CN111262604B - 基于方向回溯天线的波束自跟踪全双工通信系统及方法 - Google Patents

基于方向回溯天线的波束自跟踪全双工通信系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于方向回溯天线的波束自跟踪全双工通信系统及方法，系统主要包括收发天线、接收电路和共轭发射电路。其中接收电路主要由Costas环结构来实现。共轭发射电路采用超外差混频结构对恢复的载波进行相位共轭，达到自跟踪性能，从而实现方向回溯。本发明无需预先知道来波信号的发射方向，通过提取出来波信号的空间相位信息，然后经过相位共轭处理将空间相位反相，将回波信号重新发射到来波方向上，实现通信链路的自动对准。接收电路由Costas环结构构成，不仅能够实现空间相位同步的载波提取，也能够对来波信号进行解调，提取原始基带信号，解码出原始二进制码元。本发明比传统的锁相环电路实现相位共轭功能更为简单，无需额外的信号解调电路。

Description

基于方向回溯天线的波束自跟踪全双工通信系统及方法
技术领域
本发明属于动中通无线通信技术领域，涉及一种可以用于方向回溯天线的波束自跟踪全双工通信系统及方法，可同时实现复杂调相信号(例如QPSK信号)的接收，调相信号的解调以及载波提取，后续的相位共轭，从而进行方向回溯，实现自跟踪的功能。
背景技术
方向回溯天线系统具有低成本、高增益和快速自跟踪能力等特点，从而在现代移动通信等领域中有着广泛的应用前景。
为了适应越来越复杂的电磁环境，现代通信系统的调制方式由单一向复杂转变。方向回溯天线系统的通信能力也是重要的考虑因素。目前，用于方向回溯的相位共轭电路的通信调制解调方式较为简单，且较少应用于复杂相位调制方式的信号通信。
相位共轭技术是实现方向回溯天线波束自跟踪能力的关键技术。传统的相位共轭电路往往采用混频方式实现对入射导频的相位共轭，并将其发射，实现简单的回溯功能，当需要进行信息传递时，传统相位共轭电路受到了局限。近年来，有学者提出了锁相混频结构的相位共轭电路，以电路的复杂为代价将相位调制方式的来波信号中的数据信息与载波分离，实现了相位共轭电路的双工通信能力。方向回溯天线系统正不断加强与现代通信系统的结合。
QPSK作为数字调制解调最常用的方法之一，具有良好的抗噪特性和频带利用率，已经广泛应用于卫星链路、数字集群等通信业务。
利用Costas环法直接从接收的已调信号中提取载波进行回溯，无需额外导频信号需求，节省了频谱资源。并能在确保相位共轭性能的同时具有直接对来波信号进行解调输出的能力，而无需额外的解调模块，降低了接收电路的复杂度。
发明内容
本发明的目的在于对复杂相位调制方式的通信基础上，提出了一种可用于方向回溯天线的波束自跟踪的全双工通信系统及方法，用于实现信号的接收、解调、载波提取以及相位共轭。利用Costas环实现的接收电路，无需额外的信号解调电路和导频信号需求，从而降低了电路的复杂度以及节省频带资源。
本发明的系统所采用的技术方案是：一种基于方向回溯天线的波束自跟踪全双工通信系统，其特征在于：包括收发天线、接收电路和共轭发射电路；
所述收发天线，用于接收QPSK信号调制电路调制的信号，送入所述接收电路进行后续处理，也用于所述共轭发射电路输出的回波信号进行重新发射；
所述接收电路，利用Costas环结构对信号进行解调，然后送入所述共轭发射电路；
所述共轭发射电路，利用超外差混频结构实现相位共轭，最后将相位共轭的信号用于发射载波生成并加载调制信息进行发射，实现具有实时自动方向回溯能力的全双工通信系统。
本发明的方法所采用的技术方案是：一种基于方向回溯天线的波束自跟踪全双工通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：收发天线接收QPSK信号调制电路调制的信号，送入所述接收电路进行后续处理；
所述QPSK信号调制电路调制的信号为：
Figure BDA0002377050500000021
其中，DI(t)、DQ(t)为两路正交信号；ωRF为信号频率，
Figure BDA0002377050500000022
为QPSK信号初始相位，RF指的是射频；t表示信号的时间变量。
步骤2：所述接收电路，利用Costas环结构对信号进行解调；首先与压控振荡器VCO输出的两路正交信号进行混频，然后将两路下边带信号通入鉴相器PD和环路滤波器LF，获得环路控制电压以控制VCO的输出频率，环路锁定后，VCO的输出vout即为恢复的载波，将恢复的载波送入所述共轭发射电路；
Figure BDA0002377050500000023
步骤3：共轭发射电路，利用超外差混频结构实现相位共轭，最后将相位共轭的信号用于发射载波生成并加载调制信息进行发射，实现具有实时自动方向回溯能力的全双工通信系统。
本发明来波信号的相位由两种相位信息构成：数据相位和空间相位。其中数据相位信息是由来波信号本身的调制方式决定，而空间相位信息与天线阵列的方向以及来波信号的传播时延相关。方向回溯就是无需预先知道来波信号的发射方向，通过提取出来波信号的空间相位信息，然后经过相位共轭处理将空间相位反相，这样就能够将回波信号重新发射到来波方向上，实现通信链路的自动对准。相位共轭主要技术电路是由Costas环结构构成，Costas环不仅能够实现空间相位同步的载波提取，同时也能够对来波信号进行解调，提取原始基带信号，解码出原始二进制码元。
本发明的有益效果包括：
(1)本发明的系统无需预估来波信号的方向，也不需要复杂数字信号处理过程和移相器、衰减器模块，就能将回波信号发射到来波方向上，实现实时波束自跟踪，即方向回溯的功能。
(2)本发明的系统具有直接对来波信号进行解调输出的能力，而无需额外的解调模块，降低了接收电路的复杂度；同时该系统直接从接收的已调信号中提取载波用于方向回溯的信息发送，无需额外导频信号需求，节省了频谱资源，实现全双工通信的功能。
(3)本发明运用Costas环技术，比传统的锁相环电路实现相位共轭功能更为简单，并且无需额外的信号解调电路，能够在Costas电路中直接实现信号解调以及同步载波提取。
附图说明
附图1是本发明实施例中全双工通信系统框图，(a)接收系统框图(b)发射系统框图；
附图2是本发明实施例中两通道输入信号波形图；
附图3是本发明实施例中Costas loop载波恢复结果，(a)环路控制电压波形图，(b)入射信号与VCO同向正交电压波形图；
附图4是本发明实施例中两通道回传信号波形图；
附图5是本发明实施例中Costas环电路解调结果；
附图6是本发明实施例中0～180°角度范围下两通道相位共轭结果，(a)单通道解调输出结果，(b)双通道合成解调输出结果。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1，本发明提供的一种基于方向回溯天线的波束自跟踪全双工通信系统，包括收发天线、接收电路和共轭发射电路；
收发天线，用于接收QPSK信号调制电路调制的信号，送入接收电路进行后续处理，也用于所述共轭发射电路输出的回波信号进行重新发射；
接收电路，利用Costas环结构对信号进行解调，然后送入共轭发射电路；
共轭发射电路，利用超外差混频结构实现相位共轭，最后将相位共轭的信号用于发射载波生成并加载调制信息进行发射，实现具有实时自动方向回溯能力的全双工通信系统。
本实施例的收发天线，其中每个天线阵元对应一个相位共轭电路，采用同一组天线阵进行接收和发射，每个通道的接收端和发射端分别与天线单元的两个相互垂直的极化端口相连，达到收发隔离的目的。
本实施例的方向回溯天线的功能就是无需预先知道来波信号的方向，通过后续相位共轭处理，使得载波信号的相位翻转，再搭载有用信息从而可以对准来波方向进行信号重新发射。
本实施例的QPSK信号调制电路包括二进制信号发生器、串/并转换模块、单/双极性转换模块、载波相乘模块；
本实施例的二进制信号发生器，采用一张彩色图片模拟传输数据，用于首先将图片转换成8进制RGB数据，然后将8进制转换成2进制数据作为基带输入信号；
本实施例的串/并转换模块，用于将输入的基带信号由串行的数据链转换成两路I、Q正交的并行数据链，使数据速率减小为原来的一半；
由于调制发射的原始基带信号为单极性信号，需要经过转换变成双极性信号才能进行调制；本实施例的单/双极性转换模块，用于将单极性0、1信号转换成双极性-1、+1信号。
本实施例的载波相乘模块，用于将经过串并转换后的两路正交I、Q路基带信号与本地载波相乘，从而进行QPSK信号调制，调制后的信号幅度不变，只是相位有所变化。
本实施例的Costas环结构包括混频器、低通滤波器LPF、鉴相器PD、环路滤波器LF和压控振荡器VCO；
本实施例的混频器，用于将压控振荡器VCO输出的两路正交信号和接收的QPSK调制信号进行混频，从而送入所述低通滤波器中滤除高频成分；
本实施例的低通滤波器LPF，用于滤除信号的高频成分以及噪声信号；
本实施例的鉴相器PD，用于将参考信号与压控振荡器VCO输出的本地信号进行相位比较，从而产生对应于这两个信号相位差的误差电压；
本实施例的环路滤波器LF，用于滤除误差信号中的高频成分以及噪声输出信号，从而保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性；环路滤波器对于鉴相器的输出是一个低通滤波的作用，同时也对环路的捕捉、稳定、噪声滤除和带宽等都有作用。
本实施例的压控振荡器VCO是电压控制振荡器，能够受环路滤波器输出电压的控制，使得振荡频率向参考频率靠拢，从而使压控振荡器VCO输出信号和参考信号的差拍频率越来越低，直至二者保持频率相同、保持一个较小的剩余相差水平为止。
本实施例的共轭发射电路，采用超外差混频结构对恢复的载波进行相位共轭，将提取到的同步载波信号首先与一个低本振信号LO1下变频到中频IF，然后中频信号再由高本振信号LO2上变频到射频RF信号，得到相位共轭后的信号，从而进行后续通信功能，实现全双工通信。
本发明还提供了一种基于方向回溯天线的波束自跟踪全双工通信方法，包括以下步骤：
步骤1：收发天线接收QPSK信号调制电路调制的信号，送入接收电路进行后续处理；
所述QPSK信号调制电路调制的信号为：
Figure BDA0002377050500000051
其中，DI(t)、DQ(t)为两路正交信号；ωRF为信号频率，
Figure BDA0002377050500000052
为QPSK信号初始相位，RF指的是射频；t表示信号的时间变量。
步骤2：接收电路，利用Costas环结构对信号进行解调。Costas环主要由混频器、低通滤波器LPF、鉴相器PD、环路滤波器LF以及压控振荡器VCO组成。
接收到的QPSK信号首先一分为二，与压控振荡器VCO输出的两路正交的同频本地振荡信号进行混频，混频后的下边带信号经过低通滤波器滤除高频成分后就可以提取出解调的I、Q两路正交基带信号，再经过抽样判决以及并/串转换后就可以恢复出原始携带的信息码元。
同时，混频输出的两路下边带信号中携带有空间相位的信息，将其再通入Costas环结构中的鉴相器PD以及环路滤波器LF，就可以获得环路输出电压控制的VCO输出频率，来调整最后VCO输出的信号相位与接收信号空间相位的差距，成为一个闭环结构，从而使得相位差越来越小。环路锁定后，环路输出电压将在0V附近稳定。此时，VCO后的输出信号就是提取到包含空间相位信息的同步载波。
Figure BDA0002377050500000061
步骤3：共轭发射电路，利用超外差混频结构实现相位共轭，最后将相位共轭的信号用于发射载波生成并加载调制信息进行发射，实现具有实时自动方向回溯能力的全双工通信系统；
本实施例中，将所恢复的载波信号与中频本振信号进行混频，首先利用一个低本振信号LO1下变频到中频IF，然后中频信号再由高本振信号LO2上变频到射频信号，得到相位共轭后的载波信号，再搭载有用信息码元，就可以进行后续通信功能。
为了验证该方法的可行性，采用Matlab/Simulink软件对该电路模型进行仿真实验。首先验证两通道包含不同空间相位的信号的仿真实验。
其中基带二进制序列比特率为10Mb/s，采用QPSK调制方式，载波频率为1GHz。第二通道的入射信号相位超前第一通道的入射信号信号45°，入射信号的载噪比为10dB。
图2所示为经过信道传输的两个通道输入波形。
各通道的低通滤波器为6阶IIR数字滤波器，通带为0.5GHz，截止频率2.5GHz，截止幅度80dB；环路滤波器LF为2阶IIR数字滤波器；用于相位共轭的本振信号频率分别为为0.8GHz、1.18GHz，经过带通滤波器滤除干扰信号，获得回传信号频率为980MHz；采用初始相位正交的两个VCO模拟其产生的两路正交信号设定其中心频率为1GHz，通过调节VCO压控灵敏度和环路滤波器的参数值来调节环路的稳定性能，此处设置VCO压控灵敏度设置为1MHz/V。
Costas环锁定过程中，环路中的LF输出端将产生调节VCO频率的控制电压，当环路稳定时，环路控制电压趋于稳定，此时，VCO的同相输出端的输出信号即为相干载波信号。
若只观察单通道，图3所示为载波恢复结果。图3(a)表述为环路控制电压的时域波形，环路波形在0V附近抖动，即达到稳定。图3(b)分别表示了环路稳定时入射信号的波形、初始载波信号、VCO同相支路的输出信号波形，从中可以看到，VCO同相支路的输出端与入射信号的载频相位同步，即完成了相干载波提取。
图4所示为同步后的载波信号经过后级与本振信号混频后获得的两通道回传信号波形。相比于图3的输入信号波形，第二通道回传信号相位滞后第一通道45°，即实现相位共轭。
这里使用载波相位基准旋转法来消除解调产生的相位模糊现象，图5所示为对电路在0～180°角度范围下进行相位共轭功能验证结果。
当环路锁定时，Costas环两条正交支路的低通滤波器的输出端分别产生解调的两路正交数据信息。各通道得到的解调信号相同，不会受到一定角度入射时的时延相位影响，可将两通道合成的解调信号进行合成，实现解调信号同相叠加即利用阵列的接收阵因子，以获得更优输出信噪比的数据信息。
图6所示将单通道解调输出信号与发送的基带信号对比，以及双通道的解调输出合成结果。同相支路解调刚开始码元会有一定数量的延迟，因此需要去掉延迟部分再进行并/串转换才不会影响解调输出。
本发明提出了一种新的可用于双工通信的相位共轭电路，将Costas环结构与超外差混频结构相结合实现电路的相位共轭性能和通信能力，结果表明，该电路具备如下几个优点：
(1)采用Costas锁相环结构，实现载波提取和超外差混频进行相位共轭，获得了较高的相位共轭性能(±3°范围内)；
(2)实现对QPSK相位调制的来波信号的直接解调，能够对信道载噪比10dB的接收信号进行解调，具有一定的抗噪声性能；
(3)各通道解调信号相位相同，无需复杂的自适应算法即可利用阵列的接收阵因子，使各路解调输出信号同相叠加，提高了解调信号的质量。
同时，电路中各个通道的接收端互不影响，提高了电路的容错率。综上可得，该电路方案在一定程度上促进了方向回溯系统与现代通信系统结合。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术；上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于方向回溯天线的波束自跟踪全双工通信方法，采用基于方向回溯天线的波束自跟踪全双工通信系统；
其特征在于：所述系统包括收发天线、接收电路和共轭发射电路；
所述收发天线，用于接收QPSK信号调制电路调制的信号，QPSK信号包含两种相位信息，一种是由于信号调制方式带来的数据相位信息；一种是由于在信号传播过程中不同入射方向角及延时情况下的空间相位信息；天线接收的QPSK信号送入所述接收电路进行后续处理，同时天线也用于所述共轭发射电路输出的回波信号进行重新发射；
所述接收电路，利用Costas环结构同时实现信号的解调和载波同步功能，解决Costas环结构相位模糊的问题，实现0～180°相差范围内的载波同步，然后将提取后的同步载波送入所述共轭发射电路；
所述共轭发射电路，采用超外差混频结构对恢复的载波进行相位共轭，将提取到的同步载波信号首先与一个低本振信号LO1下变频到中频IF，然后中频信号再由高本振信号LO2上变频到射频RF信号，得到相位共轭后的信号，相位共轭后的信号携带有原始接收信号的空间相位信息，通过加载调制信息进行发射，就可以实现发射信号功率最大方向对准来波方向，从而进行后续通信功能，实现全双工通信；
所述方法包括以下步骤：
步骤1：收发天线接收QPSK信号调制电路调制的信号，送入所述接收电路进行后续处理；
所述QPSK信号调制电路调制的信号为：
Figure FDA0002986930020000011
其中，DI(t)、DQ(t)为两路正交基带信号，反应来波信号的数据相位信息；ωRF为信号频率，
Figure FDA0002986930020000012
为QPSK信号初始相位，反应来波信号的空间相位信息；RF指的是射频；t表示信号的时间变量；
步骤2：所述接收电路，利用Costas环结构对信号进行解调；首先与压控振荡器VCO输出的两路正交信号进行混频，然后将两路下边带信号通入鉴相器PD和环路滤波器LF，获得环路控制电压以控制VCO的输出频率，环路锁定后，Costas环两条正交支路的低通滤波器的输出端分别产生解调的两路正交数据信息，再经过抽样判决以及并/串转换后就可以恢复出原始携带的信息码元；VCO的输出vout即为恢复的同步载波，同步载波仅含有空间相位信息，将恢复的载波送入所述共轭发射电路；
Figure FDA0002986930020000021
同时，接收电路利用本地载波相位基准旋转法解决Costas环结构相位模糊的问题，实现0～180°相差范围内的载波同步；
步骤3：共轭发射电路，利用超外差混频结构实现相位共轭，将提取到的同步载波信号首先与一个低本振信号LO1下变频到中频IF，然后中频信号再由高本振信号LO2上变频到射频RF信号，得到相位共轭后的信号；最后将相位共轭的信号用于发射载波生成并加载调制信息进行发射，实现具有实时自动方向回溯能力的全双工通信系统。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述收发天线，其中每个天线阵元对应一个相位共轭电路，采用同一组天线阵进行接收和发射，每个通道的接收端和发射端分别与天线单元的两个相互垂直的极化端口相连，达到收发隔离的目的。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述QPSK信号调制电路，包括二进制信号发生器、串/并转换模块、单/双极性转换模块、载波相乘模块；
所述二进制信号发生器，用于首先将图片转换成8进制RGB数据，然后将8进制转换成2进制数据作为基带输入信号；
所述串/并转换模块，用于将输入的基带信号由串行的数据链转换成两路I、Q正交的并行数据链，使数据速率减小为原来的一半；
所述单/双极性转换模块，用于将单极性0、1信号转换成双极性-1、+1信号；
所述载波相乘模块，用于将经过串并转换后的两路正交I、Q路基带信号与本地载波相乘，从而进行QPSK信号调制，调制后的信号幅度不变，只是相位有所变化。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述Costas环结构包括混频器、低通滤波器LPF、鉴相器PD、环路滤波器LF和压控振荡器VCO；
所述混频器，用于将压控振荡器VCO输出的两路正交信号和接收的QPSK调制信号进行混频，从而送入所述低通滤波器中滤除高频成分；
所述低通滤波器LPF，用于滤除信号的高频成分以及噪声信号，当环路锁定时，从低通滤波器后输出解调后的两路正交基带信号，然后通过简单的抽样判决和并/串转换后就可以恢复出原始基带码元信息；
所述鉴相器PD，用于将参考信号与压控振荡器VCO输出的本地信号进行相位比较，从而产生对应于这两个信号相位差的误差电压；
所述环路滤波器LF，用于滤除误差信号中的高频成分以及噪声输出信号，从而保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性；
所述压控振荡器VCO是电压控制振荡器，能够受环路滤波器输出电压的控制，使得振荡频率向参考频率靠拢，从而使压控振荡器VCO输出信号和参考信号的差拍频率越来越低，直至二者保持频率相同、保持一个较小的剩余相差水平为止。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3中，将所恢复的载波信号与中频本振信号进行混频，首先利用一个低本振信号LO1下变频到中频IF，然后中频信号再由高本振信号LO2上变频到射频信号，得到相位共轭后的载波信号，再搭载有用信息码元，就可以进行后续通信功能。
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