CN104168017A - 匀速运动无线系统间的相位同步系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种匀速运动无线系统间的相位同步系统。包括主单元和从单元；主单元包括三个信号源、上变频器、两个下变频器、合路器和二分频器；从单元包括分路器、上变频器、二分频器和微分锁相环。主单元向从单元发射信号，并接收从单元的反馈信号，对反馈信号中与运动状态相关的相位信息进行处理；从单元接收主单元的发射信号，从中分离出两路信号进行上变频，得到的信号一部分进行二分频后发射回主单元，另一部分作为微分锁相环的输入，消除主从单元间匀速运动引起的相位累积，实现主单元和从单元之间存在相对匀速运动情况下，从单元的输出信号与主单元的基准信号保持同步。本发明可用于波束成形、精确测距、卫星同步通信等研究应用领域。

Description

匀速运动无线系统间的相位同步系统

技术领域

本发明涉及无线传输系统，尤其是涉及一种匀速运动无线系统间的相位同步系统。

背景技术

在多基地射频和微波系统中，相位同步是一个关键且具有挑战性的技术，尤其是当远程系统之间存在相对运动的情况。相位同步，或称相位相干，被定义为一个状态的两个信号保持彼此之间固定的相位关系，这是现代高性能雷达系统的关键技术之一。通过使发射的雷达信号都定义为单一的参考频率基准，相干雷达就可以从强背景散射中鉴别运动目标。在合成孔径雷达(SAR)遥感应用中，同步技术尤为重要，相位信息被广泛地用来获得高距离分辨率和良好的噪声性能。

最近几年，多基地SAR系统引起了微波工程领域的研究热潮。多基地SAR系统是由两个(BiSAR)或更多(MultiSAR)空间独立的单基地雷达组成，与单基地雷达系统相比，多基地SAR系统呈现了许多优异性能，如同时进行多视图检测，相当大的合成孔径，前向成像，灵活且经济的系统构建。然而，为了实现这样的优势，相比单基地雷达，多基地雷达系统要求远程系统之间严格的相位同步，以无线方式实现这些单基地雷达之间的远程相位同步是多基地雷达系统实际应用之前必须解决的最具挑战性的技术问题之一。

到目前为止，已有针对远程微波系统间建立相位同步的研究。包括适合线性阵列的相位稳定系统，级联远程锁相环(RPLLs)。另外，一些实验研究结果表明，两个远程微波系统之间可以有效地实现相位同步，这些远程系统诸如射电天文望远镜，平方公里阵列(SKA)，精密的测距系统，分布式孔径合成系统和相控阵，以及无线传感器网络。然而，现存的所有相位同步方法只适用于静止的多站系统。由于多基地SAR雷达主要应用于空天和卫星中，在具有相位移动的微波系统之间建立远程相位同步就显得尤为关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种匀速运动无线系统间的相位同步系统，该系统中的空间分布单元之间在相互之间存在相对匀速运动的情况下，各单元输出的基准频率信号之间保持同步。匀速运动无线系统间的相位同步系统

本发明采用的技术方案是：

系统包括主单元和从单元；其中：

主单元：包括参考信号源，基准频率源，辅助参考信号源，主单元第一下变频器，主单元上变频器，合路器，主单元二分频器，主单元第二下变频器；参考信号源与合路器的第一输入端连接，基准频率源与主单元下变频器的第一输入端连接，主单元下变频器的输出端分为两路，一路接主单元合路器的第二个输入端，另一路接主单元二分频器的输入端，合路器的输出端与主单元发射天线相连，主单元二分频器的输出端与主单元第二下变频器的第一个输入端连接，主单元第二下变频器的第二个输入端与主单元接收天线连接，主单元第二下变频器的输出端与主单元上变频器的第一个输入端连接，主单元上变频器的另一个输入端与辅助参考信号源连接，上变频器的输出端与主单元第一下变频器的第二个输入端连接；

从单元：包括分路器，从单元上变频器，从单元二分频器，微分锁相环，合成信号源；接收天线与分路器的输入端连接，分路器的第一输出端和第二输出端，分别与从单元上变频器的第一输入端和第二输入端连接，从单元上变频器有两个输出端，第一个输出端经从单元二分频器与从单元发射天线连接，第二个输出端与微分锁相环的输入端连接，微分锁相环的输出端为从单元的合成信号源。

所述主单元二分频器和从单元二分频器由Analog Devices公司的ADF4360系列芯片搭建。

所述微分锁相环：包括鉴相器、环路滤波器、微分器和压控振荡源级联组成的负反馈相位环路。

本发明具有的有益效果是：

本发明中单元间通信收发不同频率，实现了信道隔离，减小了主从单元间传输信号间的干扰，提高系统稳定性和精确度。当单元间存在相对匀速运动时，从单元中微分锁相环能消除由于匀速运动而不断积累的相位误差，实现从单元的输出信号与主单元的基准频率源频率相同相位同步。本发明体积小，重量轻，具有便于携带安装的特点。可用于波束成形、精确测距、卫星同步通信等研究应用领域。

附图说明

图1是本发明实现的原理框图。

图2是二分频器原理图。

图3是上下变频器原理图。

图4是合路器原理图。

图5是分路器原理图。

图6是微分锁相环的原理图。

图7是微分锁相环中微分器的原理图。

图8是系统不包含微分锁相环模块的相位域模型图。

图中：1、参考信号源，2、基准频率源，3、辅助参考信号源，4、主单元下变频器，5、主单元上变频器，6、合路器，7、主单元二分频器，8、主单元下变频器，9、分路器，10、从单元上变频器，11、从单元二分频器，12、微分锁相环，13、合成信号源。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明系统包括主单元和从单元；其中：

在主单元中，有三组不同频率的信号源，参考信号源1，基准频率源2，辅助参考信号源3；参考信号源1作为合路器6的其中一个输入，基准频率源2接入下变频器4的一个输入端，下变频器4的输出端分为两路，一路接合路器6的另一个输入端，另一路接二分频器7的输入端；合路器6的输出端与主单元发射天线相连；二分频器7的输出端接入另一下变频器8的一个输入端，另一下变频器8的另一个输入端与主单元接收天线相连，另一下变频器8的输出端接入上变频器5的一个输入端，上变频器5的另一个输入端接辅助参考信号源3，上变频器5的输出端接入下变频器4的另一个输入端。

在从单元中，从单元接收天线与分路器9的输入端相连，分路器9有两个输出端，分别接入另一上变频器10的两个输入端；另一上变频器10有两个输出端，输出信号相同，其中一个接入另一个二分频器11的输入端，另一个接入微分锁相环12的输入端；另一个二分频器11的输出端与从单元发射天线相连；微分锁相环12的输出作为从单元的合成信号源13。

主单元通过合路器6向从单元发射两个不同频率信号，从单元通过分路器9分离出这两个不同信号，经从单元上变频10后得到与主单元基准频率信号同频不同相的信号，并将此信号经从单元二分频11后反馈发射回主单元；在主单元通过对接收到的从单元的反馈信号进行一系列的变频处理补偿掉因传输距离引起的相位误差，从而使得从单元上变频器10输出信号的相位与主、从两单元间的传输距离无关；当主、从两单元间存在相对匀速运动时，从单元上变频器10输出信号的相位会随时间线性变化，产生线性的相位积累，该信号经微分锁相环12后，线性相位积累即被消除，从而实现从单元输出的合成信号13与主单元的基准频率源频率相同相位同步。

如图2所示，主单元二分频器7和从单元二分频器11由Analog Devices公司的ADF4360系列芯片选用锁相环芯片搭建。

如图3所示，主单元上变频器5、从单元上变频器10和主单元第一个下变频器4、主单元第二个下变频器8均由MINICIRCUITS公司的ADE-11X芯片及其外围电容电感等元件搭建。

如图4所示，合路器6选用MINICIRCUITS公司的ADP-2-10-75M+芯片。主单元合路器6将主单元不同频率的信号合成一路发射。

如图5所示，分路器9选用MINICIRCUITS公司的ADP-2-10-75M+芯片。分路器9将从单元接收的混合信号分离出两路不同频率信号。

如图6所示，微分锁相环12是由鉴相器、环路滤波器、微分器、压控振荡源级联组成的负反馈相位环路。鉴相器选用Analog Devices公司的AD9901芯片、环路滤波器采用二阶无源RC滤波网络，压控振荡源选用MAXIM公司的MAX038芯片。

如图7所示，微分锁相环12中的微分器由数字方式实现，由ADC(模数转换模块)、DSP(数字信号处理模块)、DAC(数模转换模块)级联组成。

如图8所示，系统相位域模型中为主单元基准频率源相位域模型，为从单元输出信号相位域模型，τ为因传输距离L引起的时间延迟，τ′(s)为因传输距离变化或运动状态变化引起的相位干扰，H_Div(s)为二分频模块。

本发明的具体运行方案：

如图1所示，在主单元，参考信号源1、基准频率源2、辅助信号参考信号源3分别为：基准频率源2首先与下变频器4的另一输入信号进行下变频到一个较低的频率，寄为然后与参考信号源1经合路器6一同发送到从单元。从单元接收到混合信号后经分路器9分离出两个不同频率的信号，再将这两信号进行混频，得到 其中和为由于传输距离L引起的相位延迟，c为电磁波的空间传播速度，然后将此和频信号二分频得到 后发送回主单元。这种情况下，在主从单元间传送三个频率信号，即为ω₁、ω′和(ω₁+ω′)/2，从而解决了信道隔离问题。

主单元接收到从单元的信号该信号与信号混频后为该信号的相位和距离L有关，然后进一步与辅助参考信号3进行混频得到输出最后与基准频率源混频，得到信号从而且ω′＝ω-ω₁，将和ω′＝ω-ω₁代入从单元上变频器的输出端信号 即得到从单元上变频器的输出为此即为主单元的基准频率源。

如图8所示，当主从单元间存在相对匀速运动时，运动信息将包含在τ′(s)中。系统的误差传递函数为：

其中系统相位差e^-τs为时间延迟τ的拉普拉斯变换，τ′(s)＝1/s，表示两单元间存在相对匀速运动，则根据终值定理，得到稳态误差为：

当有一个恒定速度时，传播距离线性变化，因距离而引起的时间延迟τ也会随时间线性变化，然而，因为e^-τs总是收敛于1，所以上式也总是收敛的。

由(2)式可知，当主从单元间存在相对匀速运动时，从单元上变频器10的稳态输出信号相位随时间线性变化，即k是与运动速率有关的定值。该信号接入微分锁相环后，锁相环中环路滤波器的输出是随时间线性变化的电平，再经过微分器，微分器的输出即为与相对匀速运动速率相关的常值，该常值控制压控振荡源的输出频率及相位保持不变。这样即使主从单元间存在相对匀速运动，从单元输出的合成信号仍然能与主单元基准频率源保持同步。

Claims (3)

1.一种匀速运动无线系统间的相位同步系统，其特征在于：系统包括主单元和从单元；其中：

主单元：包括参考信号源（1），基准频率源（2），辅助参考信号源（3），主单元第一下变频器（4），主单元上变频器（5），合路器（6），主单元二分频器（7），主单元第二下变频器（8）；参考信号源（1）与合路器（6）的第一输入端连接，基准频率源（2）与主单元下变频器（4）的第一输入端连接，主单元下变频器（4）的输出端分为两路，一路接主单元合路器（6）的第二个输入端，另一路接主单元二分频器（7）的输入端，合路器（6）的输出端与主单元发射天线相连，主单元二分频器（7）的输出端与主单元第二下变频器（8）的第一个输入端连接，主单元第二下变频器（8）的第二个输入端与主单元接收天线连接，主单元第二下变频器（8）的输出端与主单元上变频器（5）的第一个输入端连接，主单元上变频器（5）的另一个输入端与辅助参考信号源（3）连接，上变频器（5）的输出端与主单元第一下变频器（4）的第二个输入端连接；

从单元：包括分路器（9），从单元上变频器（10），从单元二分频器（11），微分锁相环（12），合成信号源（13）；接收天线与分路器（9）的输入端连接，分路器（9）的第一输出端和第二输出端，分别与从单元上变频器（10）的第一输入端和第二输入端连接，从单元上变频器（10）有两个输出端，第一个输出端经从单元二分频器（11）与从单元发射天线连接，第二个输出端与微分锁相环（12）的输入端连接，微分锁相环（12）的输出端为从单元的合成信号源（13）。

2.根据权利要求1所述的一种匀速运动无线系统间的相位同步系统，其特征在于：所述主单元二分频器（7）和从单元二分频器（11）由Analog Devices公司的ADF4360系列芯片搭建。

3.根据权利要求1所述的一种匀速运动无线系统间的相位同步系统，其特征在于：所述微分锁相环（12）：包括鉴相器、环路滤波器、微分器和压控振荡源级联组成的负反馈相位环路。