CN105356993A - Pcm/fm信号极化合成的通道时延控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种用于PCM/FM信号极化合成的通道时延控制方法，通过下述技术方案予以实现：定时同步环路对一路信号的相位进行跟踪，同时对另一路信号的相位进行调整；左右旋相位同步环路对左右旋信号的相位差进行检测并补偿；定时同步环路与左右旋相位同步环路相互配合，完成左右旋信号各自的定时同步及左右旋信号之间的相位同步；PCM/FM极化合成单元对同步后的左右旋信号进行极化合成，代替定时同步环路中的MSD，提升通道时延控制精度。本发明仅利用一个定时同步环路和一个左右旋相位同步环路，完成双通道时延控制，满足MSD和极化合成对通道时延的要求，工程实现简单；借助极化合成的增益，提升通道时延控制精度，提高信噪比性能。

Description

PCM/FM信号极化合成的通道时延控制方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信领域的通道时延控制技术，尤其涉及一种用于连续相位调制PCM/FM信号极化合成的通道时延控制方法。

背景技术

PCM/FM是一种连续相位调制信号，PCM码在调制前先通过预调滤波器，以便在保留基频信号的基础上滤去高频成分，压缩信号带宽，然后送进调频系统得到PCM/FM信号。PCM/FM体制的遥测精度高，数据组成格式灵活多变，在接收端信号的解调方式便于硬件实现，解调出的数据易于处理。因此，PCM/FM体制广泛应用于航天遥测领域。

在复杂、恶劣的电磁环境中，在存在快衰落的情况下，为了最大限度的利用接收信号功率，提高信噪比，常采用分集接收。极化分集因其不同极化方向极化信号衰落相关性小且结构紧凑的优点，在遥测系统中得到广泛应用。极化分集接收是同时接收不同旋向极化的信号(如左旋和右旋)，然后进行合成输出。理论上，极化合成可以使接收性能提高3dB。

常见的极化合成方法有选择式相加、等增益合成、中频最大比合成等，但这些方式是针对BPSK、QPSK信号的，不适应于连续相位调制信号。张波针对连续相位调制信号提出了一种基于多符号检测(Multi-SymbolDetection,MSD)技术的极化合成方法，该方法分别对左右旋通道进行下变频、捕获、跟踪及MSD，然后对两个通道的多符号相关结果进行合成，完成信号的极化合成处理，合成效果与理论值之间的差距小于0.5dB。

MSD技术接收到一个符号时，并不立即进行判决，而是在多个符号长度内将接收到的信号波形与本地存储的波形进行相关运算，以此来判决符号。美国在靶场先进遥测计划中将MSD技术和Turbo乘积码(TPC)技术相结合，增强遥测系统的性能。理论上，采用这两项技术的遥测系统在误码率为10^-7的条件下，相比原系统可以获得近9dB的信道增益。

对左右旋信号进行极化合成时，如果两路信号没有保持相位同步，会导致合成性能恶化，甚至不能工作。采用MSD技术对PCM/FM信号进行解调时，如果时延误差达到符号的1/8，性能将损失约0.6dB，如果时延误差达到符号的1/4，性能将损失约3.3dB。由此可见，为了保证MSD以及极化合成的性能，必须对两个通道进行精确的时延控制，保证在进行基于MSD的极化合成之前，完成左右旋信号各自的定时同步以及左右旋信号之间的相位同步。

典型的极化合成通道时延控制方法有三环锁相方法、两通道各自锁相方法、双环锁相方法等。这些方法至少需要两套锁相环电路，实现复杂度高；并且只考虑了左右旋信号之间的相位同步，没有考虑左右旋信号各自的定时同步，不能用于基于MSD的极化合成。

发明内容

本发明的目的是针对现有的极化合成通道时延控制方法存在的问题，提供一种能够用于基于多符号检测MSD的极化合成，同时完成左右旋信号各自的定时同步和左右旋信号之间的相位同步，且实现复杂度低的通道时延控制方法。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种PCM/FM信号极化合成的通道时延控制方法，通过下述技术方案予以实现：定时同步环路16利用重采样单元2在改进的数字控制振荡器NCO8输出的使能信号的控制下对右旋信号进行任意比降采样，采样速率降低为符号速率的整数倍，MSD单元3对降采样后的右旋信号进行判决，判决结果通过开关2送入反馈信号单元4，反馈信号单元4以判决结果对应的PCM/FM信号的共轭信号作为反馈信号，超前滞后相关单元5对反馈信号分别与右旋信号经过延时得到的超前、即时和滞后三路信号进行并行相关，码环鉴别器6利用并行相关结果得到鉴相信息，环路滤波器7对鉴相信息进行滤波，改进的NCO8根据滤波结果改变输出信号频率；左右旋相位同步环路17利用重采样单元10，在定时同步环路16中的改进的NCO8输出的使能信号的控制下，对左旋信号进行任意比降采样，超前滞后相关单元11对定时同步环路16中的反馈信号与左旋信号经过延时得到的超前、即时和滞后三路信号进行并行相关，码环鉴别器12利用并行相关结果得到左右旋信号之间的相位差信息，并通过延迟估计单元13对相位差信息进行估计，估计结果通过开关1送入延迟控制单元14，延迟控制单元14根据估计结果，通过分数时延滤波器9和固定延时器1对左右旋信号之间的相位差进行补偿；最后，PCM/FM极化合成单元15对完成定时同步和相位同步后的左右旋信号进行极化合成，把极化合成解调结果通过开关2送入反馈信号单元4，利用极化合成带来的增益，提升通道时延控制精度。

本发明相比于现有技术具有以下有益效果：

本发明仅需要一个定时同步环路和一个左右旋相位同步环路，便可完成双通道时延控制，工程实现复杂度低；同时完成两个通道的定时同步和左右旋相位同步，满足MSD和极化合成对通道时延的要求，解决了现有技术只考虑左右旋信号之间的相位同步，没有考虑左右旋信号各自的定时同步，不能用于基于MSD的极化合成的问题。

本发明适应于可变速率的接收信号，针对连续相位特征，利用似然检测获得相位信息，对于连续相位调制信号的极化合成具有较强的实用性。

本发明利用极化合成解调结果得到反馈信号，借助极化合成带来的增益提升通道时延控制精度，提高信噪比性能。

附图说明

图1是本发明用于PCM/FM信号极化合成的通道时延控制方法原理示意图。

图2是图1中的重采样单元的原理示意图。

图3是图1中的超前滞后相关单元的原理示意图。

图4是图1中的码环鉴别器的原理示意图。

图5是图1中的改进的NCO的原理示意图。

图中：1固定延时器、2重采样单元、3MSD单元、4反馈信号单元、5超前滞后相关单元、6码环鉴相器、7环路滤波器、8改进的NCO、9分数时延滤波器、10重采样单元、11超前滞后相关单元、12码环鉴相器、13延迟估计器、14延迟控制器、15PCM/FM极化合成单元、16定时同步环路、17左右旋相位同步环路。

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。用于PCM/FM信号极化合成的通道时延控制，包括定时同步环路16，左右旋相位同步环路17和PCM/FM极化合成单元15。其中，定时同步环路16利用重采样单元2在改进的数字控制振荡器NCO8输出的使能信号的控制下对右旋信号进行任意比降采样，采样速率降低为符号速率的整数倍，MSD单元3对降采样后的右旋信号进行判决，判决结果通过开关2送入反馈信号单元4，反馈信号单元4以判决结果对应的PCM/FM信号的共轭信号作为反馈信号，超前滞后相关单元5对反馈信号分别与右旋信号经过延时得到的超前、即时和滞后三路信号进行并行相关，码环鉴别器6利用并行相关结果得到鉴相信息，环路滤波器7对鉴相信息进行滤波，改进的NCO8根据滤波结果改变输出信号频率；左右旋相位同步环路17利用重采样单元10，在定时同步环路中的改进的NCO8输出的使能信号的控制下，对左旋信号进行任意比降采样，超前滞后相关单元11对定时同步环路中的反馈信号与左旋信号经过延时得到的超前、即时和滞后三路信号进行并行相关，码环鉴别器12利用并行相关结果得到左右旋信号之间的相位差信息，并通过延迟估计单元13对相位差信息进行估计，估计结果通过开关1送入延迟控制单元14；延迟控制单元14根据估计结果，通过分数时延滤波器9和固定延时器1对左右旋信号之间的相位差进行补偿；最后，PCM/FM极化合成单元15对完成定时同步和相位同步后的左右旋信号进行极化合成，把极化合成解调结果通过开关2送入反馈信号单元4，利用极化合成带来的增益，提升通道时延控制精度。

根据本发明，用于PCM/FM信号极化合成的通道时延控制方法，具体步骤包括：

一.定时同步环路对右旋信号的相位进行跟踪：

1.任意比降采样：以改进的NCO产生的整个采样时钟频率范围内的脉冲信号为使能信号，采用重采样单元对右旋信号进行任意比降采样，把信号的采样速率降低为符号速率的整数倍。

2.MSD判决反馈：利用MSD单元对降采样后的右旋信号进行判决，反馈信号单元以判决结果对应的PCM/FM信号的共轭信号作为反馈信号。

3.并行相关：超前滞后相关单元对降采样后的右旋信号进行延时处理，得到超前、即时和滞后三路信号，分别与反馈信号进行符号周期内的并行相关运算，然后对三路相关运算结果进行一段时间的相干积分。

4.误差检测：三路并行相关结果送入码环鉴别器检测似然函数包络，获得右旋信号的相位误差信息。

5.基于延迟锁定环路结构调整信号相位：环路滤波器对相位误差信息进行滤波，滤波结果与固定累加量相加得到NCO的控制字，对NCO输出信号的频率进行控制；当NCO的控制字大于系统采样时钟频率的一半时，改进的NCO对NCO输出的脉冲信号取反，否则，直接以NCO输出信号作为重采样单元的积分清零使能，对右旋信号的相位进行调整，完成定时同步。

二.左右旋相位同步环路对左右旋信号之间的相位差进行检测并补偿，同时完成左旋信号的定时同步：

1.任意比降采样：重采样单元与定时同步环路中的重采样单元采用同样的积分清零使能信号，对左旋信号进行降采样，保证左旋信号与右旋信号的采样速率保持一致，都等于符号速率的整数倍。

2.并行相关：超前滞后相关单元对降采样后的左旋信号进行延时处理，得到超前、即时和滞后三路信号，分别与定时同步环路中的反馈信号进行符号周期内的并行相关运算，然后对三路相关运算结果进行一段时间的相干积分。

3.误差检测：三路并行相关结果送入码环鉴别器检测似然函数包络，获得左右旋信号之间的相位差信息。

4.相位差补偿：利用延迟估计单元对鉴别器输出的误差信息进行分析，延迟控制单元根据延迟估计单元的估计结果，控制分数时延滤波器和固定延时器对左右旋信号之间的相位差进行补偿。

三.PCM/FM极化合成单元采用基于MSD的极化合成方法，先利用两个MSD单元分别对左右旋信号进行MSD，再利用极化合成单元对两个MSD单元的相关结果进行加权求和，再根据求和后的相关值进行判决。

根据本发明，用于PCM/FM信号极化合成的通道时延控制方法根据各部分的工作状态，通过开关1、开关2来控制工作流程，包括如下状态：

状态一(初始状态)：开关1断开，开关2连接a信号，定时同步环路处于捕获状态，左右旋相位同步环路不工作。如果定时同步环路锁定，则进入状态二：开关1闭合，开关2连接a信号；否则，保持状态一：开关1断开，开关2连接a信号。

状态二：开关1闭合，开关2连接a信号，定时同步环路处于跟踪状态，左右旋相位同步环路处于捕获状态。如果左右旋相位同步环路锁定，则进入状态三：开关1闭合，开关2连接b信号；否则，判断延迟估计单元输出结果：如果左旋信号落后于右旋信号，则延迟控制单元控制固定延时器对右旋信号进行延时，延时量略大于左右旋信号之间的相位差，然后进入状态一；否则，延迟控制单元控制分数时延滤波器对左旋信号进行延时，延时量略小于左右旋信号之间的相位差，并保持状态二：开关1闭合，开关2连接a信号。

状态三：开关1闭合，开关2连接b信号，定时同步环路和左右旋相位同步环路都处于跟踪状态。如果定时同步环路失锁，则进入状态一：开关1断开，开关2连接a信号；如果左右旋相位同步环路失锁，则进入状态二：开关1闭合，开关2连接a信号；否则，保持状态三：开关1闭合，开关2连接b信号。

参阅图2。重采样单元以PCM/FM信号作为输入，首先利用累加器对输入信号进行累加，然后在使能信号有效时对累加结果进行采样得到输出信号，同时对累加器清零，接着循环这个过程，完成对输入信号的降采样操作。

参阅图3。超前滞后相关单元包括延时模块、复数乘法器、累加器和相干积分单元，其中，复数乘法器和累加器组成数字相关器，三个串联的延时模块分别与由顺次串联的复数乘法器、累加器和相干积分单元组成的超前支路、即时支路和滞后支路相连。PCM/FM信号经过三个串联的延时模块延时后，得到超前信号、即时信号和滞后信号，即时信号相位与反馈信号相位保持同步，超前信号相位比即时信号相位超前d个符号周期，滞后信号相位比即时信号相位落后d个符号周期，d表示数字相关器间距。

在超前、即时和滞后三个支路中，三个数字相关器分别对三路PCM/FM信号与反馈信号进行复数乘法操作，累加器在每个符号周期内对复数乘法器输出信号进行累加，相干积分单元对累加结果进行长度为N_cor的相干积分。相干积分能够消除信号中的高频信号成分和噪声，提高信噪比。

参阅图4。码环鉴别器采用归一化的非相干超前减滞后功率法，包括顺次串联的功率计算模块、非相干积分单元和误差检测单元，其中，功率计算模块对超前支路和滞后支路的相干积分结果求功率，非相干积分单元对相干积分结果的功率值进行长度为N_nc的非相干积分，误差检测单元利用两路非相干积分单元的输出结果获得相位误差信息：

$\mathrm{\δ}=\frac{1}{2}\frac{\underset{n=1}{\overset{N_{nc}}{\Σ}}E{\left(n\right)}^2-\underset{n=1}{\overset{N_{nc}}{\Σ}}L{\left(n\right)}^2}{\underset{n=1}{\overset{N_{nc}}{\Σ}}E{\left(n\right)}^2+\underset{n=1}{\overset{N_{nc}}{\Σ}}L{\left(n\right)}^2}$ (符号)

其中，E(n)和L(n)分别表示超前支路和滞后支路的相干积分结果，n为采样点数。

参阅图5。改进的NCO由NCO、取反模块和选择模块组成。系统采样时钟为f_s，NCO以控制字f_i为输入信号，输出脉冲信号X；取反模块对信号X取反，得到信号Y；选择模块根据控制字f_i选择信号X或者信号Y作为输出信号。当控制字f_i∈[0,f_s/2]时，信号X的频率为f_i，信号Y的频率为(f_s-f_i)，改进的NCO输出信号X；当控制字f_i∈(f_s/2,f_s]时，信号X的频率为(f_s-f_i)，信号Y的频率为f_i，改进的NCO输出信号Y。

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，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备；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，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种PCM/FM信号极化合成的通道时延控制方法，通过下述技术方案予以实现：定时同步环路(16)利用重采样单元(2)在改进的数字控制振荡器NCO(8)输出的使能信号的控制下对右旋信号进行任意比降采样，采样速率降低为符号速率的整数倍，MSD单元(3)对降采样后的右旋信号进行判决，判决结果通过开关(2)送入反馈信号单元(4)，反馈信号单元(4)以判决结果对应的PCM/FM信号的共轭信号作为反馈信号，超前滞后相关单元(5)对反馈信号分别与右旋信号经过延时得到的超前、即时和滞后三路信号进行并行相关，码环鉴别器(6)利用并行相关结果得到鉴相信息，环路滤波器(7)对鉴相信息进行滤波，改进的NCO(8)根据滤波结果改变输出信号频率；左右旋相位同步环路(17)利用重采样单元(10)，在定时同步环路(16)中的改进的NCO(8)输出的使能信号的控制下，对左旋信号进行任意比降采样，超前滞后相关单元(11)对定时同步环路(16)中的反馈信号与左旋信号经过延时得到的超前、即时和滞后三路信号进行并行相关，码环鉴别器(12)利用并行相关结果得到左右旋信号之间的相位差信息，并通过延迟估计单元(13)对相位差信息进行估计，估计结果通过开关1送入延迟控制单元(14)，延迟控制单元(14)根据估计结果，通过分数时延滤波器(9)和固定延时器(1)对左右旋信号之间的相位差进行补偿；最后，PCM/FM极化合成单元(15)对完成定时同步和相位同步后的左右旋信号进行极化合成，把极化合成解调结果通过开关2送入反馈信号单元(4)，利用极化合成带来的增益，提升通道时延控制精度。

2.如权利要求1所述的PCM/FM信号极化合成的通道时延控制方法，其特征在于：PCM/FM极化合成单元采用基于MSD的极化合成方法，先利用两个MSD单元分别对左右旋信号进行MSD，再利用极化合成单元对两个MSD单元的相关结果进行加权求和，再根据求和后的相关值进行判决,得到极化合成解调结果。

3.如权利要求1所述的PCM/FM信号极化合成的通道时延控制方法，其特征在于：状态一为初始状态，在状态一下，开关1断开，开关2连接a信号，定时同步环路处于捕获状态，左右旋相位同步环路不工作。

4.如果定时同步环路锁定，则进入状态二：开关1闭合，开关2连接a信号；否则，保持状态一：开关1断开，开关2连接a信号。

5.如权利要求1所述的PCM/FM信号极化合成的通道时延控制方法，其特征在于：在状态二下，开关1闭合，开关2连接a信号，定时同步环路处于跟踪状态，左右旋相位同步环路处于捕获状态。

6.如果左右旋相位同步环路锁定，则进入状态三：开关1闭合，开关2连接b信号；否则，判断延迟估计单元输出结果：如果左旋信号落后于右旋信号，则延迟控制单元控制固定延时器对右旋信号进行延时，延时量略大于左右旋信号之间的相位差，然后进入状态一；否则，延迟控制单元控制分数时延滤波器对左旋信号进行延时，延时量略小于左右旋信号之间的相位差，并保持状态二：开关1闭合，开关2连接a信号。

7.如权利要求1所述的PCM/FM信号极化合成的通道时延控制方法，其特征在于：在状态三下，开关1闭合，开关2连接b信号，定时同步环路和左右旋相位同步环路都处于跟踪状态。

8.如果定时同步环路失锁，则进入状态一：开关1断开，开关2连接a信号；如果左右旋相位同步环路失锁，则进入状态二：开关1闭合，开关2连接a信号；否则，保持状态三：开关1闭合，开关2连接b信号。