CN112764065B - 一种oqpsk卫星双向时间比对信号频率同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种OQPSK卫星双向时间比对信号频率同步方法和系统,所述方法包括:对接收到的OQPSK数传信号进行非线性预处理,得到载波四倍频信号;通过快速傅里叶变换(FFT)和锁频环(FLL)的方式对载波四倍频信号进行频率提取;将提取的载波频率输出给锁相环及位同步环进行动态辅助;对接收到的OQPSK数传信号进行载波和数据相位跟踪,完成实时时间比对数据信息的解调。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信领域。更具体地,涉及一种OQPSK卫星双向时间比对信号频率同步方法。
背景技术
高精度时间同步是时间频率量传和溯源的基础。随着国际计量局(BIPM)对快速UTC的推广,各守时实验室对于远程比对结果的实时性也提出了更高要求。卫星双向时间比对技术是一种应用广泛的高精度时间传递方式。两地面站同时向卫星发射调制时间信号,经卫星转发后两站分别接收来自对方站的信号,两地面站将接收的信号资料互换后相减,得到两站之间高精度的时间钟差。
为了获取更高的数据传输速率和频带利用效率,从而获取更好的远程时间比对结果的实时性能,可以选取高数据率的OQPSK数传信号作为卫星双向时间比对信号,通过时间传递和高速数据传输一体化的实时高精度时间传递方法,通过获得数传信号的相位时延信息来获得时间传递信息。OQPSK数传信号的频谱特性好,频谱利用率高,且具有恒包络特性,适用于卫星信道。在完成站间时间同步的同时,可以完成大量的实时数据信息交互。对于高数据率OQPSK数传信号,现有的方法均是采取锁相环和位环相结合的方法对OQPSK信号进行解调。该解调方法的动态性能较差,导致在卫星信道中的使用受到制约,无法应用于动态较高的环境。
发明内容
有鉴于此,本发明的第一个实施例提供一种OQPSK卫星双向时间比对信号频率同步方法,包括:
对接收到的OQPSK数传信号进行非线性预处理,得到载波四倍频信号;
通过快速傅里叶变换(FFT)和锁频环(FLL)的方式对载波四倍频信号进行频率提取;
将提取的载波频率输出给锁相环及位同步环进行动态辅助;
对接收到的OQPSK数传信号进行载波和数据相位跟踪,完成实时时间比对数据信息的解调。
在一个具体实施例中,所述非线性预处理包括:
对接收的高数据率卫星双向时间比对OQPSK数传信号进行二倍频处理,经过三角变换后,得到载波二倍频信号;
继续对所述载波二倍频信号进行倍频处理,得到接收信号的载波四倍频信号。
在一个具体实施例中,所述OQPSK数传信号表示为:
式中,I(n)表示OQPSK数传信号同相支路信号,Q(n)表示OQPSK数传信号正交支路信号Ts表示时钟采样周期,fc表示接收信号载波频率,θ表示载波初始相位,mI(n)、mQ(n)为OQPSK基带信号,可以表示为:
式中,ai、bi表示两路正交数据信息,T表示数据周期,g(·)表示基带符号波形函数,由于数据只能为1或-1,近似认为
在一个具体实施例中,所述载波二倍频信号表示为:
式中,I2(n)表示载波二倍频信号的同相支路信号,Q2(n)表示载波二倍频信号的正交支路信号。
在一个具体实施例中,载波四倍频信号表示为:
式中,I4(n)表示载波四倍频信号的同相支路信号,Q4(n)表示载波四倍频信号的正交支路信号。
本发明的第二个实施例提供一种OQPSK卫星双向时间比对信号频率同步系统,包括:
非线性预处理模块,用于对接收到的OQPSK数传信号进行非线性预处理,得到载波四倍频信号;
频率提取模块,用于通过快速傅里叶变换(FFT)和锁频环(FLL)的方式对载波四倍频信号进行频率提取;将提取的载波频率输出给锁相环及位同步环进行动态辅助;
锁相环和位同步环模块,用于对接收到的OQPSK数传信号进行载波和数据相位跟踪,完成实时时间比对数据信息的解调。
在一个具体实施例中,所述非线性预处理单元包括:
二倍频获取单元,用于对接收的高数据率卫星双向时间比对OQPSK数传信号进行二倍频处理,经过三角变换后,得到载波二倍频信号;
四倍频获取单元,用于继续对所述载波二倍频信号进行倍频处理,得到接收信号的载波四倍频信号。
在一个具体实施例中,二倍频获取单元包括
第一平方器,输入OQPSK同相支路信号I(n)得到I2(n);
第二平方器,输入OQPSK正交支路信号Q(n)得到Q2(n);
第一加法器,与所述第一平方器和第二平方器的输出端连接,使信号I2(n)和Q2(n)的反向信号相加得到载波二倍频信号的同相支路信号I2(n);
第一乘法器,使2I(n)和Q(n)相乘得到载波二倍频信号的正交支路信号Q2(n)。
在一个具体实施例中,四倍频获取单元包括
第三平方器,与第一加法器输出端连接,输入I2(n)的得到
第四平方器,与第一乘法器输出端连接,输入Q2(n)得到
第二加法器,与所述第三平方器和第四平方器的输出端连接,使信号和的反向信号相加得到载波四倍频信号的同相支路信号I4(n);
第二乘法器,使2I2(n)和Q2(n)相乘得到载波四倍频信号的正交支路信号Q4(n)。
本发明的有益效果如下:
本发明提供的高动态条件下的OQPSK卫星双向时间比对信号频率同步方法,使得原有的解调算法可以应用于高动态场景,完成高动态条件下的基于OQPSK信号的双向时间比对。进而提高频带利用效率,完成大量数据信息的实时交互,实现多站间实时的高精度时间传递。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出根据本发明实施例的一种OQPSK卫星双向时间比对信号频率同步方法。
图2示出根据本发明实施例的一种OQPSK卫星双向时间比对信号频率同步方法。
图3示出根据本发明实施例的非线性预处理单元。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明,下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解,下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的,不应以此限制本发明的保护范围。
本发明在接收机中原有的载波锁相环及数据位环单元的基础上增加预处理单元,对接收到的高数据率OQPSK数传信号通过非线性运算的方式进行预处理,经过处理后的信号包含接收信号的载波四倍频信号和其它随机噪声分量。通过预处理的方式去掉了数据信息跳变的影响,仅包含接收信号的载波信息。通过快速傅里叶变换(FFT)和锁频环(FLL)的方式对载波四倍频信号进行频率提取,提取的频率为载波相位同步和数据位同步提供动态辅助,从而获得较好的动态跟踪性能。
本发明应用于实时高精度时间传递系统中,完成高动态条件下,高数据率的卫星双向时间比对OQPSK数传信号的频率同步,从而有助于接收机的动态性能,完成动态下大量数据信息的交互,实现实时的高精度时间传递。
如图1所示,一种OQPSK卫星双向时间比对信号频率同步方法,包括:
对接收到的OQPSK数传信号进行非线性预处理,得到载波四倍频信号;
通过快速傅里叶变换(FFT)和锁频环(FLL)的方式对载波四倍频信号进行频率提取;
将提取的载波频率输出给锁相环及位同步环进行动态辅助;
对接收到的OQPSK数传信号进行载波和数据相位跟踪,完成实时时间比对数据信息的解调。
所述非线性预处理包括:
对接收的高数据率卫星双向时间比对OQPSK数传信号进行二倍频处理,经过三角变换后,得到载波二倍频信号;
继续对所述载波二倍频信号进行倍频处理,得到接收信号的载波四倍频信号。
所述OQPSK数传信号表示为:
式中,I(n)表示OQPSK数传信号同相支路信号,Q(n)表示OQPSK数传信号正交支路信号Ts表示时钟采样周期,fc表示接收信号载波频率,θ表示载波初始相位,mI(n)、mQ(n)为OQPSK基带信号,可以表示为:
式中,ai、bi表示两路正交数据信息,T表示数据周期,g(·)表示基带符号波形函数,由于数据只能为1或-1,近似认为
所述载波二倍频信号表示为:
式中,I2(n)表示载波二倍频信号的同相支路信号,Q2(n)表示载波二倍频信号的正交支路信号。
载波四倍频信号表示为:
式中,I4(n)表示载波四倍频信号的同相支路信号,Q4(n)表示载波四倍频信号的正交支路信号。
由式(4)可知,经过非线性预处理后的信号去除了数据位跳变的影响,可以通过快速傅里叶变换(FFT)和锁频环(FLL)的方式对完成对四倍频载波信号的频率提取,傅里叶变换(FFT)完成大动态下载波频率的搜索,锁频环(FLL)完成一定动态范围内载波频率的精确跟踪和提取,将提取的载波频率输出给锁相环及位环进行动态辅助。
考虑到经过非线性预处理的信号虽然包含载波信息,但预处理过程中引进了随机噪声分量,导致信号的信噪比性能下降。若直接对非线性预处理的载波四倍频信号进行载波相位跟踪,其跟踪精度性能较差,进而影响到数据位相位的跟踪精度性能,从而会降低卫星双向时间比对精度和通信传输质量。因此采用基于最大后验概率(MAP)准则的鉴相方法的锁相环路和Gardner位同步环路在频率动态辅助下,对接收到的OQPSK信号进行载波和数据相位跟踪,完成高动态条件下实时时间比对数据信息的解调。
如图2所示,一种OQPSK卫星双向时间比对信号频率同步系统,包括:
非线性预处理模块,用于对接收到的OQPSK数传信号进行非线性预处理,得到载波四倍频信号;
频率提取模块,用于通过快速傅里叶变换(FFT)和锁频环(FLL)的方式对载波四倍频信号进行频率提取;将提取的载波频率输出给锁相环及位同步环进行动态辅助;
锁相环和位同步环模块,用于对接收到的OQPSK数传信号进行载波和数据相位跟踪,完成实时时间比对数据信息的解调。
一个优选示例,采用基于最大后验概率(MAP)准则的鉴相方法的锁相环路和Gardner位同步环路在频率动态辅助下,对接收到的OQPSK信号进行载波和数据相位跟踪,完成高动态条件下实时时间比对数据信息的解调。
如图3所示,所述非线性预处理单元包括:
二倍频获取单元,用于对接收的高数据率卫星双向时间比对OQPSK数传信号进行二倍频处理,经过三角变换后,得到载波二倍频信号;
四倍频获取单元,用于继续对所述载波二倍频信号进行倍频处理,得到接收信号的载波四倍频信号。
二倍频获取单元包括:
第一平方器,输入OQPSK同相支路信号I(n)得到I2(n);
第二平方器,输入OQPSK正交支路信号Q(n)得到Q2(n);
第一加法器,与所述第一平方器和第二平方器的输出端连接,使信号I2(n)和Q2(n)的反向信号相加得到载波二倍频信号的同相支路信号I2(n);
第一乘法器,使2I(n)和Q(n)相乘得到载波二倍频信号的正交支路信号Q2(n)。
四倍频获取单元包括:
第三平方器,与第一加法器输出端连接,输入I2(n)的得到
第四平方器,与第一乘法器输出端连接,输入Q2(n)得到
第二加法器,与所述第三平方器和第四平方器的输出端连接,使信号和的反向信号相加得到载波四倍频信号的同相支路信号I4(n);
第二乘法器,使2I2(n)Q2(n)相乘得到载波四倍频信号的正交支路信号Q4(n)。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定,对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动,这里无法对所有的实施方式予以穷举,凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (3)
1.一种OQPSK卫星双向时间比对信号频率同步方法,其特征在于,包括:
对接收到的OQPSK数传信号进行非线性预处理,得到载波四倍频信号;
通过快速傅里叶变换和锁频环的方式对载波四倍频信号进行频率提取;
将提取的载波频率输出给锁相环及位同步环进行动态辅助;
对接收到的OQPSK数传信号进行载波和数据相位跟踪,完成实时时间比对数据信息的解调;
所述非线性预处理包括:
对接收的高数据率卫星双向时间比对OQPSK数传信号进行二倍频处理,经过三角变换后,得到载波二倍频信号;
继续对所述载波二倍频信号进行倍频处理,得到接收信号的载波四倍频信号;
所述载波二倍频信号表示为:
所述载波四倍频信号表示为:
式中,I(n)表示OQPSK数传信号同相支路信号,Q(n)表示OQPSK数传信号正交支路信号Ts表示时钟采样周期,fc表示接收信号载波频率,θ表示载波初始相位,mI(n)、mQ(n)为OQPSK基带信号;I2(n)表示载波二倍频信号的同相支路信号,Q2(n)表示载波二倍频信号的正交支路信号;I4(n)表示载波四倍频信号的同相支路信号,Q4(n)表示载波四倍频信号的正交支路信号。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述OQPSK数传信号表示为:
式中,I(n)表示OQPSK数传信号同相支路信号,Q(n)表示OQPSK数传信号正交支路信号Ts表示时钟采样周期,fc表示接收信号载波频率,θ表示载波初始相位,mI(n)、mQ(n)为OQPSK基带信号,表示为:
式中,ai、bi表示两路正交数据信息,T表示数据周期,g(·)表示基带符号波形函数,由于数据只能为1或-1,近似认为
3.一种OQPSK卫星双向时间比对信号频率同步系统,其特征在于,包括:
非线性预处理模块,用于对接收到的OQPSK数传信号进行非线性预处理,得到载波四倍频信号;
频率提取模块,用于通过快速傅里叶变换和锁频环的方式对载波四倍频信号进行频率提取;将提取的载波频率输出给锁相环及位同步环进行动态辅助;
锁相环和位同步环模块,用于对接收到的OQPSK数传信号进行载波和数据相位跟踪,完成实时时间比对数据信息的解调;
所述非线性预处理单元包括:
二倍频获取单元,用于对接收的高数据率卫星双向时间比对OQPSK数传信号进行二倍频处理,经过三角变换后,得到载波二倍频信号;
四倍频获取单元,用于继续对所述载波二倍频信号进行倍频处理,得到接收信号的载波四倍频信号;
所述二倍频获取单元包括
第一平方器,输入OQPSK同相支路信号I(n)得到I2(n);
第二平方器,输入OQPSK正交支路信号Q(n)得到Q2(n);
第一加法器,与所述第一平方器和第二平方器的输出端连接,使信号I2(n)和Q2(n)的反向信号相加得载波二倍频信号的同相支路信号I2(n);
第一乘法器,使2I(n)和Q(n)相乘得到载波二倍频信号的正交支路信号Q2(n);
所述四倍频获取单元包括
第三平方器,与第一加法器输出端连接,输入I2(n)的得到
第四平方器,与第一乘法器输出端连接,输入Q2(n)得到
第二加法器,与所述第三平方器和第四平方器的输出端连接,使信号和/>的反向信号相加得到载波四倍频信号的同相支路信号I4(n);
第二乘法器,使2I2(n)和Q2(n)相乘得到载波四倍频信号的正交支路信号Q4(n);
其中,所述载波二倍频信号表示为:
所述载波四倍频信号表示为:
式中,I(n)表示OQPSK数传信号同相支路信号,Q(n)表示OQPSK数传信号正交支路信号Ts表示时钟采样周期,fc表示接收信号载波频率,θ表示载波初始相位,mI(n)、mQ(n)为OQPSK基带信号;I2(n)表示载波二倍频信号的同相支路信号,Q2(n)表示载波二倍频信号的正交支路信号;I4(n)表示载波四倍频信号的同相支路信号,Q4(n)表示载波四倍频信号的正交支路信号。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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