CN105577352A - 基于相位域实现的数字化远程相位同步方法和系统 - Google Patents

基于相位域实现的数字化远程相位同步方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于相位域实现的数字化远程相位同步方法和系统。生成三路不同频率的时钟信号并采用各自的寄存器，在每个时钟信号的上升沿对寄存器的数据加一，一周期后重置，第二、第三时钟信号相混频后与第一时钟信号传送到从收发信机；从收发信机将两路时钟信号进行混频后传送回主收发信机；主收发信机将发回的时钟信号与初始的第二、第三时钟信号混频后信号进行混频，频分后与第三时钟信号混频，混频后作为上述第三时钟信号，并重复步骤与第二时钟信号混频，再发送到从收发信机。本发明将时域中波的混频及频分转化为数字处理中的加减法及移位，使得时域处理中的锁相环滤波器等结构大大简化，体积小，重量轻，具有便于携带安装的特点，应用广泛。

Description

基于相位域实现的数字化远程相位同步方法和系统
技术领域
本发明涉及无线电传输系统，尤其是涉及一种基于相位域实现的数字化远程相位同步方法和系统。
背景技术
远距离相位同步是多基地微波雷达系统的关键技术也是最具挑战性，尤其是当远程系统之间存在相对运动时。同时，即使在强的背景噪声下，相干雷达能够用于区别不同的移动物体，这使得相位同步技术被深入研究。相位同步技术对于合成孔径雷达(SAR)是至关重要的，因为其能极大提高SAR系统的远距离分辨率和噪声性能。
多基地SAR系统在微波工程中具有很多优点。与单独的单站雷达系统相比，多基地SAR具有更好的多视点定位、前视成像，灵活且划算的系统实现。但是为了实现上述优点，多基地雷达系统必须在远距离的单站雷达之间实现严格的相位同步。通过无线方法实现相位同步是最具挑战的技术之一。然而目前现有的技术只能被用于静止的多基地系统。自从多基地SAR系统被用于航空和卫星应用当中，解决运动系统的相位同步问题就显得非常重要。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种基于相位域实现的数字化远程相位同步方法和系统，该系统中的空间分布单元输出的信号相位同步，并且相位同步不随单元相对位置的变化而变化。同时，将波转变为频域处理，使得结构更加简单。
本发明采用的技术方案是：
一、一种基于相位域实现的数字化远程相位同步方法：
A)在主收发信机中，通过数字处理模块(如FPGA或者CPLD)生成三路不同频率的时钟信号，同时采用三个寄存器分别对应三路时钟信号的频率，在每个时钟信号的上升沿对寄存器的数据加一，一个周期后重置，从而模拟正弦波相位的周期变化，从而将波的时域处理转变为频域处理，简化设计和运算；
B)第二、第三时钟信号相混频后与第一时钟信号一起通过无线传输传送到从收发信机；
C)在从收发信机中，将从主收发信机接收到的两路时钟信号进行混频处理后传送回主收发信机；
D)主收发信机将接收的混频后的时钟信号与初始的第二、第三时钟信号相混频后的信号进行混频处理，经频分处理后接着与第三时钟信号混频，混频后作为上述步骤B中的第三时钟信号重复上述步骤与第二时钟信号相混频后再与第一时钟信号一起无线传输传送到从收发信机以此循环形成信号的数字化远程相位同步控制。
本发明的信号的产生和混频及频分处理都采用频域数字化处理，简化了所需的运算和结构。并且在寄存器中进行数据加一处理，在时域的上下变频对应频域的加减，频分器在数字处理模块中可以简化了右移位操作。
所述的第二时钟信号和从收发信机中两路时钟信号混频处理后的信号作为两个输出信号。
二、一种基于相位域实现的数字化远程相位同步系统：
所述系统包括三个频率生成模块、两个无线通信模块发射机、无线通信模块接收机、数字处理频分电路和数字处理混频电路，主收发信机中，第一频率生成模块连接到主无线通信模块发射机，第二频率生成模块经第一数字处理混频电路连接到主无线通信模块发射机，第三频率生成模块经第二数字处理混频电路连接到第一数字处理混频电路输入端，第一数字处理混频电路输出端依次经第三数字处理混频电路和数字处理频分电路连接到第二数字处理混频电路的输入端，第三数字处理混频电路输入端与主无线通信模块接收机连接；第二频率生成模块信号输出端作为所述系统其中的一个输出。
所述的从收发信机中，从无线通信模块接收机与主无线通信模块发射机无线通信连接，从无线通信模块发射机与主无线通信模块接收机无线通信连接，从无线通信模块接收机连接到第四数字处理混频电路的输入端，第四数字处理混频电路的输出端连接到主无线通信模块发射机并且作为所述系统另一个输出。
所述第一频率生成模块、第二频率生成模块、第三频率生成模块、数字处理频分电路、第一数字处理混频电路、第二数字处理混频电路、第三数字处理混频电路集成组成在主数字处理模块中。
所述第四数字处理混频电路集成组成在从数字处理模块中。
本发明使用主数字处理模块对寄存器数进行处理经过无线通信模块发射机4发送至从收发信机。同时主收发信机中的无线通信接收机5接受来自从收发信机的数据，将其发送到主数字处理模块中进行混频和分频处理。
在从收发信机中，将无线通信模块接收机6接收到的数据发送到从数字处理模块中进行处理。之后将处理的数据通过无线通信模块发射机7返回到主收发信机进行处理。
三、应用于上述系统的一种基于相位域实现的数字化远程相位同步方法：
第一频率生成模块、第二频率生成模块和第三频率生成模块均具有各自的寄存器并分别生成三个不同频率的时钟信号，采用以下方式进行混频和分频处理：第二频率生成模块生成的一路时钟信号作为系统其中一个输出端，并且和一路合路混频时钟信号一起输入到第一数字处理混频电路中通过频率和相位相减进行混频，混频输出的信号和第一频率生成模块生成的一路时钟信号一起输入到主无线通信模块发射机中发送出去；从无线通信模块接收机接收来自主无线通信模块发射机的两路信号后通过频率和相位相加进行混频，混频输出作为系统另一个输出端并发送到从无线通信模块发射机；主无线通信模块接收机接收来自从无线通信模块发射机的一路信号后与第一数字处理混频电路输出的混频信号一起输入到第三数字处理混频电路中通过频率和相位相减进行混频，混频输出到数字处理频分电路中通过频率和相位减半进行频分，频分后的信号与第三频率生成模块生成的一路时钟信号输入到第二数字处理混频电路中通过频率和相位相加进行混频作为所述的一路合路混频时钟信号。
对于每个寄存器，在每个时钟信号的上升沿对寄存器的数据加一，一个周期后重置。
本发明的有益效果是：
本发明中在数字处理模块中处理正弦波的混频、频分等均采用了频域等效的办法，将时域中的正弦波用一个等效时钟及不断增加的寄存器相位来表示，从而将时域中波的混频及分频转化为数字处理中的加减法及移位，使得时域处理中的锁相环滤波器等结构大大简化。
通过不断检测主从单元信号的相位差，利用数字反馈的方式，实时调节从单元输出信号的相位，将因距离而产生的相位差及系统固有的相位干扰进行了补偿，使得主从输出信号同频同相，且不随距离的变化而变化。
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是本发明采用的modelsim仿真结果图。
图中：1、第一频率生成模块，2、第二频率生成模块，3、第三频率生成模块，4、主无线通信模块发射机，5、主无线通信模块接收机，6、从无线通信模块接收机，7、从无线通信模块发射机，8、频分电路；9、第一数字处理混频电路，10、第二数字处理混频电路，11、第三数字处理混频电路，12：第四数字处理混频电路。
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。
具体实施中，如图1所示，本发明的系统包括三个频率生成模块1、2、3、两个无线通信模块发射机4、7、无线通信模块接收机5、6、频分电路8和数字处理混频电路10、11、12，主收发信机中，第一频率生成模块1连接到主无线通信模块发射机4，第二频率生成模块2经第一数字处理混频电路9连接到主无线通信模块发射机4，第三频率生成模块3经第二数字处理混频电路10连接到第一数字处理混频电路9输入端，第一数字处理混频电路9输出端依次经第三数字处理混频电路11和频分电路8连接到第二数字处理混频电路10的输入端，第三数字处理混频电路11输入端与主无线通信模块接收机5连接；第二频率生成模块2信号输出端作为所述系统其中的一个输出。
从收发信机中，从无线通信模块接收机6与主无线通信模块发射机4无线通信连接，从无线通信模块发射机7与主无线通信模块接收机5无线通信连接，从无线通信模块接收机6连接到第四数字处理混频电路12的输入端，第四数字处理混频电路12的输出端连接到主无线通信模块发射机4并且作为所述系统另一个输出。
第一频率生成模块1、第二频率生成模块2、第三频率生成模块3、频分电路8、第一数字处理混频电路9、第二数字处理混频电路10、第三数字处理混频电路11集成组成在主数字处理模块中。
第四数字处理混频电路12集成组成在从数字处理模块中。
主数字处理模块和从数字处理模块采用FPGA或者CPLD，其中CPLD可采用EPM240模块。
如图1所示，本发明系统的工作过程是：
在主收发信机当中，在主数字处理模块中，产生3个时钟及其对应的相位寄存器1、2、3，然后根据系统框图在主数字处理模块中对各个节点的寄存器进行相应的加减法及移位操作，其中加减法对应时域上下变频，移位对应时域二分频。主数字处理模块处理完数据后其中2路通过无线通信模块发射机然后进过天线发送至从收发信机。其中，2号时钟及其寄存器数据作为主站输出。
从收发信机中，无线通信模块接收机6将接收到的数据传输到从数字处理模块中进行混频即加法操作，之后将混频处理结果发送至无线通信模块发射机7，反馈到主收发信机中，之后主收发信机的无线通信模块接收机5将数据反馈到主数字处理模块中。
主收发信机向从收发信机发射信号，从收发信机通过无线通信模块从接收信号中得到有用信号，并将此信号反馈发射回主收发信机；在主收发信机比较得到发射信号和反馈信号的相位差，并对此相位差进行“除2”处理即数字处理模块中的移位操作，将处理后的数据数字发射给从收发信机；从收发信机根据接收到的相位差信息对有用信号进行混频，从而实现主从收发信机输出信号同频同相。
本发明的原理如下：
在主收发信机，设数字处理模块中产生3个不同频率的时钟和随时钟逐步等距增加的寄存器数据用来表示相位，用于模拟频域的正弦波，在输出时，只要将相位值转化为对应的正弦值，并在相应的时钟的上升沿输出，这样就能够实现在数字处理模块里面等效产生正弦信号。所以，如图1所示，设3个模拟的正弦波信号分别为fref∠X、f0∠Y、1/2fref∠Z。假设主从收发信机之间的距离为L，通过计算发现，距离所引起的相位变化根据频率可以写成φn＝2πfnL/vp(n对应不同的频率)。那么通过回路计算，可算出各个节点的频率和相位关系，最后输出端的相位节点关系为f0∠Y-Z+1/2X，可见这个信号的相位信息不含有距离参数，也就是说稳态情况下该系统的输出不随距离变化而变化。
本发明的具体实施例及其实施工作过程如下：
第一频率生成模块1、第二频率生成模块2和第三频率生成模块3均具有各自的寄存器并分别生成三个不同频率的时钟信号，对于每个寄存器，在每个时钟信号的上升沿对寄存器的数据加一，一个周期后重置，从而模拟正弦波相位的周期变化，从而将波的时域处理转变为频域处理，简化设计和运算。
第二频率生成模块2生成的一路时钟信号作为系统其中一个输出端，并且和一路合路混频时钟信号一起输入到第一数字处理混频电路9中通过频率和相位相减进行混频，混频输出的信号和第一频率生成模块1生成的一路时钟信号一起输入到主无线通信模块发射机4中发送。
从无线通信模块接收机6接收来自主无线通信模块发射机4的两路信号后通过通过频率和相位相加进行混频，混频输出作为系统另一个输出端并发送到从无线通信模块发射机7。
主无线通信模块接收机5接收来自从无线通信模块发射机7的一路信号后与第一数字处理混频电路9输出的混频信号一起输入到第三数字处理混频电路11中通过频率和相位相减进行混频，混频输出到数字处理频分电路8中通过频率和相位减半进行频分，频分后的信号与第三频率生成模块3生成的一路时钟信号输入到第二数字处理混频电路10中通过频率和相位相加进行混频作为所述的一路合路混频时钟信号。
实施例采用mudelsim仿真，其结果如图2所示，w0，w1和w2是数字处理系统生成的3个不同频率的时钟，data_in0，data_in1和data_in2是对应三个时钟的寄存器，从图中可知，这三个寄存器按照一定周期进行周期变化，从而模拟正弦波的相位周期变化。其中将data_in作为主站输出，data_out作为从站输出，可以看到data_in和data_out他们周期一样，实现了同步。data_out中间存在的毛刺是由于模块中存在的分频导致相位模糊造成，之后可以通过滤波等操作去除。
可见，本发明技术效果突出显著，大大简化了时域处理中的锁相环滤波器等结构，并使得主从输出信号同频同相，且不随距离的变化而变化，体积小，重量轻，便于携带安装，研究应用领域广泛。

Claims (8)

1.一种基于相位域实现的数字化远程相位同步方法，采用主要由主收发信机和从收发信机组成的通信系统，特征在于：
A)在主收发信机中，通过数字处理模块(如FPGA或者CPLD)采用生成三路不同频率的时钟信号，同时采用三个寄存器分别对应三路时钟信号的频率，在每个时钟信号的发生变化对寄存器的数据加一，一个周期后重置；
B)第二、第三时钟信号相混频后与第一时钟信号一起通过无线传输传送到从收发信机；
C)在从收发信机中，将从主收发信机接收到的两路时钟信号进行混频处理后传送回主收发信机；
D)主收发信机将接收的混频后的时钟信号与初始的第二、第三时钟信号相混频后的信号进行混频处理，经分频处理后接着与第三时钟信号混频，混频后作为上述步骤B)中的第三时钟信号，重复上述步骤与第二时钟信号相混频后再与第一时钟信号一起无线传输传送到从收发信机以此循环形成信号的数字化远程相位同步控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于相位域实现的数字化远程相位同步方法，其特征在于：所述的第二时钟信号和从收发信机中两路时钟信号混频处理后的信号作为两个输出信号。
3.一种基于相位域实现的数字化远程相位同步系统，包括主收发信机和从收发信机，其特征在于：所述系统包括三个频率生成模块(1、2、3)、两个无线通信模块发射机(4、7)、无线通信模块接收机(5、6)、频分电路(8)和数字处理混频电路(10、11、12)，主收发信机中，第一频率生成模块(1)连接到主无线通信模块发射机(4)，第二频率生成模块(2)经第一数字处理混频电路(9)连接到主无线通信模块发射机(4)，第三频率生成模块(3)经第二数字处理混频电路(10)连接到第一数字处理混频电路(9)输入端，第一数字处理混频电路(9)输出端依次经第三数字处理混频电路(11)和频分电路(8)连接到第二数字处理混频电路(10)的输入端，第三数字处理混频电路(11)输入端与主无线通信模块接收机(5)连接；第二频率生成模块(2)信号输出端作为所述系统其中的一个输出。
4.根据权利要求1所述的一种基于相位域实现的数字化远程相位同步系统，其特征在于：
所述的从收发信机中，从无线通信模块接收机(6)与主无线通信模块发射机(4)无线通信连接，从无线通信模块发射机(7)与主无线通信模块接收机(5)无线通信连接，从无线通信模块接收机(6)连接到第四数字处理混频电路(12)的输入端，第四数字处理混频电路(12)的输出端连接到主无线通信模块发射机(4)并且作为所述系统另一个输出。
5.根据权利要求1所述的一种基于相位域实现的数字化远程相位同步系统，其特征在于：所述第一频率生成模块(1)、第二频率生成模块(2)、第三频率生成模块(3)、频分电路(8)、第一数字处理混频电路(9)、第二数字处理混频电路(10)、第三数字处理混频电路(11)集成组成在主数字处理模块中。
6.根据权利要求1所述的一种基于相位域实现的数字化远程相位同步系统，其特征在于：所述第四数字处理混频电路(12)集成组成在从数字处理模块中。
7.应用于权利要求3～6所述系统的一种基于相位域实现的数字化远程相位同步方法，其特征在于：
第一频率生成模块(1)、第二频率生成模块(2)和第三频率生成模块(3)均具有各自的寄存器并分别生成三个不同频率的时钟信号，采用以下方式进行混频和频分处理：
第二频率生成模块(2)生成的一路时钟信号作为系统其中一个输出端，并且和一路合路混频时钟信号一起输入到第一数字处理混频电路(9)中通过频率和相位相减进行混频，混频输出的信号和第一频率生成模块(1)生成的一路时钟信号一起输入到主无线通信模块发射机(4)中发送出去；
从无线通信模块接收机(6)接收来自主无线通信模块发射机(4)的两路信号后通过通过频率和相位相加进行混频，混频输出作为系统另一个输出端并发送到从无线通信模块发射机(7)；
主无线通信模块接收机(5)接收来自从无线通信模块发射机(7)的一路信号后与第一数字处理混频电路(9)输出的混频信号一起输入到第三数字处理混频电路(11)中通过频率和相位相减进行混频，混频输出到频分电路(8)中通过频率和相位减半进行频分，频分后的信号与第三频率生成模块(3)生成的一路时钟信号输入到第二数字处理混频电路(10)中通过频率和相位相加进行混频作为所述的一路合路混频时钟信号。
8.应用于权利要求3～6所述系统的一种基于相位域实现的数字化远程相位同步方法，其特征在于：对于每个寄存器，在每个时钟信号的上升沿对寄存器的数据加一，一个周期后重置。
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