周期；符号为下取整函数，符号为上取整函数；k为防止出现z_τi(t_m)＜0而预设的整数常数，且满足

3.如权利要求1-2任一项所述的装置，其中，分数倍时延值如下计算：

式中，p_τi(t_m)为第i个天线信号的分数倍时延计算值，z_τi(t_m)为第i个天线信号的整数倍时延计算值，且为非负整数；i＝1，2，…，L，L为天线阵中的天线数量；为t_m时刻的时延调整值，T_s为天线信号采样周期；k为预设的整数常数，且满足

4.如权利要求1所述的装置，其中，采样时钟相位调整模块如下计算得到经过分数倍延时后的采样时钟信号：

c′_i(t)＝c_i(t+p_τiT_s)

其中，c′_i(i)经分数倍延时后的采样时钟信号，c_i(t)为原始采样时钟信号，p_τi为分数倍时延值，T_s为天线信号采样周期。

5.如权利要求1所述的装置，其中，所述模数转换模块中输入的天线信号为经预处理后的天线信号，其表达式如下所示：

式中，A_i1为下变频和带通滤波增益；a_i0(t)为信号幅度，f₀为信号中心频率，τ_i(t)为信号相对于参考信号的时延，为信号初始相位，f₁为下变频后的中心频率，且

f₁＝f₀-f_c1

f_c1为下变频器混频信号的频率。

6.如权利要求5所述的装置，其中，经模数转换模块采样得到的经过分数倍延时后的采样时钟信号如下所示：

式中，A_i2为模数转换增益；m为采样点序号，且m＝1，2，3，…；t_m为第m个时间采样时刻，p_τi为分数倍时延值，T_s为天线信号采样周期。

7.如权利要求1所述的装置，其中，所述相位补偿值如下计算：

其中，α_τi为相位补偿值，f₁为对天线信号进行了下变频后的中心频率，为t_m时刻的时延调整值，T_s为天线信号采样周期；k为预设的整数常数。

8.如权利要求7所述的装置，其中，所述二次混频用信号为余弦信号，余弦信号如下所示：

其中，f_c2为二次混频的余弦信号频率，且满足B/2＜f_c2≤f₁，其中B为天线信号带宽，α_τi(t_m)为t_m时刻的相位补偿值，为相位差估计值。

9.一种天线的时延和相位调整方法，其包括：

根据当前时刻时延和相位差估计值以及前一时刻的时延调整值和相位调整值得到当前时刻时延调整值和相位调整值；

根据当前时刻时延调整值计算得到整数倍时延值和分数倍时延值；

根据分数倍时延值调整采样时钟信号的相位，得到经过分数倍延时后的采样时钟信号；

利用所述经过分数倍延时后的采样时钟信号对天线信号进行采样，得到经分数倍时延的数字天线信号；

利用所述整数倍延时值对所述经分数倍延时的数字天线信号进行调整，得到经时延调整的数字天线信号；

计算延时调整造成的相位补偿值；

根据相位差估计值和相位补偿值计算二次混频用的余弦信号；

根据所述二次混频用的余弦信号对所述经时延调整的天线信号进行二次下变频，并同时对天线信号进行相位调整，以得到经时延和相位差调整的天线信号；

对所述经时延和相位差调整的天线信号进行低通滤波。