CN106230473A - 一种dsss_qpsk载波相位正交误差接收补偿系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种DSSS_QPSK载波相位正交误差接收补偿系统及方法，属于信号处理技术领域，针对导航、通信领域采用的直接序列扩频正交信号(DSSS_QPSK)由于正交性下降解调性能损失的问题，在接收端对载波正交误差进行相位补偿，减少载波正交性下降引起的性能损失，降低发射端信号正交性的工程约束。本发明的系统可以有效降低载波正交性下降45°范围内的解调损失，防止载荷长期运行造成的解调性能下降；本发明的方法在不影响系统测量、数传性能的前提下，降低了发射信号载波正交性的工程约束。

Description

一种DSSS_QPSK载波相位正交误差接收补偿系统及方法

技术领域

本发明涉及一种DSSS_QPSK载波相位正交误差接收补偿系统及方法，属于信号处理技术领域，针对导航、通信领域采用的直接序列扩频正交信号(DSSS_QPSK)由于正交性下降解调性能损失的问题，在接收端对载波正交误差进行相位补偿，减少载波正交性下降引起的性能损失，降低发射端信号正交性的工程约束。

背景技术

北斗二代二期固定波束星间链路采用DSSS-QPSK调制，正交支路分别用于星间高精度测量与高速数据传输。测量支路信息速率低，积分时间长，实现信号快速捕获和稳定跟踪；数传支路信息速率高，积分时间短，在低信噪比情况下难以实现捕获与稳定跟踪。利用测量支路与数传支路载波正交特性，测量支路用于捕获跟踪，辅助数传支路解调，可以充分利用信号体制性能，简化接收复杂度。

但是由于航天器在轨寿命长，DSSS_QPSK信号载波正交性会逐渐降低，采用辅助解调算法会造成解调性能下降，严重时会直接导致数传支路无法解调。

目前在应对接收信号正交性下降的通用算法是对正交信号两条支路独立跟踪，不再进行支路间辅助。该方法解调性能不受正交性下降影响，但是增加了信号处理开销，没有完全应用信号的全部特性。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种DSSS_QPSK载波相位正交误差接收补偿系统及方法，该方法是一种星间链路接收机载波相位正交性补偿方法，该方法对DSSS_QPSK信号的某一支路进行跟踪，利用该路信号的载波跟踪信息辅助正交支路解调，正交支路的同相、正交分量开环鉴相，鉴相结果长期平滑滤波，补偿载波相位正交误差；该方法不需要对QPSK信号两条支路进行独立的载波同步，充分利用了信号体制性能，有效防止了因为航天器在轨长期运行载波相位正交性下降造成的解调性能损失。

本发明采用的技术方案：

一种DSSS_QPSK载波相位正交误差接收补偿系统，该系统包括正交下变频模块、相干积分模块、载波同步模块、误差相位鉴别模块和误差相位补偿模块；

其中，正交下变频模块接收DSSS_QPSK信号，利用载波同步模块发送给正交下变频模块的载波同步信息对接收到的DSSS_QPSK信号进行正交下变频，产生DSSS_QPSK信号的两条支路的同相分量与正交分量，并将产生的两条支路的同相分量与正交分量发送给相干积分模块；

相干积分模块对接收到的两条支路的同相分量与正交分量分别进行积分累加，产生积分值IQ、积分值II、积分值QQ和积分值QI，其中积分值IQ和积分值II发送给载波同步模块，积分值QQ和积分值QI发送给误差相位鉴别模块，积分值QI发送给误差相位补偿模块；

载波同步模块将接收到的积分值IQ和积分值II进行载波鉴相、环路滤波和载波频率控制字生成，生成载波同步信息发送给正交下变频模块；

误差相位鉴别模块根据接收到的积分值QQ和积分值QI进行正交相位误差鉴别，并将鉴别结果进行平滑滤波，将滤波后的结果发送给误差相位补偿模块；

误差相位补偿模块根据接收到的误差相位鉴别模块发送的滤波后的结果对接收到的积分值QI进行相位补偿，生产补偿结果，补偿结果用于DSSS_QPSK信号中的数传之路的解调。

一种DSSS_QPSK载波相位正交误差接收补偿方法，该方法的步骤包括：

(1)含有测量支路I和数传支路Q的DSSS_QPSK信号S_in用公式(1)进行表示：

S_in＝D_IP_Icos(2πf_ct)-D_QP_Qsin(2πf_ct) (式1)

其中，S_in为DSSS_QPSK信号，D_I是测量支路I的调制数据，D_Q是数传支路Q的调制数据，P_I是测量支路I的调制伪码，P_Q是数传支路Q的调制伪码，f_c为DSSS_QPSK信号的载波频率，t为DSSS_QPSK信号的传播时间；

(2)正交下变频模块对DSSS_QPSK信号中的测量支路I和数传支路Q进行相位旋转，相位旋转的方法为：使用正交的本地载波对DSSS_QPSK信号中的测量支路I和数传支路Q分别进行相位旋转，剥离DSSS_QPSK信号的载波；

(3)使用相干积分模块对步骤(2)中测量支路I和数传支路Q相位旋转后的结果进行相干积分，得到测量支路I的同相分量积分值II、正交分量积分值IQ以及数传支路Q的同相分量积分值QI、正交分量积分值QQ；

(4)载波同步模块利用步骤(3)得到的测量支路I的同相分量积分值II、正交分量积分值IQ进行鉴相、滤波、载波频率控制字的生成，产生正交的本地载波，且该生交的本地载波用于步骤(2)中DSSS_QPSK信号中的测量支路I和数传支路Q的相位旋转；

(5)误差相位鉴别模块利用步骤(3)得到的数传支路Q的同相分量积分值QI、正交分量积分值QQ进行载波正交相位误差的鉴别，鉴别结果经过α-β滤波，得到相位补偿角度；

(6)相位误差补偿模块根据步骤(5)得到的相位补偿角度对数传支路Q的同相分量积分值QI进行实时相位补偿，得到补偿结果，利用补偿结果对数传支路Q进行数据解调。

其中，所述的步骤(3)中数传支路Q的同相分量积分值QI的表达式如式(2)所示，数传支路Q的正交分量积分值QQ的表达式如式(3)表示：

QI＝D_QR_Q(Δτ)sinc(ΔfT_coh)cos(Δφ) (2)

QQ＝D_QR_Q(Δτ)sinc(ΔfT_coh)sin(Δφ) (3)

其中，R_Q为数传支路Q的伪码相关值，Δτ为数传支路Q的伪码相位偏差值，Δf为跟踪的残余载波频率，T_coh为相干积分时间，Δφ为DSSS_QPSK信号正交性下降造成的残余角度；

所述的步骤(5)中，鉴别结果Δφ_e的表达式如式(4)所示：

${\mathrm{\Δ\φ}}_e=\frac{QQ}{QI}---\left(4\right)$

其中，QQ为数传支路Q的正交分量积分值，QI为数传支路Q的同相分量积分值，Δφ_e为鉴别结果即单次载波正交性补偿量；

所述的步骤(5)中，相位补偿角度的表达式如式(5)所示：

${\mathrm{\Δ\φ}}_{filter}\left(n\right)=\frac{7}{8}{\mathrm{\Δ\φ}}_{filter}(n-1)+\frac{1}{8}{\mathrm{\Δ\φ}}_e\left(n\right)---\left(5\right)$

其中，Δφ_filter(n)为数传支路Q的积分历元n时刻α-β滤波值；Δφ_e(n)为n时刻的鉴别结果，Δφ_filter(n-1)为数传支路Q的积分历元n-1时刻的α-β滤波值；

所述的步骤(6)中，补偿结果的表达式如式(6)所示：

QI_pepair＝QI*cos(Δφ_filter)+QQ*sin(Δφ_filter) (6)

其中，QQ为数传支路Q的正交分量积分值，QI为数传支路Q的同相分量积分值，Δφ_filter为数传支路Q的滤波值。

本发明与现有技术相比的优点是：

(1)本发明的系统不需要对正交信号的多条支路分别进行跟踪，降低了信号处理资源开销；

(2)本发明的系统可以有效降低载波正交性下降45°范围内的解调损失，防止载荷长期运行造成的解调性能下降；

(3)本发明的方法在不影响系统测量、数传性能的前提下，降低了发射信号载波正交性的工程约束；

(4)本发明的系统对于采用导频+数据支路的导航信号，可以充分利用信号体制性能。

附图说明

图1为本发明的DSSS_QPSK载波相位正交误差接收补偿系统组成示意图；

图2为本发明的方法流程示意图；该方法假定对QPSK信号的其中一路信号进行载波同步，同时利用载波同步信息进行正交之路的辅助解调，解调得到的同相分量与正交分量开环鉴相，鉴相结果长时间平滑后用于相位补偿；

图3为本发明的方法框图。

具体实施方式

正交下变频模块利用载波同步信息，输入信号正交下变频，分别产生正交两条支路的同相分量与正交分量，载波同步信息来自于某一支路的载波跟踪结果，利用两条支路的载波正交关系，辅助另外一条支路载波剥离，由于两条支路的载波正交性下降，被辅助的支路载波无法完全剥离，具有一定的残余载波；

相干积分模块：对正交支路的同相分量、正交分量积分累加，产生积分值II、IQ、QI、QQ；

载波同步模块：利用II、IQ进行载波同步，包括载波鉴相、环路滤波、载波频率控制字生成，生成的载波同步信息用于载波正交下变频；

误差相位鉴别模块根据积分值QI、QQ，鉴别正交相位误差，鉴相结果经过平滑滤波，用于误差相位补偿；

误差相位补偿模块根据误差相位鉴别结果，对QI进行相位补偿，补偿结果进行解调。

如图2和图3所示，一种DSSS_QPSK载波相位正交误差接收补偿方法，步骤为：

步骤1：QPSK信号正交的I与Q支路，输入的QPSK信号可以表示如下：

S_in＝D_IP_Icos(2πf_ct)-D_QP_Qsin(2πf_ct)

其中，D_I是I支路调制数据，D_Q是Q支路调制数据，P_I是I支路调制伪码，P_Q是Q支路调制伪码，f_c为载波频率；

选取QPSK信号的一路载波跟踪，此处假定I路跟踪，辅助Q支路解调。I、Q支路分别进行相位旋转，I、Q相位旋转采用正交的本地载波；

步骤2：I/Q支路分别进行积分，得到I支路同相分量II、正交分量IQ；Q支路同相分量QI、正交分量QQ；

步骤3：II、QQ用于信号跟踪，跟踪产生的载波频率控制字产生本地载波；

步骤4：利用QI、QQ进行开环载波相位鉴别，鉴相结果进行a-b滤波，获取相位补偿角度；

步骤5：利用相位补偿结果对QI进行实时相位补偿，得到补偿结果QI_repair；

步骤6：利用QI_repair进行Q支路解调。

本发明的核心是在根据Q支路的积分结果，进行开环鉴相、平滑滤波与相位补偿，具体步骤如下：

本发明的核心是在根据Q支路的积分结果，进行开环鉴相、平滑滤波与相位补偿，具体步骤如下：

步骤1：经过I支路辅助解调后的Q支路的同相分量与正交分量分别记为QI、QQ，由于正交性下降造成的参与角度记为Δφ。

QI＝D_QR_Q(Δτ)sinc(ΔfT_coh)cos(Δφ) (1)

QQ＝D_QR_Q(Δτ)sinc(ΔfT_coh)sin(Δφ) (2)

步骤2：Q支路的同相分量与正交分量分别记为QI、QQ开环鉴相，鉴相算法采用二象限QP/IP鉴相算法，得到单次载波正交性补偿量估计Δφ_e。

${\mathrm{\Δ\φ}}_e=\frac{QQ}{QI}---\left(3\right)$

步骤3：为了进一步提高载波相位正交性补偿量的估计精度，降低噪声影响，对单次估计量进行α-β滤波，得到载波正交性补偿量估计Δφ_filter。

${\mathrm{\Δ\φ}}_{filter}\left(n\right)=\frac{7}{8}{\mathrm{\Δ\φ}}_{filter}(n-1)+\frac{1}{8}{\mathrm{\Δ\φ}}_e---\left(4\right)$

步骤4：根据Δφ_filter，通过查找表输出cos(Δφ_filter)、sin(Δφ_filter)用于相位补偿。

步骤5：对QI进行相位补偿，相位补偿后结果QI_repair用于解调。

QI_prpair＝QI*cos(Δφ_filter)+QQ*sin(Δφ_filter) (5)

至此完成了载波相位正交性补偿。

本发明方案的主要实施步骤如下：

步骤1：QPSK信号正交的I与Q支路，根据信号体制性能选取一路进行捕获、载波跟踪，此处假定I路载波同步，并辅助Q支路解调。I、Q支路分别进行相位旋转，相位旋转信息来自于I路跟踪结果，分别采用正交的本地载波；

步骤2：I/Q支路分别进行积分，得到I支路同相分量II、正交分量IQ；Q支路同相分量QI、正交分量QQ；

步骤3：II、QQ用于信号跟踪，跟踪产生的载波频率控制字产生本地载波；

步骤4：利用QI、QQ进行开环载波相位鉴别，鉴相结果进行a-b滤波，获取相位补偿角度；

步骤5：利用相位补偿结果对QI进行实时相位补偿，得到补偿结果QI_repair；

步骤6：利用QI_repair进行Q支路解调。

实施例

如图1所示，一种DSSS_QPSK载波相位正交误差接收补偿系统，该系统包括正交下变频模块、相干积分模块、载波同步模块、误差相位鉴别模块和误差相位补偿模块；

其中，正交下变频模块接收DSSS_QPSK信号，利用载波同步模块发送给正交下变频模块的载波同步信息对接收到的DSSS_QPSK信号进行正交下变频，产生DSSS_QPSK信号的两条支路的同相分量与正交分量，并将产生的两条支路的同相分量与正交分量发送给相干积分模块；

相干积分模块对接收到的两条支路的同相分量与正交分量分别进行积分累加，产生积分值IQ、积分值II、积分值QQ和积分值QI，其中积分值IQ和积分值II发送给载波同步模块，积分值QQ和积分值QI发送给误差相位鉴别模块，积分值QI发送给误差相位补偿模块；

载波同步模块将接收到的积分值IQ和积分值II进行载波鉴相、环路滤波和载波频率控制字生成，生成载波同步信息发送给正交下变频模块；

误差相位鉴别模块根据接收到的积分值QQ和积分值QI进行正交相位误差鉴别，并将鉴别结果进行平滑滤波，将滤波后的结果发送给误差相位补偿模块；

误差相位补偿模块根据接收到的误差相位鉴别模块发送的滤波后的结果对接收到的积分值QI进行相位补偿，生产补偿结果，补偿结果用于DSSS_QPSK信号中的数传之路的解调。

假定输入信号载波相位正交性下降公式(1)输入信号为；

根据公式(2)、(3)，经过正交下变频、相干积分后，数传Q支路的同相分量QI、正交分量QQ可以表征为；

当频率同步、伪码同步完成后，Δτ＝0，Δf＝0，则R_Q(Δτ)＝1，sinc(ΔfT_coh)＝1，调制数据为±1，对鉴相结果无影响，此处假定为1，则公式(8)可以表征为：

根据公式(4)，可以得到单次载波正交性补偿量估计Δφ_e为：

根据公式(4)，将Δφ_e进行α-β滤波，由于α-β滤波是长期滤波结果，接近真实值30°，即Δφ_filter(n-1)＝30°，则滤波后得结果为：

根据公式(5)，对QI进行补偿，

若没有载波相位正交性下降，则根据式(8)，QI＝cos(0)＝1；载波相位正交性下降30°，根据式(9)为解调性能下降经过本方法相位补偿后，正交性误差由原来的30°下降为0.38°，QI_repair＝0.99998，解调性能几乎没有损失。

Claims (9)

1.一种DSSS_QPSK载波相位正交误差接收补偿系统，其特征在于：该系统包括正交下变频模块、相干积分模块、载波同步模块、误差相位鉴别模块和误差相位补偿模块；

其中，正交下变频模块接收DSSS_QPSK信号，利用载波同步模块发送给正交下变频模块的载波同步信息对接收到的DSSS_QPSK信号进行正交下变频，产生DSSS_QPSK信号的两条支路的同相分量与正交分量，并将产生的两条支路的同相分量与正交分量发送给相干积分模块；

相干积分模块对接收到的两条支路的同相分量与正交分量分别进行积分累加，产生积分值IQ、积分值II、积分值QQ和积分值QI，其中积分值IQ和积分值II发送给载波同步模块，积分值QQ和积分值QI发送给误差相位鉴别模块，积分值QI发送给误差相位补偿模块；

载波同步模块将接收到的积分值IQ和积分值II进行载波鉴相、环路滤波和载波频率控制字生成，生成载波同步信息发送给正交下变频模块；

误差相位鉴别模块根据接收到的积分值QQ和积分值QI进行正交相位误差鉴别，并将鉴别结果进行平滑滤波，将滤波后的结果发送给误差相位补偿模块；

误差相位补偿模块根据接收到的误差相位鉴别模块发送的滤波后的结果对接收到的积分值QI进行相位补偿，生产补偿结果，补偿结果用于DSSS_QPSK信号中的数传之路的解调。

2.一种DSSS_QPSK载波相位正交误差接收补偿方法，其特征在于该方法的步骤包括：

(1)含有测量支路I和数传支路Q的DSSS_QPSK信号S_in用公式(1)进行表示：

S_in＝D_IP_Icos(2πf_ct)-D_QP_Qsin(2πf_ct) (1)

其中，S_in为DSSS_QPSK信号，D_I是测量支路I的调制数据，D_Q是数传支路Q的调制数据，P_I是测量支路I的调制伪码，P_Q是数传支路Q的调制伪码，f_c为DSSS_QPSK信号的载波频率，t为DSSS_QPSK信号的传播时间；

(2)正交下变频模块对DSSS_QPSK信号中的测量支路I和数传支路Q进行相位旋转；

(3)使用相干积分模块对步骤(2)中测量支路I和数传支路Q相位旋转后的结果进行相干积分，得到测量支路I的同相分量积分值II、正交分量积分值IQ以及数传支路Q的同相分量积分值QI、正交分量积分值QQ；

(4)载波同步模块利用步骤(3)得到的测量支路I的同相分量积分值II、正交分量积分值IQ进行鉴相、滤波、载波频率控制字的生成，产生正交的本地载波；

(5)误差相位鉴别模块利用步骤(3)得到的数传支路Q的同相分量积分值QI、正交分量积分值QQ进行载波正交相位误差的鉴别，鉴别结果经过α-β滤波，得到相位补偿角度；

(6)相位误差补偿模块根据步骤(5)得到的相位补偿角度对数传支路Q的同相分量积分值QI进行实时相位补偿，得到补偿结果，利用补偿结果对数传支路Q进行数据解调。

3.根据权利要求2所述的一种DSSS_QPSK载波相位正交误差接收补偿方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，相位旋转的方法为：使用正交的本地载波对DSSS_QPSK信号中的测量支路I和数传支路Q分别进行相位旋转，剥离DSSS_QPSK信号的载波。

4.根据权利要求3所述的一种DSSS_QPSK载波相位正交误差接收补偿方法，其特征在于：所述的正交的本地载波为步骤(4)中产生的正交的本地载波。

5.根据权利要求2所述的一种DSSS_QPSK载波相位正交误差接收补偿方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，产生的正交的本地载波用于步骤(2)中DSSS_QPSK信号中的测量支路I和数传支路Q的相位旋转。

6.根据权利要求2所述的一种DSSS_QPSK载波相位正交误差接收补偿方法，其特征在于：所述的步骤(3)中数传支路Q的同相分量积分值QI的表达式如式(2)所示，数传支路Q的正交分量积分值QQ的表达式如式(3)表示：

QI＝D_QR_Q(Δτ)sin c(ΔfT_coh)cos(Δφ) (2)

QQ＝D_QR_Q(Δτ)sin c(ΔfT_coh)sin(Δφ) (3)

其中，R_Q为数传支路Q的伪码相关值，Δτ为数传支路Q的伪码相位偏差值，Δf为跟踪的残余载波频率，T_coh为相干积分时间，Δφ为DSSS_QPSK信号正交性下降造成的残余角度。

7.根据权利要求2所述的一种DSSS_QPSK载波相位正交误差接收补偿方法，其特征在于：所述的步骤(5)中，鉴别结果Δφ_e的表达式如式(4)所示：

${\mathrm{\Δ\φ}}_e=\frac{QQ}{QI}---\left(4\right)$

其中，QQ为数传支路Q的正交分量积分值，QI为数传支路Q的同相分量积分值，Δφ_e为鉴别结果即单次载波正交性补偿量。

8.根据权利要求2所述的一种DSSS_QPSK载波相位正交误差接收补偿方法，其特征在于：所述的步骤(5)中，相位补偿角度的表达式如式(5)所示：

${\mathrm{\Δ\φ}}_{filter}\left(n\right)=\frac{7}{8}{\mathrm{\Δ\φ}}_{filter}(n-1)+\frac{1}{8}{\mathrm{\Δ\φ}}_e\left(n\right)---\left(5\right)$

其中，Δφ_filter(n)为数传支路Q的积分历元n时刻α-β滤波值；Δφ_e(n)为n时刻的鉴别结果，Δφ_filter(n-1)为数传支路Q的积分历元n-1时刻的α-β滤波值。

9.根据权利要求2所述的一种DSSS_QPSK载波相位正交误差接收补偿方法，其特征在于：所述的步骤(6)中，补偿结果的表达式如式(6)所示：

QI_pepair＝QI*cos(Δφ_filter)+QQ*sin(Δφ_filter) (6)

其中，QQ为数传支路Q的正交分量积分值，QI为数传支路Q的同相分量积分值，Δφ_filter为数传支路Q的滤波值。