CN104954060A

CN104954060A - 天线组阵宽带信号频域全频谱相关合成系统

Info

Publication number: CN104954060A
Application number: CN201510262395.7A
Authority: CN
Inventors: 冯林高; 徐茂格; 赵卫东; 刘云阁
Original assignee: CETC 10 Research Institute
Current assignee: CETC 10 Research Institute
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2015-09-30

Abstract

本发明提出的一种天线组阵宽带信号频域全频谱相关合成系统，旨在提供一种基于频域、节约硬件计算资源、克服相位模糊的组阵系统。本发明通过下述技术方案予以实现：A/D模块对输入的宽带中频模拟信号进行采样，得到的数字中频信号经过延时模块并根据相关合成模块反馈的N个天线信号时延估计值进行采样时钟整周期延时后，再经过数字下变频DDC模块变频，然后经过分析模块多相分解得到M个均匀频域区间的降速率窄带支路，再经过相关合成模块进行多相相关、时延估计和反馈、分数时延修正、多相合成，再经过综合模块多相综合，最后经过数字上变频DUC模块和D/A模块输出到解调接收机。本发明通过整数倍采样时钟延时和分数延时补偿解决了相位模糊问题。

Description

天线组阵宽带信号频域全频谱相关合成系统

技术领域

本发明涉及一种天线组阵宽带信号频域全频谱相关合成系统。

背景技术

近年来，天线组阵技术随着人类探索外层空间的历程而逐步发展。美国喷气推进实验室(JPL)针对深空网(DSN)的应用环境,对天线组阵技术进行了大量的研究工作，早期主要是为了解决紧急情况下航天器对地面站信息的顺利传输，尽可能多地接收遥远突发数据的环境。随着对外太空探索的深入，随着深空航天器离地面越来越远，其送回地面的信号变得越来越弱，使得单个天线接收信号的信噪比(SNR)也就越来越低。未来深空测控与通信系统的建设与发展面临着三个紧迫的难题:探测距离的增加和深空传输数据量的持续增长,要求地面系统的传输能力不断提高；建设更大天线的技术风险与成本控制；多个深空航天器同时测控的要求。如果还是应用单个大天线做目标探测,就要求天线的口径很大，这不仅使技术难度提高很大,而且成本也增加很多。现有的大天线技术已达到性能极限，利用天线组阵技术对来自几个天线的信号进行合成，已成为提高接收信噪比的最有效方法之一。作为支持深空探测的一种灵活的技术手段，天线组阵技术的应用条件并不苛刻，可用于任何信号调制方式，能够解决现有测控通信系统性能瓶颈问题。

随着人类进人深空探测时代，微弱信号的接收成为航天测控领域的主要技术难题之一。提高微弱信号接收信噪比的一个直接的方法是制造物理口径更大的天线，而更为有效可行的方法则是天线组阵。天线组阵是将许多小口径天线组成天线阵列，接收来自同一航天器(深空探测器)发送的的信号，并将各个天线的接收信号合成为高信噪比接收信号。由于电磁波在大气层中传播存在相位扰动，在不同地点的各阵元接收信号之间存在着时延差和相位差。由于无线电波的传播方式包括直射、反射、折射、散射，导致信号可能经过多条路径到达接收端，且每路信号分量的幅度、相位和时延都不相同，因此多路信号分量叠加时会出现同相增加，异相减少的现象，在接收端多个信号分量叠加时，同相叠加会使信号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号的幅度。这样，接收信号的幅度将会发生急剧变化，从而产生衰落。同时传输信道很容易受到环境因素的影响，如地形、气温、空气湿度都可能对传播信号造成影响，从而影响信号的接收质量。深空航天器发回的信号虽然十分微弱，但波束覆盖区域广，因此可以利用位于同一地域不同位置的多个天线组成天线阵列，接收来自同一信源的信号，利用信号的相干性和噪声的不相关性，将各个天线接收的信号进行加权同相位合成，获得所需的高信噪比，使得接收系统的作用距离增加，相当于增大了天线的口径。所有天线构成的天线系统称为天线阵，而其中的每个天线称为阵元。目前我国的天线组阵技术方面还处在实验理论阶段，将天线组阵应用于高速率深空通信具有大量的技术难题，尤其是在宽带信号合成领域，高精度时延差和相位差估计补偿和天线阵的相关合成算法是天线组阵技术的核心问题。

天线组阵系统一般有以下几种方案：全频谱合成(FSC)、复符号合成(CSC)、符号流合成(SSC)、基带合成(BC)和载波组阵(SA)。其中全频谱合成是在中频对各阵元信号进行对齐并合成；复符号合成是对各阵元信号下变频到基带后各自部分解调得到的复符号对齐合成；符号流合成是各阵元通过各自的载波和副载波跟踪锁定后解调得到的实符号对齐合成；基带合成是各阵元都锁定到载波信号后，对包含副载波上数据的基带信号对齐合成；载波组阵是各阵元的载波跟踪环配对一起使用得到基带信号后对齐合成。其中以全频谱合成方案性能最优，能够适应在单天线阵元不能跟踪锁定到深空微弱信号的环境。天线组阵系统的合成效果取决于合成前的相关处理及时延相位补偿精度，全频谱合成(FSC)中常用的相关方法有3种：第一种是Simple算法，该算法选择信噪比最高的天线作为参考，其余的天线信号与之进行相关；第二种是Sumple算法，该算法将一个天线信号外其余天线的总和作为参考进行相关；第三种是Eigen算法，该算法基于本征值和本征矢量，通过求其最大特征值及其特征矢量使其输出功率或输出信干比最大，比较有代表性的一种是基于输出功率最大合成准则的Matri-Free Power Method，其原理和sumple算法类似，只是用作相关的参考信号为所有天线信号的总和。

在常规的全频谱合成(FSC)方案中，常规有以下两种方法可以实现：一是在时间域进行各个阵元宽带信号经过波束分离得到更窄带宽的子带信号，每个子带通过粗时延调整和相位修正后的各阵元子带对齐信号进行波束形成得到合成后的信号，同时还需要一个独立的宽带相关器进行宽带相关，得到相位各个通道的时延和相位修正值；二是在频域内把信号分解进入不同的频率子带，通过对应子带相关分析每个子带的延时和相位信息，各个子带独立的进行频域合成后，把各个合成后的子带恢复成原始带宽的时域信号。以Sumple为例，假设有N个天线阵元，对于时域的方法需要N的数量级的复数乘法器来实现，且需要为每一个时域中频信号提供一个单独的宽带相关器，对于频域的方法，不需要独立的宽带相关器，但是需要N²/2数量级的复数乘法器。频域方法提高了宽带信号带宽资源的利用灵活性，但同时也增加了软件设计的复杂性和硬件资源。由于未来对深空探测需求不断提高，为实现更高的传输速率，更远的传输距离，设计的天线组阵系统需要考虑更宽信号带宽的组阵和更多数目天线阵元的组阵，同时需要兼顾系统实现的复杂度。因此，如何设计组阵合成方案和相关方法是系统设计的关键。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有天线组阵全频谱合成系统中存在的问题，基于频域的方法，提供一种能够节约硬件计算资源，克服相位模糊的天线组阵宽带信号全频谱相关合成系统。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种天线组阵宽带信号全频谱相关合成系统，包括：模数转换A/D模块、延时模块、数字下变频DDC模块、分析模块、相关合成模块、综合模块、数字上变频DUC模块和数模转换D/A模块，其特征在于：A/D模块对输入的N个天线阵元的宽带中频模拟信号进行采样，将变为数字中频信号送入延时模块，延时模块根据相关合成模块反馈的N个天线信号时延估计值进行延时，将时钟整周期的延时调整后的数据信号送到上述DDC模块进行数字下变频，再将N个天线的宽带基带零中频复信号送入分析模块，分析模块用M个L阶的多相分析滤波器组对宽带时域信号进行多相滤波和傅里叶变换FFT，将N个天线阵元的宽带零中频复信号进行多相分解，把每个阵元信号分解为M个均匀频域区间的降速率窄带支路后，再将各个天线阵元对应窄带支路复信号送到相关合成模块，相关合成模块通过它设置的分数延时单元(1)、延时相位估计和反馈单元6、积分时间控制单元7、算法选择控制单元2、参考信号生成单元3和多相相关单元4进行自适应延时补偿，其中，算法选择控制单元2、参考信号生成单元3通过设置切换产生天线组阵Simple算法、Sumple算法、Matrix-Free Power Method算法对应的相关参考信号，N个多相相关单元4把N个天线阵元信号与相关参考信号进行相关，延时相位估计和反馈单元6和积分时间控制单元7设置合适的相关积分时间，并根据多相相关单元4结果计算出整数倍采样时钟时延和小数倍采样钟时延，反馈到延时模块和分数延时单元1进行时延补偿，其中，M为宽带信号被分解成多相支路的个数，L为子多相支路子滤波器阶数，N为自然数。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明利用可重构多相分析综合滤波器组的特点以及组阵相关算法需要，将天线阵元的高速宽带信号分解为多个均匀频域区间的降速率窄带支路，再对各个天线阵元对应窄带支路进行相关和延时估计和补偿，通过相关合成模块的分数延时单元1、延时相位估计和反馈单元(6)、积分时间控制单元7、算法选择控制单元2、参考信号生成单元3、多相相关单元4进行自适应延时补偿。通过延时模块的整数倍采样时钟延时补偿和分数延时单元1的分数延时补偿能够克服相位模糊问题，保证了时延补偿的正确性和组阵的效率。

本发明采用数字下变频(DDC)、延时补偿、分析、相位修正、相关、合成、综合、数字上变频(DUC)一体化信号处理结构，能够时分复用硬件资源，结构高效合理。对多相分析综合滤波以及多个窄带支路的信号处理都可以采用时分复用的方式用一个高速的处理时钟来分时处理多个降速后的支路，节约了硬件计算资源。

本发明兼容常规相关算法，设置相关合成模块的算法选择控制单元2和参考信号生成单元(3)控制切换产生Simple、Sumple、Matrix-Free Power Method算法对应的相关参考信号，再通过多相相关单元4和每一个阵元信号进行相关，从而实现Simple、Sumple、Matrix-FreePower Method算法。

具有通用性，本发明可根据不同天线阵元数量、信号带宽、作用距离合理设计分析综合滤波器、相关算法和相关积分时间以适应天线组阵的需要。可根据不同天线阵元数量调整模数转换A/D模块、延时模块、数字下变频DDC模块、分析模块、相关合成模块的规模，可根据信号带宽设计多相分析和多相综合滤波器组调整划分阵元的窄带支路带宽和个数，可根据作用距离不同阵元信噪比不同调整相关积分时间。

附图说明

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

图1是本发明宽带天线组阵全频谱相关合成系统示意图。

图2是图1中分析模块和综合模块原理框图。

图3是图1分析模块和综合模块高效多相滤波硬件计算资源实现结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明进一步说明。

参阅图1～图3。在以下描述的实施例中，天线组阵宽带信号全频谱相关合成系统，包括模数转换A/D模块、延时模块、数字下变频DDC模块、分析模块、相关合成模块、综合模块、数字上变频DUC模块和数模转换D/A模块。图1所示A/D模块对输入的N个天线阵元的宽带中频模拟信号进行采样，变为数字中频信号，并送到延时模块。延时模块根据相关合成模块反馈的N个天线信号时延估计值进行采样时钟整周期的延时调整，并将调整后的数据送到DDC模块。DDC模块对N个天线延时调整后信号进行数字下变频，得到N个天线的宽带基带零中频复信号，并将其送到分析模块。分析模块使用多相滤波和傅立叶变换FFT将N个天线的宽带零中频复信号进行多相分解，将每一个宽带的时域信号划分为M个带宽为原信号1/M均匀频率区间的支路，并将N个天线的M个支路复信号送到相关合成模块。相关合成模块通过它设置的分数延时单元1、延时相位估计和反馈单元6、积分时间控制单元7、算法选择控制单元2、参考信号生成单元3、多相相关单元4进行自适应延时补偿，其中算法选择控制单元2、参考信号生成单元3可以通过设置切换产生Simple、Sumple、Matrix-Free Power Method算法对应的相关参考信号，Simple算法中每个天线阵元的参考信号是根据需求选择其中一个天线阵元的信号作为参考，Sumple算法中每个天线阵元的参考信号是通过对每个天线阵元以外的其他信号相加得到，在Matrix-Free PowerMethod算法中，每个天线阵元的参考信号是将所有N个天线阵元信号相加后的信号。N个多相相关单元4把N个天线阵元信号与对应参考信号进行相关，相关结果送到延时相位估计和反馈单元6，延时相位估计和反馈单元6和积分时间控制单元7设置合适的相关积分时间，并根据多相相关单元4结果计算出整数倍采样时钟时延和小数倍采样钟时延，并反馈到延时模块和分数延时单元1进行时延补偿。补偿后的N个阵元M个相同支路复信号送到M个多相合成单元5，每个多相合成单元5将N个分数延时单元1输出的同相支路对应相加合成，输出M个合成后的支路窄带信号到综合模块。综合模块对M个支路进行傅立叶反变换IFFT，再经过综合滤波器组重构出宽带零中频时域信号并送到DUC模块，DUC模块将合成后的宽带时域信号宽带零中频时域信号进行上变频，把得到的中频数字信号送到D/A模块，D/A模块对中频数字信号进行数模转换并输出到解调接收机。

在图2所示的分析模块和综合模块中，送到分析模块的宽带零中频复信号经过M个L阶的多相分析滤波器组和傅立叶变换FFT得到M个带宽为原信号1/M均匀频率区间的支路。综合模块实现的流程为分析模块的逆过程，送到综合模块的M个支路窄带信号经过傅立叶反变换IFFT，再经过M个L阶的多相综合滤波器组重构出宽带零中频时域信号。M个L阶的滤波器组是由一个M×L阶的原型滤波器分解得到，M表示宽带信号被分解成多相支路的个数，L表示子多相支路子滤波器阶数。通过设计分析综合原型滤波器的系数可实现宽带信号的重构。假设输入信号为x(n),设计的原型多相分析滤波器的传输函数为P(n)，原型多相综合滤波器的传输函数为q(n)，n表示基于采样时钟频率的采样点，m表示多相滤波各支路基于采样时钟频率1/M的采样点。多相分析滤波器组的各个子滤波器的传输函数分别为P₀(m)、P₁(m)……P_M-1(m)，多相综合滤波器组的各个子滤波器的传输函数分别为q₀(m)、q₁(m)……q_M-1(m)。

参阅图3。在天线组阵全频谱合成系统处理芯片时钟速率能够支持的条件下，由于各个支路的信息速率只有采样时钟的1/M，可以采用时分复用硬件计算资源的方式高效实现分析模块和综合模块多相滤波。假设多相滤波设计为M个N阶的子滤波器组，一共M个支路，每个支路子滤波器都有N个系数，原型滤波器系数假设为h[0]、h[1]……h[MN-1],其中支路1子滤波器的N个系数为h[0]、h[1]……h[N-1]，支路2子滤波器的N个系数为h[N]、h[N+1]……h[2N-1]，依次类推，支路M子滤波器的N个系数为h[(M-1)N]、h[(M-1)N+1]……h[MN-1]。M个支路中的分析模块和综合模块多相滤波硬件计算资源实现时利用一个时分控制逻辑，每个支路的滤波可以共用一个子滤波器的乘法器和加法器计算资源，从而能够节省硬件计算资源实现多相滤波。

假设天线阵元数目为N，天线阵经过下行信道输出带宽为W Mhz、中心频点为FMhz的中频信号，天线组阵宽带信号全频谱相关合成系统采样和芯片处理时钟为K Mhz,由M×L阶的原形滤波器分解得到M个L阶的多相分析综合滤波器组。A/D模块用K Mhz采样时钟对输入的N个天线阵元的带宽为W Mhz、中心频点为F Mhz的中频模拟信号进行采样，变为数字中频信号，并送到延时模块，采样时钟的选取满足采样定理。延时模块根据相关合成模块反馈的N个天线信号时延估计值进行K Mhz采样时钟整周期的延时调整，并将调整后的数据送到DDC模块。例如整数采样时钟周期时延估计值10us，采样时钟速率100Mhz，需要延时时钟周期数为10^-5×10⁸＝1000。DDC模块在对N个天线延时调整后信号进行数字下变频时，乘以一个频率为F Mhz的数字复信号本振，得到N个天线的宽带基带零中频复信号。积分时间和相关信噪比成线性关系，要保证相关后延时估计值比较准确，需要保证足够的积分时间，而积分时间太多又不能够适应延时变化的动态，需要根据实际情况进行计算和控制，一般选取保证积分信噪比的最少积分时间即能够适应最大的延时动态，假设最佳积分时间为1ms，相关支路速率2Mhz，则需要累积的相关数据点数为：10e^-3×2e⁶＝2000。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明中，天线阵元数目、信号带宽和中心频点、延时估计值、延时时钟周期、多相分析综合滤波器设计、多相支路数目、积分时间等只是用于帮助理解本发明的方法及系统；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书实施例的内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种天线组阵宽带信号全频谱相关合成系统，包括：模数转换A/D模块、延时模块、数字下变频DDC模块、分析模块、相关合成模块、综合模块、数字上变频DUC模块和数模转换D/A模块，其特征在于：A/D模块对输入的N个天线阵元的宽带中频模拟信号进行采样，将变为数字中频信号送入延时模块，延时模块根据相关合成模块反馈的N个天线信号时延估计值进行延时，将时钟整周期的延时调整后的数据信号送到上述DDC模块进行数字下变频，再将N个天线的宽带基带零中频复信号送入分析模块，分析模块用M个L阶的多相分析滤波器组对宽带时域信号进行多相滤波和傅里叶变换FFT，将N个天线阵元的宽带零中频复信号进行多相分解，把每个阵元信号分解为M个均匀频域区间的降速率窄带支路后，再将各个天线阵元对应窄带支路复信号送到相关合成模块，相关合成模块通过它设置的分数延时单元(1)、延时相位估计和反馈单元(6)、积分时间控制单元(7)、算法选择控制单元(2)、参考信号生成单元(3)和多相相关单元(4)进行自适应延时补偿，其中，算法选择控制单元(2)、参考信号生成单元(3)通过设置切换产生天线组阵Simple算法、Sumple算法、Matrix-Free Power Method算法对应的相关参考信号，N个多相相关单元(4)把N个天线阵元信号与相关参考信号进行相关，延时相位估计和反馈单元(6)和积分时间控制单元(7)设置合适的相关积分时间，并根据多相相关单元(4)结果计算出整数倍采样时钟时延和小数倍采样钟时延，反馈到延时模块和分数延时单元(1)进行时延补偿，其中，M为宽带信号被分解成多相支路的个数，L为子多相支路子滤波器阶数，N为自然数。

2.如权利要求1所述的天线组阵宽带信号全频谱相关合成系统，其特征在于：补偿后的N个阵元M个相同支路复信号送到M个多相合成单元(5)，每个多相合成单元(5)将N个分数延时单元(1)输出的同相支路对应相加合成，输出M个合成后的支路到综合模块，综合模块对M个支路进行傅立叶反变换IFFT，再经过综合滤波器组重构出宽带零中频时域信号并送到DUC模块，DUC模块将合成后的宽带时域信号宽带零中频时域信号进行上变频，把得到的中频数字信号送到D/A模块，D/A模块对中频数字信号进行数模转换并输出到解调接收机。

3.如权利要求1所述的天线组阵宽带信号全频谱相关合成系统，其特征在于：Sumple算法每个天线阵元的参考是通过对每个天线阵元以外的其他信号相加得到。

4.如权利要求1所述的天线组阵宽带信号全频谱相关合成系统，其特征在于：在Matrix-Free Power Method算法中，每个天线阵元的参考信号是将所有N个天线阵元信号相加后的信号。

5.如权利要求1所述的天线组阵宽带信号全频谱相关合成系统，其特征在于：在分析模块和综合模块中，送到分析模块的宽带零中频复信号经过M个L阶的多相分析滤波器组和傅立叶变换(FFT)得到M个带宽为原信号1/M均匀频率区间的支路。

6.如权利要求1所述的天线组阵宽带信号全频谱相关合成系统，其特征在于：综合模块实现的流程为分析模块的逆过程，送到综合模块的M个支路窄带信号经过傅立叶反变换IFFT，再经过M个L阶的多相综合滤波器组重构出宽带零中频时域信号。

7.如权利要求5所述的天线组阵宽带信号全频谱相关合成系统，其特征在于：M个L阶的滤波器组是由一个M×L阶的原型滤波器分解得到。

8.如权利要求1所述的天线组阵宽带信号全频谱相关合成系统，其特征在于：在M个支路中设有M个N阶的子滤波器组，每个支路子滤波器都有N个系数，假设原型滤波器系数为h[0]、h[1]……h[MN-1],其中支路1子滤波器的N个系数为h[0]、h[1]……h[N-1]，支路2子滤波器的N个系数为h[N]、h[N+1]……h[2N-1]，依次类推，支路M子滤波器的N个系数为h[(M-1)N]、h[(M-1)N+1]……h[MN-1]。

9.如权利要求1所述的天线组阵宽带信号全频谱相关合成系统，其特征在于：M个支路中的分析模块和综合模块利用一个时分控制逻辑，每个支路的滤波共用一个子滤波器的乘法器和加法器计算资源。

10.如权利要求1所述的天线组阵宽带信号全频谱相关合成系统，其特征在于：DDC模块在对N个天线延时调整后信号进行数字下变频时，乘以一个频率为F Mhz的数字复信号本振，得到N个天线的宽带基带零中频复信号。