CN103916201A - 一种天线信号初始相位差、时延和频率差估计装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天线信号的初始相位差、时延和频率差估计装置及方法，所述装置包括：载波跟踪模块，通过载波跟踪获得两路天线信号的同相信号和载波相位；时延互相关估计模块，通过互相关计算估计得到两路天线信号之间的时延估计值，并根据同相信号估计得到两路天线信号之间的相位差模糊补偿角度值；时延调整模块，根据时延估计值对载波相位进行时延调整；相位差分模块，计算载波相位差；频率差和初始相位差估计模块，根据载波相位差计算得到频率差和初始相位差估计值；相位差模糊度补偿模块，根据相位差模糊补偿角度对初始相位差估计值进行模糊度补偿，进而得到初始相位差。

Description

一种天线信号初始相位差、时延和频率差估计装置与方法

技术领域

本发明涉及深空探测领域，特别涉及深空探测器的VLBI(甚长基线干涉测量)轨道测量和天线组阵信号接收中的长基线天线之间的相位差、时延和频率差的估计装置与方法。

背景技术

随着人类深空探测活动的不断拓展，深空远距离的通信对射电望远镜的性能提出了新的需求。而目前由于开发成本的提高和技术的限制，单个天线性能提高已经到了停滞状态，通过大量天线组阵的方法是获得更高天线增益的基本途径。为适应未来我国深空探测的发展需要，同时降低成本，可充分利用现有的远距离的大型射电望远镜进行组阵，以较小的资金投入和较短研制周期实现深空探测通信能力的大幅度提高。

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。由于天线距离遥远(几百或几千公里)，信号到达各天线的延迟受到探测器运动以及地球自转和公转的影响，相对时延变化较快。目前通用的时延和相位差估计是采用VLBI技术中的互相关方法，由于多普勒频移的不同，在进行相关时需要事先进行相位旋转。而当时延和多普勒频移没有足够精度的先验值时，时延和相位差的互相关估计需要进行两维的相关峰搜索——多普勒频移差(对应相位旋转)和时延。所以在信号合成开始时段会需要较长的相关峰搜索时间，这对通信的实时性是非常不利的。

发明内容

为了提高深空探测长基线天线组阵中信号时延、初始相位差和频率差的估计速度，并降低计算量，本发明针对深空探测中最常用的BPSK通信信号提出了一种长基线天线信号初始相位差、时延和频率差的快速估计方法与装置。

根据本发明一方面，其提供了一种天线信号的初始相位差、时延和频率差估计装置，其包括：

载波跟踪模块，其通过载波跟踪获得两路天线信号的同相信号和载波相位；

时延互相关估计模块，其通过互相关计算估计得到两路天线信号之间的时延估计值，并根据所述两路天线信号的同相信号估计得到两路天线信号之间的相位差模糊补偿角度值；

时延调整模块，其根据所述时延估计值对所述载波相位进行时延调整；

相位差分模块，其计算两路天线信号经时延调整后的载波相位差；

频率差和初始相位差估计模块，其根据所述载波相位差计算得到两路天线信号的频率差和初始相位差估计值；

相位差模糊度补偿模块，其根据所述相位差模糊补偿角度对两路天线信号的初始相位差估计值进行模糊度补偿，进而得到两路天线信号的初始相位差。

根据本发明另一方面，其提供了一种天线信号的初始相位差、时延和频率差估计方法，其包括：

通过载波跟踪获得两路天线信号的同相信号和载波相位；

通过互相关计算估计得到两路天线信号之间的时延估计值，并根据所述两路天线信号的同相信号估计得到两路天线信号之间的相位差模糊补偿角度值；

根据所述时延估计值对所述载波相位进行时延调整；

计算两路天线信号经时延调整后的载波相位差；

根据所述载波相位差计算得到两路天线信号的频率差和初始相位差估计值；

根据所述相位差模糊补偿角度对两路天线信号的初始相位差估计值进行模糊度补偿，进而得到两路天线信号的初始相位差。

本发明提出的上述方案将不同位置的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。采样后的天线信号通过载波跟踪实现载波相位的复现，载波相位经时延调整后与参考信号的载波相位进行差分，通过最小二乘估计方法实现频率差和初始相位差的估计，其中初始相位差还需要进行π弧度的相位模糊补偿；天线信号经载波跟踪后的同相信号与参考信号的同相信号进行互相关，实现时延的估计。由于载波跟踪和时延互相关估计都只需要一维搜索，估计速度要比传统的需二维搜索的互相关方法快得多，同时不需要任何的探测器位置、时延或时延率的先验知识。

本发明的有益效果：本发明提出的长基线天线信号初始相位差、时延和频率差的快速估计装置与方法，与传统的估计方法相比，由于载波跟踪和时延互相关估计都只需要一维搜索，估计速度要比传统的需二维搜索的互相关方法快得多，同时不需要任何的探测器位置、时延或时延率的先验知识。本发明的装置和方法也可以直接应用到VLBI轨道测量中，实现探测器位置的快速定位。

附图说明

图1是本发明天线信号初始相位差、时延和频率差估计装置结构示意图；

图2是本发明中载波跟踪模块结构示意图；

图3是本发明中天线信号的初始相位差、时延和频率差估计方法流程图。

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是本发明中天线信号初始相位差、时延和频率差估计装置的示意图。如图1所示，估计装置为图中虚线框内部分，由载波跟踪模块、时延互相关估计模块、时延调整模块、相位差分模块、频率差和初始相位差估计模块和相位差模糊度补偿模块等组成。

图1中所示的其它设备，如天线、低噪声放大器(LNA)、下变频器、滤波器、模数转换器(ADC)等为探测器信号接收和预处理设备。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和模数转换器进行的中频信号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数字天线信号，而前述低噪声放大器、下变频器、滤波器、模数转换器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。

本发明提出的上述估计装置对采样后的两路天线信号分别经载波跟踪模块实现载波相位的复现，载波跟踪模块采用数字科斯塔斯环实现；输出的同相信号经时延互相关模块实现两天线信号的时延估计，同时实现载波相位差π或0弧度的相位模糊估计。复现的载波相位经时延调整模块实现两路载波相位的时间同步，然后经载波相位差分模块获得载波相位的差值，通过频率差和初始相位差估计模块实现频率差和相位差的估计，其中相位差还需要经过相位差模糊度补偿模块实现π或0弧度的相位补偿。其中，频率差和初始相位差估计模块采用经典的最小二乘估计方法实现频率差和相位差的估计。

下面详细介绍各个模块的具体实现过程。

载波跟踪模块，用于利用科斯塔斯环实现两路天线信号的载波跟踪和载波相位估计，即通过载波跟踪获得两路天线信号的同相信号，并分别获取两路天线信号的载波相位。

图2是本发明中载波跟踪模块的结构示意图。如图2所示，所述载波跟踪模块由两个相正交的环路构成，每个环路包括第一乘法器、低通滤波器、第二乘法器、环路滤波器和数字控制振荡器(NCO)，两路环路共用一个环路滤波器和数字控制振荡器(NCO)。所述NCO分别和两路互相正交的环路构成锁相环；NCO分别向两个环路提供互相正交的正弦载波和余弦载波，并分别输出至两个环路中的第一乘法器。所述正、余弦载波与输入的天线信号在各自的环路中进行鉴相，即通过各自环路中的第一乘法器与输入的天线信号进行相乘得到鉴相结果，所述鉴相结果经过低通滤波后分别得到同向、正交信号，所得到的两个信号经第二乘法器相乘以消除相位误差信号中的调制信息；消除了调制信息的相位误差信号经环路滤波器滤波后输出至NCO，用于控制NCO锁定在天线信号的载波频率和相位上。NCO在输出正、余弦载波的同时，还计算获得载波相位并将其输出至时延调整模块。除NCO外，载波跟踪模块中的其它模块均采用通用技术。其中，所述同向信号由天线信号与余弦载波相乘的环路获得，所述正交信号由天线信号与正弦载波相乘的环路获得。

NCO模块由累加器、保持寄存器、cos映射和sin映射模块构成。经环路滤波器滤波的相位误差信号经累加器实现与保持寄存器中数据的累加，获得下一时钟周期载波相位值；所述载波相位经FPGA时钟信号的驱动，存贮到保持寄存器，然后由保持寄存器输出至cos映射和sin映射模块实现cos和sin载波信号的生成，同时载波相位还输出至时延调整模块进行后续的处理。NCO模块中的累加器、保持寄存器、cos映射和sin映射等模块均采用通用技术。

时延互相关估计模块，其用于根据天线信号经载波跟踪后得到的同相信号之间的互相关计算，估计得到两天线信号之间的时延估计值，同时获得两天线信号之间的相位差模糊补偿角度，以实现载波相位差相位模糊的估计；

时延互相关估计模块的具体处理方法描述如下：

首先，计算两天线信号的互相关函数。设天线1和天线2的同相信号分别为s_I1(t)和s_I2(t)，其互相关函数设为R₁₂(τ)，则：

$R_{12}\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{S}_{I1}^{*}\left(t\right)s_{I2}(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

在实际应用中，R₁₂(τ)的计算可采用成熟的时域或频域的快速计算方法，其中，为s_I1(t)的共轭；τ为两路天线信号的时延值。

其次，计算使所述互相关函数绝对值最大时的时延τ值，获得两路信号的时延值，即

τ₁₂＝{τ_m||R₁₂(τ_m)|＝max[|R₁₂(τ)|]}

式中，τ₁₂为两路天线信号的时延估计值。

最后，计算两路天线信号的同相信号的相位差，得到相位差模糊补偿角度，以实现载波相位差的模糊估计。由于科斯塔斯环在进行载波跟踪时会出现π弧度的载波相位模糊现象，而这一模糊现象会导致同相信号的正负反转，在进行两路信号相位差计算时仍会存在π弧度的模糊问题，所以需要通过互相关值的正负判断实现相位模糊的辨识。具体计算方法为

${\mathrm{\&phi;}}_m=\left\{\begin{array}{cc}0,& R_{12}\left({\mathrm{\&tau;}}_{12}\right)\&GreaterEqual;0\\ \mathrm{\&pi;},& R_{12}\left({\mathrm{\&tau;}}_{12}\right)<0\end{array}\right.$

式中，φ_m为相位差模糊补偿角度。

时延调整模块，用于根据时延互相关估计模块计算得到的时延估计值对载波跟踪模块得到的载波相位进行时延调整，从而实现两天线信号载波相位之间的时间同步。

时延调整模块的具体处理方法描述如下：

为实现两天线信号载波相位之间的时间同步，根据时延互相关估计模块的时延估计值，当天线1和天线2的信号时延τ₁₂大于0时，说明天线2接收的信号滞后，需对天线1的载波相位进行延迟；反之，当τ₁₂小于0时，需对天线2的载波相位进行延迟。设天线1和天线2的载波相位分别为和所述载波相位由载波跟踪模块计算得到，则当τ₁₂≥0时，

当τ₁₂＜0时，

式中，和分别为天线1和天线2调整后的载波相位。

相位差分模块，用于计算获得两天线信号载波相位之间的相位差分结果。

相位差分模块的具体处理方法描述如下：

相位差分模块实现两路载波相位的差分，计算方法为：

式中，为载波相位差。

频率差和初始相位差估计模块，用于根据所述相位差分结果，利用最小二乘方法得到两天线信号之间的频率差和初始相位差估计；

频率差和初始相位差估计模块的具体处理方法描述如下：

将载波相位差表示为离散形式其中m为时间点序号，且m＝0，1，2，…，t_m为时间序列。则频率差和初始相位差的最小二乘估计为：

$\hat{x}={\left(A^{T}A\right)}^{-1}{A}^{T}b$

式中，为带辨识的参数向量，A为系数矩阵，b为载波相位差观测向量，且

$A=\left[\begin{array}{cc}2\mathrm{\&pi;}(t_1-t_0)& 1\\ 2\mathrm{\&pi;}(t_2-t_0)& 1\\ .& \\ .& 1\\ .& \\ 2\mathrm{\&pi;}(t_m-t_0)& 1\end{array}\right]$

式中，Δf为两路天线信号频率差辨识值，为两路天线信号初始相位差辨识值。

相位差模糊度补偿模块，用于根据时延互相关估计模块得到的相位差模糊补偿角度对频率差和初始相位差估计模块得到的初始相位差进行π弧度模糊度的补偿。

相位差模糊度补偿模块的具体处理方法描述如下：

由于载波跟踪模块复现的载波相位存在模糊问题，导致两信号的初始相位差同样存在π弧度的相位模糊，需要对其进行补偿获得最终的初始相位差。具体计算公式为

式中，φ_m为载波跟踪模块或得到相位模糊补偿角度，为由频率差和初始相位差估计模块获得的模糊度补偿前的两路天线信号初始相位差，为模糊度补偿后的两路天线信号初始相位差。

图3示出了本发明提出的一种长基线天线信号初始相位差、时延和频率差的快速估计方法，该方法用于对远距离天线信号间的初始相位差、时延和频率差进行估计，该方法包括步骤：

步骤1：利用科斯塔斯环实现两路天线信号的载波跟踪和载波相位复现，即通过载波跟踪获得两路天线信号的同相信号，并分别获取两路天线信号的载波相位；

步骤2：用于根据天线信号经载波跟踪后得到的同相信号之间的互相关计算，估计得到两天线信号之间的时延估计值，同时获得两天线信号之间的相位差模糊补偿角度；

步骤3：用于根据所述时延估计值对所述载波相位进行时延调整，从而实现两天线信号载波相位之间的时间同步；

步骤4：用于计算获得两天线信号载波相位之间的相位差分结果；

步骤5：用于根据所述相位差分结果，利用最小二乘方法得到两天线信号之间的频率差和初始相位差估计值；

步骤6：用于根据所述相位差模糊补偿角度对初始相位差估计值进行π弧度模糊度的补偿。

上述方法是由本发明提出的上述估计装置实现，具体实现细节在介绍上述估计装置的各个模块时已详细描述，在此不再赘述。

本发明提出的长基线天线信号初始相位差、时延和频率差的快速估计装置与方法，与传统的估计装置和方法相比，由于载波跟踪和时延互相关估计都只需要一维搜索，估计速度要比传统的需二维搜索的互相关方法快得多，同时不需要任何的探测器位置、时延或时延率的先验知识。本发明的装置和方法也可以直接应用到VLBI轨道测量中，实现探测器位置的快速定位。

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 (10)

1.一种天线信号的初始相位差、时延和频率差估计装置，其包括：

载波跟踪模块，其通过载波跟踪获得两路天线信号的同相信号和载波相位；

时延互相关估计模块，其通过互相关计算估计得到两路天线信号之间的时延估计值，并根据所述两路天线信号的同相信号估计得到两路天线信号之间的相位差模糊补偿角度值；

时延调整模块，其根据所述时延估计值对所述载波相位进行时延调整；

相位差分模块，其计算两路天线信号经时延调整后的载波相位差；

频率差和初始相位差估计模块，其根据所述载波相位差计算得到两路天线信号的频率差和初始相位差估计值；

相位差模糊度补偿模块，其根据所述相位差模糊补偿角度对两路天线信号的初始相位差估计值进行模糊度补偿，进而得到两路天线信号的初始相位差。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述载波跟踪模块包括两个第一乘法器、两个低通滤波器、一个第二乘法器、环路滤波器和数字控制振荡器，其中所述两个第一乘法器和低通滤波器分别与第二乘法器、环路滤波器和数字控制振荡器形成两个锁相环路：数字控制振荡器分别向两路锁相环输出正、余弦载波，天线信号经第一乘法器与所述正、余弦载波相乘后得到两个鉴相结果，所述两个鉴相结果分别经两个低通滤波器滤波后输出两路基带信号，其中经余弦载波鉴相得到的基带信号为同相信号，所述两路基带信号经第二乘法器消除相位误差信号中的数字信息，得到的相位误差信号经环路滤波器滤波后输出至数字控制振荡器，以控制数字振荡器锁定在天线信号的载波频率和相位上，所述数字控制振荡器还通过将环路滤波器滤波后的相位差信号经累加器与上一时钟周期的载波相位累加后得到当前时钟周期的载波相位并输出。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述时延互相关估计模块通过如下方式计算得到两路天线信号之间的时延估计值：首先根据两路天线信号的同相信号建立互相关函数，获取使得互相关函数绝对值最大时的时延，作为两路天线信号的时延估计值。

4.如权利要求3所述的装置，其中，互相关函数如下所示：

$R_{12}\left(\mathrm{\&tau;}\right)={\&Integral;}_{-\&infin;}^{+\&infin;}{S}_{I1}^{*}\left(t\right)s_{I2}(t+\mathrm{\&tau;})\mathrm{dt}$

其中，R₁₂(τ)为两路天线信号的互相关函数，s_I1(t)和s_I2(t)分别为两路天线信号的同步信号，τ为两路天线信号之间的时延值。

5.如权利要求如权利要求3-4任一项所述的装置，其中，所述时延互相关估计模块如下计算得到相位差模糊补偿角度值：当两路天线信号之间的互相关绝对值最大时对应的互相关值大于等于0时，相位差模糊补偿角度值为0，小于0时，相位差模糊补偿角度值为π。

6.如权利要求1所述的装置，其中，时延调整模块如下调整载波相位的时延：

当τ₁₂≥0时，

当τ₁₂＜0时，

其中，τ₁₂为两路天线信号之间的时延估计值，和为两路天线信号的载波相位，和分别为两路天线调整后的载波相位。

7.如权利要求1所述的装置，其中，频率差和初始相位差估计模块如下计算得到两路天线信号的频率差和初始相位差估计值：

$\hat{x}={\left(A^{T}A\right)}^{-1}{A}^{T}b$

$A=\left[\begin{array}{cc}2\mathrm{\&pi;}(t_1-t_0)& 1\\ 2\mathrm{\&pi;}(t_2-t_0)& 1\\ .& \\ .& 1\\ .& \\ 2\mathrm{\&pi;}(t_m-t_0)& 1\end{array}\right]$

其中，为载波相位差的离散化形式，其中，m为时间点序号，且m＝0，1，2，…，t_m为时间序列；为带辨识的参数向量，A为系数矩阵，b为载波相位差观测向量，Δf为两路天线信号频率差估计值，为两路天线信号的初始相位差估计值。

8.如权利要求1所述的装置，其中，所述相位差模糊度补偿模块通过所述初始相位差估计值加上相位模糊补偿角度得到两路天线信号的最终初始相位差。

9.如权利要求2所述的装置，其中，所述数字控制振荡器包括：累加器、保持寄存器、正弦映射模块和余弦映射模块；其中累加器用于将经环路滤波器滤波后的相位差信号与保持寄存器中上一时钟周期的载波相位累加后得到当前时钟周期的载波相位，所述当前时钟周期的载波相位经时钟信号驱动存储至保持寄存器，然后由保持寄存器将其输出正弦映射模块和余弦映射模块，同时还输出至时延调整模块；正弦映射模块和余弦映射模块根据所述载波相位生成正弦、余弦载波信号后分别输出至所述两个第一乘法器。

10.一种天线信号的初始相位差、时延和频率差估计方法，其包括：

通过载波跟踪获得两路天线信号的同相信号和载波相位；

通过互相关计算估计得到两路天线信号之间的时延估计值，并根据所述两路天线信号的同相信号估计得到两路天线信号之间的相位差模糊补偿角度值；

根据所述时延估计值对所述载波相位进行时延调整；

计算两路天线信号经时延调整后的载波相位差；

根据所述载波相位差计算得到两路天线信号的频率差和初始相位差估计值；

根据所述相位差模糊补偿角度对两路天线信号的初始相位差估计值进行模糊度补偿，进而得到两路天线信号的初始相位差。