CN109541617A - 一种高速非相干通信测距装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速非相干通信测距装置和方法，包括发射单元、接收单元和时钟相位获取模块；发射单元包括发送处理模块、光调制模块和光发送器，发送处理模块用于对发送数据组帧、编码、载波加载处理后，由光调制模块通过光发送器转换成激光发射出去；接收单元包括接收处理模块、光解调器和光接收器，接收处理模块用于接收光解调器的数据，对接收数据进行解调、解码译码后还原成所需的接收数据，并从解调的ADC动态采样钟信号中获取恢复时钟信息；时钟相位获取模块，时钟相位获取模块与发送处理模块相连，时钟相位获取模块与接收处理模块相连。本发明可同时实现高速通信与高精度测距的装置，同时装置的体积小、功耗低。

Description

一种高速非相干通信测距装置及方法

技术领域

本发明涉及激光通信测距领域，具体的涉及一种高速非相干通信测距装置及方法。

背景技术

现有常用的测距方式有侧音测距、伪码测距、音码混合测距、信息帧测距等，一般通过测量双程信号传输时延得到测距数据。信息帧测距方式，属于非相干测距，可应用于双向测距和时间同步(Two-Way Ranging and Time Transmit，TWRTT)技术中；相比于其他测距方式，该方式可在实现高速通信(几百Mbps～几Gbps级别)的同时完成测距，特别适合应用于星地、星间高速通信链路中。现有信息帧测距方法主要基于固定的本地时钟，现有信息帧测距在通信数据帧中设置专门的测距帧，采用本地固定时钟与恢复时钟进行比较的方式测距，时钟为数十MHz的量级，要完成这么大量级的时钟比对，需耗费大量系统内部资源，在系统通信速率提升到(几百Mbps～几Gbps级别)的数量级时，接收端本地时钟信号恢复将更多的逻辑计算资源，不能满足高速率范围内实现正常通信与高精度测距的要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种可同时实现高速通信与高精度测距的装置与方法。

本发明采用的技术方案是：

一种高速非相干通信测距装置，包括：发射单元、接收单元和时钟相位获取模块；

所述发射单元包括发送处理模块、光调制模块和光发送器，所述发送处理模块用于对发送数据组帧、编码、载波加载处理后，发送至光调制模块，由光调制模块通过光发送器转换成激光信号向卫星发射；

所述接收单元包括接收处理模块、光解调器和光接收器，所述光解调器通过光接收器接收卫星发回的激光信号，所述接收处理模块用于对光解调器接收的数据进行解调、解码译码后还原成所需的接收数据，并从解调的ADC动态采样时钟信号中获取恢复时钟信息；

时钟相位获取模块，所述时钟相位获取模块与发送处理模块相连以用于在发射数据帧中融合可变时钟信息，所述时钟相位获取模块与接收处理模块相连以用于对接收数据中的时钟信号进行采样，形成接收时钟相位，并与发送时钟相位进行比对，获得所测距离。

进一步的，所述发送处理模块包括数据输入接口、组帧单元、编码单元、第一混频器、载波发生器，所述数据输入接口用于接收后台处理主机需要发送的数据，数据输入接口、组帧单元、编码单元、第一混频器、光调制器、光发射器依次相连，所述载波发生器与第一混频器相连，所述时钟相位获取模块分别与组帧单元、编码单元、载波发生器相连以用于提供统一时钟基准并在发射数据帧中融合可变时钟信息。

进一步的，所述接收处理模块包括ADC、串并转换单元、载波同步单元、抽样单元、位同步单元、帧同步单元和数据输出接口，所述数据输出接口用于向后台处理主机输出光接收器接收到的数据，所述光接收器、光解调器、ADC、串并转换单元、载波同步单元、抽样单元、位同步单元、帧同步单元和数据输出接口依次相连，所述ADC与位同步单元之间设置有位同步环单元。

进一步的，所述位同步环单元包括第二DDS单元、PLL和第二混频器，所述位同步单元与第二DDS单元相连，所述第二DDS单元、PLL、第二混频器依次相连，所述第二混频器分别与ADC、帧同步单元相连以用于提供采样时钟，所述PLL的时钟输入端与时钟相位获取模块相连以用于获取时钟信号。

进一步的，所述时钟相位获取模块包括晶振、第一DDS、照相脉冲发生单元、接收时刻采样器，所述晶振分别与第一DDS、接收时刻采样器相连，以用于输出本地时钟信号，所述第一DDS与发送处理模块相连以用于在发射数据帧中融合可变时钟信息，所述接收时刻采样器的多个输入端分别与照相脉冲发生单元、晶振、接收处理模块相连。

进一步的，所述晶振为温补晶振。

一种高速非相干通信测距方法，包括以下步骤：

S1、温补晶振输出特定频率的本地时钟信号给DDS、数字频率合成器合成频率可调的时钟信号，然后将可调时钟信号发送给组帧单元、编码单元和载波发生器，给上述单元提供统一时钟基准，在发射数据数据帧中融合可变本地时钟信息；包含可变本地时钟的数据经组帧单元组帧、编码单元编码、再经混频器进行相干调制后传送给激光调制器及激光功放后向目标卫星发出；

S2、卫星发回的数据经光接收器和光解调器处理后，在ADC的采样时钟的控制下进行数据转换；

S3、转换后的数据送入串并转换单元转换成并行信号，由去载波单元23去除载波后送入抽样单元抽样成2倍码率数据，以满足位同步对码率的要求；

S4、抽样数据累积到16点后送入位同步单元进行位同步处理并输出初始码元，初始码元经过零判决单元转换成8bit的数据后，经跨时钟域单元进行时钟转换送至帧同步单元；

S5、在帧同步单元中设置有多个搜索器，在帧同步完成后输出搜索器标号，即帧头位置标号；

S6、在帧同步模块输出帧头位置标志后，输入给标志信号检测单元；

S7、标志信号检测单元提取发射、接收的循环帧计数及秒计数器计数后，将计数结果送入延时测量单元，对1pps上升沿与标志信号上升沿之间的时钟个数，并将时钟延迟、发射、接收循环帧计数、秒计数信息输入测距信息融合单元，帧同步单元的帧头标志、相位信息提取单元通过时钟相位获取模块提取的本地恢复时钟信号和接收恢复时钟信号也同时输入测距信息融合单元；

S8、由测距信息融合单元输出测距信息。

进一步的，所述步骤S7中时钟相位获取模块获取本地恢复时钟和接收恢复时钟信号的工作过程为：

S7a、温补晶振7产生本地参考时钟CLK_ref；

S7b、本地参考时钟CLK_ref为照相脉冲模块提供时钟基准，在后台处理主机1pps发送的信号的作用下，产生频率为50Hz以下的快门脉冲信号；

S7c、快门时刻一到，接收时刻采样器获取ADC的接受恢复时钟信号发送给相位信息提取单元；

S7d、时钟相位获取模块内的DDS提取精延时信息，获取本地恢复时钟信号。

进一步的，所述步骤S4中位同步单元输出的时钟源信号经DDS、PLL和混频器再输入至ADC。

本发明的有益效果在于：

本发明在高速通信的同时实现测距，时钟相位获取模块从信息帧中提取传输总延时。从接收恢复的基带数据中，以计数的方式提取粗延时信息，以锁相环DDS测量方式提取精延时信息，将二者相加即可获得精确距离值，在测距值计算时消除了并行化导致的测距分辨率损失，避免了并行化导致的测距精度下降。

1、相比固定时钟信息帧测距系统，本发明的适应通信速率范围更广，适于数百兆至数十Gbps通信速率下的高精度测距；

2、相比传统的固定采样时钟方案，节约了高速并行位同步算法的资源消耗，节约了高精度测量所需的逻辑资源，由原来的几百上千万门逻辑降低至几十万门逻辑即可实现，因此节约了功耗、缩小了电路板/模块的体积、提高了系统集成度；

3、本方法采取融合帧同步标志、测量延时和距离值的处理方法，有效消除了测距中并行化对测距分辨率影响，提高了测距精度，实现了相位级(ps级、mm级)的高精度测距。

附图说明

图1为本发明高速非相干通信测距装置的原理框图；

图2为本发明高速非相干通信测距方法的流程图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

如图1所示为本发明的一种高速非相干通信测距装置，包括：发射单元、接收单元和时钟相位获取模块；

发射单元包括发送处理模块、光调制模块和光发送器，发送处理模块用于对发送数据组帧、编码、载波加载处理后，发送至光调制模块，由光调制模块通过光发送器转换成激光发射出去；

接收单元包括接收处理模块、光解调器和光接收器，光解调器通过光接收器接收卫星发回的激光信号，接收处理模块用于对光解调器接收的数据进行解调、解码译码后还原成所需的接收数据，并从解调的ADC动态采样时钟信号中获取恢复时钟信息；

时钟相位获取模块，时钟相位获取模块与发送处理模块相连以用于在发射数据帧中融合可变时钟信息，时钟相位获取模块与接收处理模块相连以用于对接收数据中的时钟信号进行采样，形成接收时钟相位，并与发送时钟相位进行比对，获得所测距离。

其中，发送处理模块包括数据输入接口11、组帧单元12、编码单元13、第一混频器14、载波发生器15，数据输入接口11用于接收需要发送的数据，数据输入接口11、组帧单元12、编码单元13、第一混频器14、光调制器、光发射器依次相连，载波发生器15与第一混频器14相连，时钟相位获取模块分别与组帧单元12、编码单元13、载波发生器15相连以用于提供统一时钟基准并在发射数据帧中融合可变时钟信息。

接收处理模块包括ADC(模数转换器)21、串并转换单元22、载波同步单元23、抽样单元24、位同步单元25、帧同步单元26和数据输出接口27，数据输出接口27用于向后台处理主机输出光接收器接收到的数据，光接收器、光解调器、ADC21、串并转换单元22、载波同步单元23、抽样单元24、位同步单元25、帧同步单元26和数据输出接口27依次相连，ADC21与位同步单元25之间设置有位同步环单元。

位同步环单元包括第二DDS281(直接数字频率合成器)、PLL282(锁相环)和第二混频器283，位同步单元25与第二DDS281相连，第二DDS281、PLL282、第二混频器283依次相连，第二混频器283分别与ADC21、帧同步单元26相连以用于提供采样时钟，第二DDS281根据接收恢复的基带码元动态调节ADC采样时钟，以实现更好的接收数据采样及恢复，PLL282的时钟输入端与时钟相位获取模块的温补晶振31相连以用于获取时钟信号。

时钟相位获取模块包括晶振31，优选的本实施例中采用温补晶振(附图中的TXCO)、第一DDS32(直接数字频率合成器)、照相脉冲发生单元33、接收时刻采样器34，温补晶振分别与第一DDS32、接收时刻采样器34相连，以用于输出本地时钟信号，第一DDS32与发送处理模块相连以用于在发射数据帧中融合可变时钟信息，其中接收时刻采样器34的第一输入端与PLL282输出的输出可变时钟相连，接收时刻采样器34的第二输入端与帧同步单元26输出的快门脉冲帧相连，接收时刻采样器34的第三输入端与温补晶振相连，接收时刻采样器34的第四输入端与照相脉冲单元33的快门时刻信号输出端相连。

优选的，本实施例中串并转换单元22、载波同步单元23、抽样单元24、第一DDS32、第二DDS281、位同步单元25、帧同步单元26、接收时刻采样器34、照相脉冲发生单元33均通过FPGA中的逻辑模块实现，优选的，采用ZYNQ系列的FPGA芯片组，也可以采用其他的可编程逻辑器件实现本装置中上述单元的功能，其余第一/第二混频器、PLL282、温补晶振、ADC21、载波发生器15皆采用常规的元器件。

如图2所示为本发明的一种高速非相干通信测距方法，包括以下步骤：

S1、温补晶振输出特定频率的本地时钟信号给DDS、数字频率合成器合成频率可调的时钟信号，然后将可调时钟信号发送给组帧单元、编码单元和载波发生器，给上述单元提供统一时钟基准，在发射数据数据帧中融合可变本地时钟信息；包含可变本地时钟的数据经组帧单元组帧、编码单元编码、再经混频器进行相干调制后传送给激光调制器及激光功放后向目标卫星发出；

S2、卫星发回的数据经光接收器和光解调器处理后，在ADC采样时钟的控制下进行数据转换；

S3、转换后的数据送入串并转换单元转换成并行信号，由去载波单元23去除载波后送入抽样单元抽样成2倍码率数据，以满足位同步对码率的要求；

S4、抽样数据累积到点后送入位同步单元进行位同步处理并输出初始码元，初始码元经过零判决单元转换成8bit的数据后，经跨时钟域单元30进行时钟转换送至帧同步单元；

S5、在帧同步单元中设置有多个搜索器，在帧同步完成后输出搜索器标号，即帧头位置标号；

S6、在帧同步模块输出帧头位置标志后，输入给标志信号检测单元；

S7、标志信号检测单元提取发射、接收的循环帧计数及秒计数器计数后，将计数结果送入延时测量单元，对1pps上升沿与标志信号上升沿之间的时钟个数，并将时钟延迟、发射、接收循环帧计数、秒计数信息输入测距信息融合单元，帧同步单元的帧头标志、相位信息提取单元通过时钟相位获取模块提取的本地恢复时钟信号和接收恢复时钟信号也同时输入测距信息融合单元；

S8、由测距信息融合单元输出测距信息。

其中，步骤S7中时钟相位获取模块获取本地恢复时钟和接收恢复时钟信号的工作过程为：

S7a、温补晶振7产生本地参考时钟CLK_ref；

S7b、本地参考时钟CLK_ref为照相脉冲模块提供时钟基准，在后台处理主机发送的1pps信号作用下，产生频率为50Hz以下的快门脉冲信号；

S7c、快门时刻一到，接收时刻采样器获取ADC的接受恢复时钟信号发送给相位信息提取单元Фrx，假设符号个数为N，一个符号的周期为Tc，则粗测距值就是N*Tc，如上，高速ADC采样时钟相位Фrx与星间距离的粗测值对应；

S7d、时钟相位获取模块内的DDS提取精延时信息(时钟相位信息，可换算成码元相位)，获取本地恢复时钟信号Фtx，精测距值就是在一个符号内的相位差。

本发明在数百Mbps～数Gbps高速通信的同时实现测距，时钟相位获取模块从信息帧中提取传输总延时(距离)。从接收恢复的基带数据中，以计数的方式提取粗延时信息(码元个数)，以锁相环DDS测量方式提取精延时信息(时钟相位信息，可换算成码元相位)，将二者相加即可获得精确距离值。

在高速解调的时候，载波同步使用Costas环、位同步采用超前-滞后鉴相算法，以动态调整硬件ADC采样时钟的方式，实现相干解调，在该处理方式中ADC采样时钟精准的恢复了对端发射机的时钟速率、码速率，同样也精准的体现了信号到达本地接收端的时间延迟信息，即可用于提取代表待测目标之间距离的码元相位信息，本装置采用数字系统，收发使用的是信息帧格式，所以信息数据标记(比如循环帧计数为0的数据段)出现时相对于测量起始时刻(本地发射信息数据标记的时刻)首先是以符号(码元)为单位进行计数测量的。假设符号个数为N，一个符号的周期为Tc，则粗测距值就是NTc，精测距值就是在一个符号内的相位差。总距离延时就是粗测距值与精测距值之和，总距离延时也就是每个终端需要测量的距离值。

在高速解调的时候，载波同步单元使用Costas环、位同步采用超前滞后鉴相算法，以调整硬件ADC采样时钟的方式，实现相干解调。则ADC采样时钟精准的恢复了对端发射机的时钟速率、码速率，同样也精准的体现了信号到达本地接收端的时间延迟信息，因此可以用于提取码元相位信息。

本发明在高速通信的同时实现测距，时钟相位获取模块从信息帧中提取传输总延时。从接收恢复的基带数据中，以计数的方式提取粗延时信息，以锁相环DDS测量方式提取精延时信息，将二者相加即可获得精确距离值，在测距值计算时消除了并行化导致的测距分辨率损失，避免了并行化导致的测距精度下降。

1、相比固定时钟信息帧测距系统，本发明的适应通信速率范围更广，适于数百兆至数十Gbps通信速率下的高精度测距；

2、相比传统的固定采样时钟方案，节约了高速并行位同步算法的资源消耗，节约了高精度测量所需的逻辑资源，由原来的几百上千万门逻辑降低至几十万门逻辑即可实现，因此节约了功耗、缩小了电路板/模块的体积、提高了系统集成度；

3、本发明采取融合帧同步标志、测量延时和距离值的处理方法，有效消除了测距中并行化对测距分辨率影响，提高了测距精度，实现了相位级(ps级、mm级)的高精度测距。

以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种高速非相干通信测距装置，其特征在于，包括：发射单元、接收单元和时钟相位获取模块；

所述发射单元包括发送处理模块、光调制模块和光发送器，所述发送处理模块用于对发送数据组帧、编码、载波加载处理后，发送至光调制模块，由光调制模块通过光发送器转换成激光信号向卫星发射；

所述接收单元包括接收处理模块、光解调器和光接收器，所述光解调器通过光接收器接收卫星发回的激光信号，所述接收处理模块用于对光解调器接收的数据进行解调、解码译码后还原成所需的接收数据，并从解调的ADC动态采样时钟信号中获取恢复时钟信息；

时钟相位获取模块，所述时钟相位获取模块与发送处理模块相连以用于在发射数据帧中融合可变时钟信息，所述时钟相位获取模块与接收处理模块相连以用于对接收数据中的时钟信号进行采样，形成接收时钟相位，并与发送时钟相位进行比对，获得所测距离。

2.根据权利要求1所述的高速非相干通信测距装置，其特征在于：所述发送处理模块包括数据输入接口(11)、组帧单元(12)、编码单元(13)、第一混频器(14)、载波发生器(15)，所述数据输入接口(11)用于接收后台处理主机需要发送的数据，数据输入接口(11)、组帧单元(12)、编码单元(13)、第一混频器(14)、光调制器、光发射器依次相连，所述载波发生器(15)与第一混频器相连，所述时钟相位获取模块分别与组帧单元(12)、编码单元(13)、载波发生器(15)相连以用于提供统一时钟基准并在发射数据帧中融合可变时钟信息。

3.根据权利要求1所述的高速非相干通信测距装置，其特征在于：所述接收处理模块包括ADC(21)、串并转换单元(22)、载波同步单元(23)、抽样单元(24)、位同步单元(25)、帧同步单元(26)和数据输出接口(27)，所述数据输出接口(27)用于向后台处理主机输出光接收器接收到的数据，所述光接收器、光解调器、ADC(21)、串并转换单元(22)、载波同步单元(23)、抽样单元(24)、位同步单元(25)、帧同步单元(26)和数据输出接口(27)依次相连，所述ADC(21)与位同步单元(25)之间设置有位同步环单元。

4.根据权利要求3所述的高速非相干通信测距装置，其特征在于：所述位同步环单元包括第二DDS单元(281)、PLL(282)和第二混频器(283)，所述位同步单元与第二DDS单元(281)相连，所述第二DDS单元(281)、PLL(282)、第二混频器(283)依次相连，所述第二混频器(283)分别与ADC(21)、帧同步单元(26)相连以用于提供采样时钟，所述PLL(282)的时钟输入端与时钟相位获取模块相连以用于获取时钟信号。

5.根据权利要求1所述的高速非相干通信测距装置，其特征在于：所述时钟相位获取模块包括晶振(31)、第一DDS(32)、照相脉冲发生单元(33)、接收时刻采样器(34)，所述晶振(31)分别与第一DDS(32)、接收时刻采样器(34)相连以用于输出本地时钟信号，所述第一DDS(32)与发送处理模块相连以用于在发射数据帧中融合可变时钟信息，所述接收时刻采样器(34)的多个输入端分别与照相脉冲发生单元(33)、晶振(31)、接收处理模块相连。

6.根据权利要求5所述的高速非相干通信测距装置，其特征在于：所述晶振(31)为温补晶振。

7.一种高速非相干通信测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、温补晶振输出本地时钟信号给DDS、数字频率合成器合成频率可调的时钟信号，然后将可调时钟信号发送给组帧单元、编码单元和载波发生器，给上述单元提供统一时钟基准，在发射数据数据帧中融合可变本地时钟信息；包含可变本地时钟的数据经组帧单元组帧、编码单元编码、再经混频器进行相干调制后传送给激光调制器及激光功放后向目标卫星发出；

S2、卫星发回的数据经光接收器和光解调器处理后，在ADC的采样时钟的控制下进行数据转换；

S3、转换后的数据送入串并转换单元转换成并行信号发送给去载波单元，去载波单元将数据去除载波后送入抽样单元抽样成2倍码率数据，以满足位同步对码率的要求；

S4、抽样数据累积到16点后送入位同步单元进行位同步处理并输出初始码元，初始码元经过零判决单元转换成8b i t的数据后，经跨时钟域单元30进行时钟转换送至帧同步单元；

S5、在帧同步单元中设置多个搜索器，在帧同步完成后输出搜索器标号，即帧头位置标号；

S6、在帧同步模块输出帧头位置标志后，输入给标志信号检测单元；

S7、标志信号检测单元提取发射、接收的循环帧计数及秒计数器计数后，将计数结果送入延时测量单元，对1pps上升沿与标志信号上升沿之间的时钟个数，并将时钟延迟、发射、接收循环帧计数、秒计数信息输入测距信息融合单元，帧同步单元的帧头标志、相位信息提取单元通过时钟相位获取模块提取的本地恢复时钟信号和接收恢复时钟信号也同时输入测距信息融合单元；

S8、由测距信息融合单元输出测距信息。

8.根据权利要求7所述的高速非相干通信测距方法，其特征在于：所述步骤S7中时钟相位获取模块获取本地恢复时钟和接收恢复时钟信号的工作过程为：

S7a、温补晶振7产生本地参考时钟CLK_ref；

S7b、本地参考时钟CLK_ref为照相脉冲模块提供时钟基准，在后台处理主机发送的1pps信号的作用下，产生频率为50Hz以下的快门脉冲信号；

S7c、快门时刻一到，接收时刻采样器获取ADC的接受恢复时钟信号发送给相位信息提取单元；

S7d、时钟相位获取模块内的DDS提取精延时信息，获取本地恢复时钟信号。

9.根据权利要求7所述的高速非相干通信测距方法，其特征在于：所述步骤S4中位同步单元输出的时钟源信号经DDS、PLL和混频器再输入至ADC。