CN113346960B - 一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的方法及系统，属于太赫兹通信技术领域。本发明公开的一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的方法和一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的系统。本发明通过发送伪码导频的形式检测通道一和通道二正交信号的幅度相位差，根据反馈差异值自动校准空间正交调制信号合成发送系统，提高合成正交调制信号的效率；两通道分别发送相互正交的恒包络调制信号调制到太赫兹频段后，在自由空间远端无损合成一路宽带调制信号，即实现两通道正交信号在太赫兹波段空间高效率合成。由于采用恒包络信号本发明能够避免功放的功率回退，降低对功放线性度的要求，进而提高功放效率以及太赫兹发射系统的能效。

Description

一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的方法及系统
技术领域
本发明涉及一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的方法及系统，属于太赫兹通信技术领域。
背景技术
近几年来随着卫星通信、导航、雷达、遥感、电子对抗等系统的快速发展，微波功率放大器技术也随着我国科技的发展而得到不断的提升，无论是雷达还是卫星技术对高性能微波功放的需求正在逐年增加。功放在通信系统中有着不可替代的作用，功率放大器的输出功率直接或间接影响系统很多方面的通信性能，如：设备之间的通信质量、相邻信道之间的抗干扰能力和通信距离等。现阶段微波固态器件的性能已经逐渐无法满足国内卫星通信和雷达技术对于输出功率的指标要求，短期时间内，在微波固态单片输出功率难以取得突破性进展的情况下，空间正交调制信号合成技术是实现大功率输出最为行之有效的方法。
采用空间正交移相调制信号合成发射系统，输入信号的幅度和相位信息被分离成两个恒包络的相位调制信号，分别由两个通道发出。两通道信号发送之后，在接收端天线处完成功率合成。其优点是可采用非线性放大器放大恒包络信号，提高功放效率而不降低线性度，也可传输宽带信号。但是由于对合成信号的正交两支路有幅度和相位的要求，在合成过程中需要不断地调整通道一和通道二发送信号的幅度和相位，增加了合成信号的难度。若在宽带调制信号合成之前，先分别在两个通道上发送两段正交的伪码序列，并在接收端解调计算两通道的相位和幅度差异，继而将计算结果反馈到发送端，纠正两通道之间的幅相差异。然后再发送高速信号时可直接合成宽带调制信号，提高合成信号的效率。
发明内容
本发明公开的一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的方法及系统的目的是：通过发送伪码导频的形式检测通道一和通道二正交信号的幅度相位差，根据反馈差异值以自动校准空间正交调制信号合成发送系统，提高合成正交调制信号的效率；两通道分别发送相互正交的恒包络调制信号调制到太赫兹频段后，在自由空间远端无损合成一路宽带调制信号，即实现两通道正交信号在太赫兹波段空间高效率合成。由于采用恒包络信号本发明能够避免功放的功率回退，降低对功放线性度的要求，进而提高功放效率以及太赫兹发射系统的能效。
为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：
本发明公开的一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的方法，在空间合成正交调制信号之前，两通道同时发送相互正交的伪随机序列，所述伪随机序列即为PN码。根据PN码有良好的自相关特性，在接收端对PN码进行捕获和跟踪，得到正交两通道信号在传输过程中的幅度相位差，根据反馈到发送端的反馈差异值进行调整纠正，即实现自动校准空间正交调制信号合成发送系统，提高合成正交调制信号的效率。将两通道发送的正交恒包络调制信号调制到太赫兹频段后，在自由空间远端无损合成一路宽带调制信号，即实现两通道正交信号在太赫兹波段空间高效率合成。
本发明公开的一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的方法，包括如下步骤：
步骤1、根据PN码有良好的自相关特性，发送端利用FPGA逻辑器件生成两组速率相同为R、扩频比为k、过采样倍数为M的相互正交的幅度相同的PN码，所述相互正交的PN码分别通过第一数模转换器DAC1、第二数模转换器DAC2发出。
所述两通道相互正交的PN序列有处处为0的互相关特性。
所述自相关特性由下式表示：
Figure 525011DEST_PATH_IMAGE001
(1)
其中
Figure 586508DEST_PATH_IMAGE002
为PN序列的自相关函数，N是PN序列的长度。
步骤2、步骤1发送的相互正交的PN码分别进入上变频模块。由本振模块产生本振，与基带信号PN码同时送入上变频模块，得到太赫兹信号，之后经过功率放大器、发送天线发出到自由空间中，实现两通道发出的正交信号到自由空间中。
步骤3、接收天线同时接收步骤2两通道发出的正交信号，与本振模块产生的本振信号进行混频，得到中频信号。
步骤4、中频信号经过模数转换器ADC采样量化之后进入数字模块，在数字模块中进行下变频、低频滤波，得到基带信号，再对基带信号进行捕获和跟踪。捕获包括粗捕获和细捕获。依据粗捕获中不同的本地PN码与基带信号相关将基带信号分成两路，两路同时工作并分别输出两路相关峰，比较两路相关峰位置，得到两通道的码相位差异和幅度差异。粗捕获完成之后，对基带信号进行细捕获，依据细捕获中不同的本地PN码与基带信号相关实现对基带信号的解扩，并将基带信号分成两路，再对两路信号进行积累并做快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)，得到两路的载波频偏估计值。根据细捕获结果进行频偏补偿，进一步缩小频偏。补偿之后的基带信号进入跟踪环路，跟踪环路包括码环和载波环。将补偿之后的基带信号送入码环，依据码环中不同的本地PN码与基带信号相关将补偿之后的基带信号分成两路，两路同时工作并分别输出两路码元的最佳采样点。码环输出两路最佳采样点经过载波环，比较两通道载波相位差异。载波环路主要由鉴相器、环路滤波器和数控振荡器 (Numerical Control Oscillator，NCO)组成。载波环采用负反馈机制实现载波跟踪，载波环根据载波跟踪结果输出两通道的载波相位差异。
所述依据粗捕获中不同的本地PN码与基带信号相关将基带信号分成两路，实现方法为：基带信号做G点的FFT后与本地PN1码的FFT共轭相乘并做逆快速傅里叶变换(InverseFast Fourier Transform，IFFT)再取模，检测相关峰值1；另一路相同的基带数据做G点的FFT与本地PN2码的FFT共轭相乘并做IFFT取模，检测相关峰2；比较两路相关峰位置，得到发送两通道的码相位差异和幅度差异，根据得到的两通道的码相位差异和幅度差异，即实现粗捕获。
所述本地PN1码为通道一发送的PN码，本地PN2码为通道二发送的PN码。
所述相关峰值1为本地PN1码的相关峰值，相关峰值2为本地PN2码的相关峰值。
步骤4.1、中频信号经过采样频率为f s 的模数转换器ADC采样量化之后进入数字模块，在数字模块中进行下变频、低通滤波，得到基带信号，再对基带信号进行捕获和跟踪。
步骤4.2、依据粗捕获中不同的本地PN码与基带信号相关将基带信号分成两路，两路同时工作并分别输出两路相关峰，比较两路相关峰位置，得到两通道的码相位差异和幅度差异。
依据粗捕获中不同的本地PN码与基带信号相关将基带信号分成两路。基带信号做G点的FFT后与本地PN1码的FFT共轭相乘，将基带信号处理由时域转换为频域，并做IFFT再取模，实现本地PN1码与基带信号相关，检测相关峰值1；另一路相同的基带数据做FFT与本地PN2码的FFT共轭相乘，将基带信号处理由时域转换为频域，并做IFFT取模，实现本地PN2码与基带信号相关，检测相关峰2；比较两路相关峰位置，得到发送两通道的码相位差异和幅度差异，根据得到的两通道的码相位差异和幅度差异，即实现粗捕获。
步骤4.3、粗捕获完成之后，对基带信号进行细捕获，依据细捕获中不同的本地PN码与基带信号相关实现对基带信号的解扩，并将基带信号分成两路，再对两路信号进行积累并做FFT，得到两路的载波频偏估计值。根据细捕获结果进行频偏补偿，进一步缩小频偏。
粗捕获完成之后，先使用本地PN1码对基带信号解扩，做L点积累，再通过做P点FFT运算得到第一路载波频偏估计值。使用本地PN2码对基带信号解扩，做L点积累，再通过做P点FFT运算得到第二路载波频偏估计值。根据细捕获结果进行频偏补偿，进一步缩小频偏。
细捕获的频率分辨率为
Figure 57809DEST_PATH_IMAGE003
，f s 是采样频率。
步骤4.4、补偿之后的基带信号进入跟踪环路，跟踪环路包括码环和载波环。将补偿之后的基带信号送入码环，依据码环中不同的本地PN码与基带信号相关将补偿之后的基带信号分成两路，两路同时工作并分别输出两路码元的最佳采样点。码环输出两路最佳采样点经过载波环，比较两通道载波相位差异。载波环路主要由鉴相器、环路滤波器和数控振荡器组成。载波环采用负反馈机制实现载波跟踪，载波环根据载波跟踪结果输出两通道的载波相位差异。
步骤4.4.1：补偿之后的基带信号进入跟踪环路，跟踪环路包括码环和载波环。
步骤4.4.2：将补偿之后的基带信号送入码环，依据码环中不同的本地PN码与基带信号相关将补偿之后的基带信号分成两路，两路同时工作并分别输出两路码元的最佳采样点。
码环采用的算法是延迟锁定环路算法，将本地PN1码通过滞后、即时、超前手段分为三个支路分别与补偿之后的基带信号进行相关，得到对应滞后、即时、超前三个支路相关峰，由于PN1码自相关结果的对称性，以比较超前和滞后支路的幅值作为鉴相手段，不断调整PN1码位置，得出第一路码元的最佳采样点；将本地PN2码通过滞后、即时、超前手段分为三个支路分别与补偿之后的基带信号进行相关，得到对应滞后、即时、超前三个支路相关峰，由于PN2码自相关结果的对称性，以比较超前和滞后支路的幅值作为鉴相手段，不断调整PN2码位置，得出第二路码元的最佳采样点。
步骤4.4.3：码环输出两路最佳采样点经过载波环，比较两通道载波相位差异。载波环路主要由鉴相器、环路滤波器和数控振荡器组成。载波环采用负反馈机制实现载波跟踪，载波环根据载波跟踪结果输出两通道的载波相位差异。
所述鉴相器为基于反正切的鉴相器，其输出为相位的最大似然估计。鉴相器表达式如下式：
Figure 470336DEST_PATH_IMAGE004
(2)
其中e为鉴相器输出，I(k)和Q(k)分别为信号的IQ分量。
所述环路滤波器目的在于降低环路中的噪声，使滤波结果既能真实的反映滤波器输入信号的相位变化情况，又能防止由于噪声的缘故而过激地调节数控振荡器。环路滤波器的性能由环路带宽决定。噪声带宽又称环路带宽B，噪声带宽控制着进入环路的噪声量的多少。噪声带宽越窄，则由于越少频率成分的噪声被允许进入环路，因而环路的滤波效果越好，环路对信号的跟踪就越精确；反过来，噪声带宽越宽，则环路的噪声性能越差，信号的跟踪就越不精确。环路滤波器的主要参数有：环路带宽B，自然频率
Figure 436018DEST_PATH_IMAGE005
，环路滤波更新时间间隔T，环路增益K。
所述数控振荡器以环路滤波器的输出信号作为输入控制信号，计算载波相位差；数控振荡器的表达式如下式所示：
Figure 807481DEST_PATH_IMAGE006
(3)
式中
Figure 997154DEST_PATH_IMAGE007
为环路滤波输出，
Figure 834660DEST_PATH_IMAGE008
为增益系数。
步骤5、根据捕获和跟踪得到的两路幅度相位差，反馈到发送端的反馈差异值进行调整纠正，至此完成一次校准。
步骤6、根据捕获和跟踪得到的两路幅度相位差值是否满足预设判据阈值要求，重复迭代步骤1至步骤5，直至得到发送端两通道幅度相位满足预设判据阈值要求，即实现用于太赫兹空间正交调制信号校准。
步骤7、将步骤6校准后的两通道发送的正交恒包络调制信号调制到太赫兹频段，在自由空间远端无损合成一路宽带调制信号，即实现两通道正交信号在太赫兹波段空间高效率合成。
校准后的两通道发送的正交恒包络调制信号为两个固定恒包络信号
Figure 587721DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 889390DEST_PATH_IMAGE010
。所述
Figure 187647DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 574766DEST_PATH_IMAGE011
可以先通过计算
Figure 131518DEST_PATH_IMAGE012
得
Figure 959797DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 756852DEST_PATH_IMAGE014
，再对
Figure 552638DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 726130DEST_PATH_IMAGE015
分别用
Figure 355388DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 261027DEST_PATH_IMAGE010
进行调制再叠加得到。恒包络相位调制信号包络大小为期望信号最大幅值的一半。期望信号表示为
Figure 481793DEST_PATH_IMAGE016
。
Figure 193397DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 248465DEST_PATH_IMAGE010
表示为：
Figure 325005DEST_PATH_IMAGE017
(4)
Figure 908433DEST_PATH_IMAGE018
(5)
其中A是期望信号最大幅值，
Figure 345100DEST_PATH_IMAGE019
为期望信号的相位调制分量，
Figure 268057DEST_PATH_IMAGE020
为调制载波角频率，
Figure 577815DEST_PATH_IMAGE021
为两个信号之间的移相角度，表示为：
Figure 835490DEST_PATH_IMAGE022
(6)
其中，
Figure 826580DEST_PATH_IMAGE023
为期望波形信号的幅度调制分量。
当输入信号幅度为最大时，移相角度为零，
Figure 666360DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 333970DEST_PATH_IMAGE010
同相相加。当输入信号幅度减小时，移相角度增加；当输入信号幅度为零时，移相角度为90°。所述步骤7中采用非线性放大器用来放大恒包络信号，提高功放效率并且不会降低线性度，提高太赫兹空间正交调制信号合成校准系统的能效。两通道固定包络信号经调制到太赫兹频段并功率放大之后通过天线发出，在空间一定角度上合成为幅度和相位调制信号，实现两通道正交信号在太赫兹波段空间高效率合成。
本发明还公开一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的系统，用于实现所述一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的方法。所述一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的系统，包括数字端信号生成模块、本振模块、上变频模块、混频模块、数字端中频现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)解调模块、反馈校准模块。
所述数字端信号生成模块用于数字端生成相互正交的PN码，分别通过两个通道的数模转换器DAC发出，由于PN码具有良好的自相关特性，可用于信号相位和幅度的检测和校准；校准成功之后，数字端信号生成模块通过两通道发送相互正交的恒包络信号，用于两通道正交信号在太赫兹波段空间高效率合成。
所述本振模块用于提供本振信号，为上变频模块提供本地载波。
所述上变频模块用于将基带信号的频谱线性搬移至高频。本振模块产生本振后，与数字端信号生成模块生成的基带信号IQ两路同时送入上变频模块进行上变频，调制后的信号经过功率放大器，由天线发出。
所述混频模块的功能为混频，其作用是将功率放大器发出的太赫兹信号接收并混频至中频。混频之后的中频信号输入到数字端中频FPGA解调模块中的ADC进行采样量化以及后续的数字解调。
所述数字端中频FPGA解调模块的功能为对中频信号下变频、低通滤波得到基带信号以及对基带信号捕获和跟踪。将ADC输出的数字中频信号下变频并低通滤波得基带信号。捕获包括粗捕获和细捕获。依据粗捕获和细捕获中不同的本地PN码与基带信号相关将基带信号分成两路，两路同时工作。粗捕获输出两路相关峰，得到两通道的码相位差异和幅度差异。细捕获输出载波频偏估计值并对基带信号进行补偿。补偿之后的基带信号经过跟踪环路，所述跟踪环路包括码环和载波环。依据码环中不同的本地PN码与基带信号相关将补偿之后的基带信号分成两路，两路同时工作并分别输出两路码元的最佳采样点。码环输出两路最佳采样点经过载波环，比较两通道载波相位差异。
所述反馈校准模块的作用为根据数字端中频FPGA解调模块的捕获和跟踪得到的两路幅度相位差值是否满足预设判据阈值要求，重复迭代所述用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的方法中的步骤1至步骤5，直至得到发送端两通道幅度相位满足预设判据阈值要求，即实现用于太赫兹空间正交调制信号校准。
反馈校准模块校准后，数字端信号生成模块通过两通道发送相互正交的恒包络信号，经过所述的上变频模块调制到太赫兹频段，在自由空间远端无损合成一路宽带调制信号，即实现两通道正交信号在太赫兹波段空间高效率合成。
有益效果：
1、本发明公开的一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的方法及系统，在合成宽带调制信号之前发送伪码导频的形式检测两通道正交信号的幅度相位差，然后反馈差异值以自动校准空间正交调制信号合成发送系统，使发送的两个恒包络调制信号能够直接在接收端合成宽带调制信号，提高合成信号效率。
2、本发明公开的一种用于太赫兹空间正交调制信号合成的方法，采用发送恒包络调制信号在接收端合成宽带调制信号的方式，降低对功放线性度的要求；并且恒包络低阶调制能够避免功放功率回退，提高太赫兹空间正交调制信号合成校准系统的能效。
3、本发明公开的一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的方法及系统，太赫兹通信具有丰富的频谱资源，并且频段高、波长更短，太赫兹模块的尺寸能够做得更小，更加便携；通信带宽大，传输信息速率更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的方法的流程图；
图2为检测两通道相关峰差异图；
图3为校准失败的空间功率合成16QAM星座图；
图4为校准后空间功率合成16QAM星座图；
图5为本发明的一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的系统总体框图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的方法，具体实现步骤如下：
步骤1、根据PN码有良好的自相关特性，发送端利用FPGA逻辑器件生成两组速率相同为1.25Gbps、扩频比为1024、过采样倍数为4的相互正交的幅度相同的PN码，所述相互正交的PN码分别通过第一数模转换器DAC1、第二数模转换器DAC2发出。
所述两通道相互正交的PN序列有处处为0的互相关特性。
所述自相关特性由下式表示：
Figure 564095DEST_PATH_IMAGE001
(7)
其中
Figure 421192DEST_PATH_IMAGE002
为伪随机序列的自相关函数，N是伪随机序列的长度，N=1024。
步骤2、步骤1发送的相互正交的PN码分别进入上变频模块。由本振模块产生本振，本振频率为171.25GHz，与基带信号PN码同时送入上变频模块，得到中心频率为171.25HGHz的太赫兹信号，之后经过功率放大器，由喇叭天线发出到自由空间中。
步骤3、接收喇叭天线同时接收步骤2两通道发出的正交信号，与本振模块产生的本振信号进行混频，本振信号频率为170GHz，得到中频信号，中心频率为1.25GHz。
步骤4、中心频率为1.25GHz的中频信号经过模数转换器ADC采样量化之后进入数字模块，ADC的采样速率为5Gbps。在数字模块中进行下变频、低频滤波，得到基带信号，再对基带信号进行捕获和跟踪。捕获包括粗捕获和细捕获。依据粗捕获中不同的本地PN码与基带信号相关将基带信号分成两路，两路同时工作并分别输出两路相关峰，比较两路相关峰位置，得到两通道的码相位差异和幅度差异。粗捕获完成之后，对基带信号进行细捕获，依据细捕获中不同的本地PN码与基带信号相关实现对基带信号的解扩，并将基带信号分成两路，再对两路信号进行4096点积累并做4096点FFT，得到两路的载波频偏估计值。根据细捕获结果进行频偏补偿，进一步缩小频偏。补偿之后的基带信号进入跟踪环路，跟踪环路包括码环和载波环。将补偿之后的基带信号送入码环，依据码环中不同的本地PN码与基带信号相关将补偿之后的基带信号分成两路，两路同时工作并分别输出两路码元的最佳采样点。码环输出两路最佳采样点经过载波环，比较两通道载波相位差异。载波环路主要由鉴相器、环路滤波器和数控振荡器组成。载波环采用负反馈机制实现载波跟踪，载波环根据载波跟踪结果输出两通道的载波相位差异。
所述依据粗捕获中不同的本地PN码与基带信号相关将基带信号分成两路，实现方法为：基带信号做4096点的FFT后与本地PN1码的FFT共轭相乘并做IFFT再取模，检测相关峰值1；另一路相同的基带数据做FFT与本地PN2码的FFT共轭相乘并做IFFT取模，检测相关峰2；比较两路相关峰位置，得到发送两通道的码相位差异和幅度差异，根据得到的两通道的码相位差异和幅度差异，即实现粗捕获。
所述本地PN1码为通道一发送的PN码，本地PN2码为通道二发送的PN码。
所述相关峰值1为本地PN1码的相关峰值，相关峰值2为本地PN2码的相关峰值。
步骤4.1、中心频率为1.25GHz的中频信号经过采样频率为5Gbps的模数转换器ADC采样量化之后进入数字模块，在数字模块中进行下变频、低通滤波，得到基带信号，再对基带信号进行捕获和跟踪。
步骤4.2、依据粗捕获中不同的本地PN码与基带信号相关将基带信号分成两路，两路同时工作并分别输出两路相关峰，比较两路相关峰位置，得到两通道的码相位差异和幅度差异。
依据粗捕获中不同的本地PN码与基带信号相关将基带信号分成两路。基带信号做4096点的FFT后与本地PN1码的FFT共轭相乘，将基带信号处理由时域转换为频域，并做4096点IFFT再取模，实现本地PN1码与基带信号相关，检测相关峰值1；另一路相同的基带数据做4096点FFT与本地PN2码的FFT共轭相乘，将基带信号处理由时域转换为频域，并做4096点IFFT取模，实现本地PN2码与基带信号相关，检测相关峰2；比较两路相关峰位置，得到发送两通道的码相位差异和幅度差异，如图2所示。根据得到的两通道的码相位差异和幅度差异，即实现粗捕获。
步骤4.3、粗捕获完成之后，对基带信号进行细捕获，依据细捕获中不同的本地PN码与基带信号相关实现对基带信号的解扩，并将基带信号分成两路，再对两路信号进行积累并做FFT，得到两路的载波频偏估计值。根据细捕获结果进行频偏补偿，进一步缩小频偏。
粗捕获完成之后，先使用本地PN1码对基带信号解扩，做4096点积累，再通过做4096点FFT运算得到第一路载波频偏估计值。使用本地PN2码对基带信号解扩，做4096点积累，再通过做4096点FFT运算得到第二路载波频偏估计值。细捕获的频率分辨率为298.023Hz。根据细捕获结果进行频偏补偿，进一步缩小频偏。
步骤4.4、补偿之后的基带信号进入跟踪环路，跟踪环路包括码环和载波环。将补偿之后的基带信号送入码环，依据码环中不同的本地PN码与基带信号相关将补偿之后的基带信号分成两路，两路同时工作并分别输出两路码元的最佳采样点。码环输出两路最佳采样点经过载波环，比较两通道载波相位差异。载波环路主要由鉴相器、三阶环路滤波器和数控振荡器组成。载波环采用负反馈机制实现载波跟踪，载波环根据载波跟踪结果输出两通道的载波相位差异。
步骤4.4.1：补偿之后的基带信号进入跟踪环路，跟踪环路包括码环和载波环。
步骤4.4.2：将补偿之后的基带信号送入码环，依据码环中不同的本地PN码与基带信号相关将补偿之后的基带信号分成两路，两路同时工作并分别输出两路码元的最佳采样点。
码环采用的算法是延迟锁定环路算法，将本地PN1码通过滞后、即时、超前手段分为三个支路分别与补偿之后的基带信号进行相关，得到对应滞后、即时、超前三个支路相关峰，由于PN1码自相关结果的对称性，以比较超前和滞后支路的幅值作为鉴相手段，不断调整PN1码位置，得出第一路码元的最佳采样点；将本地PN2码通过滞后、即时、超前手段分为三个支路分别与补偿之后的基带信号进行相关，得到对应滞后、即时、超前三个支路相关峰，由于PN2码自相关结果的对称性，以比较超前和滞后支路的幅值作为鉴相手段，不断调整PN2码位置，得出第二路码元的最佳采样点。
步骤4.4.3：码环输出两路最佳采样点经过载波环，比较两通道载波相位差异。载波环路主要由鉴相器、环路滤波器和数控振荡器组成。载波环采用负反馈机制实现载波跟踪，载波环根据载波跟踪结果输出两通道的载波相位差异。
所述鉴相器为基于反正切的鉴相器，其输出为相位的最大似然估计。鉴相器表达式如下式：
Figure 305359DEST_PATH_IMAGE004
(8)
其中e为鉴相器输出，I(k)和Q(k)分别为信号的IQ分量。
所述环路滤波器为三阶环路滤波器，目的在于降低环路中的噪声，使滤波结果既能真实的反映滤波器输入信号的相位变化情况，又能防止由于噪声的缘故而过激地调节数控振荡器。环路滤波器的性能由环路带宽决定。环路滤波器的主要参数有：环路带宽100Hz，自然频率
Figure 956920DEST_PATH_IMAGE024
，环路滤波更新时间间隔0.4us，环路增益K=1。
所述数控振荡器以三阶环路滤波器的输出信号作为输入控制信号，计算载波相位差；数控振荡器的表达式如下式所示：
Figure 939920DEST_PATH_IMAGE006
(9)
式中
Figure 522080DEST_PATH_IMAGE025
为环路滤波输出，增益系数
Figure 70873DEST_PATH_IMAGE026
。
步骤5、根据捕获和跟踪得到的两路幅度相位差，反馈到发送端的反馈差异值进行调整纠正，至此完成一次校准。
步骤6、根据捕获和跟踪得到的两路幅度相位差值是否满足码相位差小于1/2码片长度，本振相位差小于30°，幅度差小于0.3dBm，若未满足要求，得到的合成信号星座图如图3所示，合成失败。重复迭代步骤1至步骤5，直至得到发送端两通道幅度相位满足码相位差小于1/2码片长度，本振相位差小于30°，幅度差小于0.3dBm。即实现用于太赫兹空间正交调制信号校准。
步骤7、将步骤6校准后的两通道发送符号速率为1.25G Baud的16PSK信号，调制到太赫兹频段后，在自由空间远端无损合成符号速率为1.25G Baud的16QAM信号，即实现两通道正交信号在太赫兹波段空间高效率合成。
校准后的两通道发送的符号速率为1.25G Baud的16PSK信号为两个固定恒包络信号
Figure 96598DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 363631DEST_PATH_IMAGE011
。所述
Figure 749482DEST_PATH_IMAGE027
和
Figure 277415DEST_PATH_IMAGE010
可以先通过计算
Figure 788555DEST_PATH_IMAGE012
得
Figure 667518DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 404530DEST_PATH_IMAGE028
，再对
Figure 479979DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 99703DEST_PATH_IMAGE015
分别用
Figure 200383DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 741086DEST_PATH_IMAGE011
进行调制再叠加得到。16PSK信号包络大小为16QAM最大幅值的一半。16QAM表示为
Figure 322240DEST_PATH_IMAGE029
。
Figure 657406DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 573279DEST_PATH_IMAGE010
表示为：
Figure 589776DEST_PATH_IMAGE017
(10)
Figure 274704DEST_PATH_IMAGE018
(11)
其中A是16QAM信号最大幅值，设定为A=1，
Figure 718455DEST_PATH_IMAGE019
为期望信号的相位调制分量，
Figure 934673DEST_PATH_IMAGE020
为调制载波角频率，频率为1.25GHz，
Figure 7059DEST_PATH_IMAGE021
为两个信号之间的移相角度，表示为：
Figure 297226DEST_PATH_IMAGE022
(12)
其中，
Figure 239774DEST_PATH_IMAGE023
为期望波形信号的幅度调制分量。
校准后两通道符号速率为1.25G Baud的16PSK信号合成为16QAM信号，16QAM星座图如图4所示，实现两通道正交信号在太赫兹波段空间高效率合成。
如图5所示，本实施例还公开一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的系统，用于实现所述一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的方法。所述一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的系统，包括数字端信号生成模块、本振模块、上变频模块、混频模块、数字端中频FPGA解调模块、反馈校准模块。
所述数字端信号生成模块用于数字端生成相互正交的速率为1.25G Baud的PN码，PN码分别通过两个通道的数模转换器DAC发出，由于PN码具有良好的自相关特性，可用于信号相位和幅度的检测和校准；校准成功之后，数字端信号生成模块通过两通道发送相互正交的16PSK信号，用于两通道正交信号在太赫兹波段空间高效率合成。
所述本振模块用于提供本振信号，本振信号频率为171.25GHz，为上变频模块提供本地载波。
所述上变频模块用于将基带信号的频谱线性搬移至高频。本振模块产生本振后，与数字端信号生成模块生成的基带信号IQ两路同时送入上变频模块进行上变频，调制后的信号中心频率为171.25GHz，再经过功率放大器，由喇叭天线发出。
所述混频模块的功能为混频，其作用是将功率放大器发出的太赫兹信号接收并混频至中频，中心频率为1.25GHz。混频之后的中频信号输入到数字端中频FPGA解调模块中的ADC进行采样量化以及后续的数字解调。
所述数字端中频FPGA解调模块的功能为对中频信号下变频、低通滤波得到基带信号以及对基带信号捕获和跟踪。将ADC输出的数字中频信号下变频并低通滤波得基带信号，ADC的采样频率为5Gbps。捕获包括粗捕获和细捕获。依据粗捕获和细捕获中不同的本地PN码与基带信号相关将基带信号分成两路，两路同时工作。粗捕获输出两路相关峰，得到两通道的码相位差异和幅度差异；细捕获输出载波频偏估计值并对基带信号进行补偿。补偿之后的基带信号经过跟踪环路，所述跟踪环路包括码环和载波环。依据码环中不同的本地PN码与基带信号相关将补偿之后的基带信号分成两路，两路同时工作并分别输出两路码元的最佳采样点。码环输出两路最佳采样点经过载波环，比较两通道载波相位差异。
所述反馈校准模块的作用为根据数字端中频FPGA解调模块的捕获和跟踪得到的两路幅度相位差值是否满足码相位差小于1/2码片长度，本振相位差小于30°，幅度差小于0.3dBm，重复迭代所述用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的方法中的步骤1至步骤5，直至得到发送端两通道幅度相位满足码相位差小于1/2码片长度，本振相位差小于30°，幅度差小于0.3dBm。即实现用于太赫兹空间正交调制信号校准。
反馈校准模块校准后，数字端信号生成模块通过两通道发送相互正交的16PSK信号，经过所述的上变频模块调制到太赫兹频段，太赫兹信号中心频率为171.25GHz，在自由空间远端无损合成16QAM信号，即实现两通道正交信号在太赫兹波段空间高效率合成。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、根据PN码有良好的自相关特性，发送端利用FPGA逻辑器件生成两组速率相同为R、扩频比为k、过采样倍数为M的相互正交的幅度相同的PN码，所述相互正交的PN码分别通过第一数模转换器DAC1、第二数模转换器DAC2发出；
步骤2、步骤1发送的相互正交的PN码分别进入上变频模块；由本振模块产生本振，与基带信号PN码同时送入上变频模块，得到太赫兹信号，之后经过功率放大器、发送天线发出到自由空间中，实现两通道发出的正交信号到自由空间中；
步骤3、接收天线同时接收步骤2两通道发出的正交信号，与本振模块产生的本振信号进行混频，得到中频信号；
步骤4、中频信号经过模数转换器ADC采样量化之后进入数字模块，在数字模块中进行下变频、低频滤波，得到基带信号，再对基带信号进行捕获和跟踪；捕获包括粗捕获和细捕获；依据粗捕获中不同的本地PN码与基带信号相关将基带信号分成两路，两路同时工作并分别输出两路相关峰，比较两路相关峰位置，得到两通道的码相位差异和幅度差异；粗捕获完成之后，对基带信号进行细捕获，依据细捕获中不同的本地PN码与基带信号相关实现对基带信号的解扩，并将基带信号分成两路，再对两路信号进行积累并做FFT，得到两路的载波频偏估计值；根据细捕获结果进行频偏补偿，进一步缩小频偏；补偿之后的基带信号进入跟踪环路，跟踪环路包括码环和载波环；将补偿之后的基带信号送入码环，依据码环中不同的本地PN码与基带信号相关将补偿之后的基带信号分成两路，两路同时工作并分别输出两路码元的最佳采样点；码环输出两路最佳采样点经过载波环，比较两通道载波相位差异；载波环路主要由鉴相器、环路滤波器和数控振荡器组成；载波环采用负反馈机制实现载波跟踪，载波环根据载波跟踪结果输出两通道的载波相位差异；
步骤5、根据捕获和跟踪得到的两路幅度相位差，反馈到发送端的反馈差异值进行调整纠正，至此完成一次校准；
步骤6、根据捕获和跟踪得到的两路幅度相位差值是否满足预设判据阈值要求，重复迭代步骤1至步骤5，直至得到发送端两通道幅度相位满足预设判据阈值要求，即实现用于太赫兹空间正交调制信号校准；
步骤7、将步骤6校准后的两通道发送的正交恒包络调制信号调制到太赫兹频段，在自由空间远端无损合成一路宽带调制信号，即实现两通道正交信号在太赫兹波段空间高效率合成。
2.如权利要求1所述的一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的方法，其特征在于：所述两通道相互正交的PN序列有处处为0的互相关特性；
所述自相关特性由下式表示：
Figure 528149DEST_PATH_IMAGE001
(1)
其中
Figure 239753DEST_PATH_IMAGE002
为PN序列的自相关函数，N是PN序列的长度。
3.如权利要求2所述的一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的方法，其特征在于：所述依据粗捕获中不同的本地PN码与基带信号相关将基带信号分成两路，实现方法为，基带信号做G点的FFT后与本地PN1码的FFT共轭相乘并做逆快速傅里叶变换IFFT再取模，检测相关峰值1；另一路相同的基带数据做G点的FFT与本地PN2码的FFT共轭相乘并做IFFT取模，检测相关峰2；比较两路相关峰位置，得到发送两通道的码相位差异和幅度差异，根据得到的两通道的码相位差异和幅度差异，即实现粗捕获；
所述本地PN1码为通道一发送的PN码，本地PN2码为通道二发送的PN码；
所述相关峰值1为本地PN1码的相关峰值，相关峰值2为本地PN2码的相关峰值。
4.如权利要求3所述的一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的方法，其特征在于：步骤4实现方法为，
步骤4.1、中频信号经过采样频率为f s 的模数转换器ADC采样量化之后进入数字模块，在数字模块中进行下变频、低通滤波，得到基带信号，再对基带信号进行捕获和跟踪；
步骤4.2、依据粗捕获中不同的本地PN码与基带信号相关将基带信号分成两路，两路同时工作并分别输出两路相关峰，比较两路相关峰位置，得到两通道的码相位差异和幅度差异；
依据粗捕获中不同的本地PN码与基带信号相关将基带信号分成两路；基带信号做G点的FFT后与本地PN1码的FFT共轭相乘，将基带信号处理由时域转换为频域，并做IFFT再取模，实现本地PN1码与基带信号相关，检测相关峰值1；另一路相同的基带数据做FFT与本地PN2码的FFT共轭相乘，将基带信号处理由时域转换为频域，并做IFFT取模，实现本地PN2码与基带信号相关，检测相关峰2；比较两路相关峰位置，得到发送两通道的码相位差异和幅度差异，根据得到的两通道的码相位差异和幅度差异，即实现粗捕获；
步骤4.3、粗捕获完成之后，对基带信号进行细捕获，依据细捕获中不同的本地PN码与基带信号相关实现对基带信号的解扩，并将基带信号分成两路，再对两路信号进行积累并做FFT，得到两路的载波频偏估计值；根据细捕获结果进行频偏补偿，进一步缩小频偏；
粗捕获完成之后，先使用本地PN1码对基带信号解扩，做L点积累，再通过做P点FFT运算得到第一路载波频偏估计值；使用本地PN2码对基带信号解扩，做L点积累，再通过做P点FFT运算得到第二路载波频偏估计值；根据细捕获结果进行频偏补偿，进一步缩小频偏；
细捕获的频率分辨率为
Figure 167258DEST_PATH_IMAGE003
，f s 是采样频率；
步骤4.4、补偿之后的基带信号进入跟踪环路，跟踪环路包括码环和载波环；将补偿之后的基带信号送入码环，依据码环中不同的本地PN码与基带信号相关将补偿之后的基带信号分成两路，两路同时工作并分别输出两路码元的最佳采样点；码环输出两路最佳采样点经过载波环，比较两通道载波相位差异；载波环路主要由鉴相器、环路滤波器和数控振荡器组成；载波环采用负反馈机制实现载波跟踪，载波环根据载波跟踪结果输出两通道的载波相位差异。
5.如权利要求4所述的一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的方法，其特征在于：步骤4.4实现方法为，
步骤4.4.1：补偿之后的基带信号进入跟踪环路，跟踪环路包括码环和载波环；
步骤4.4.2：将补偿之后的基带信号送入码环，依据码环中不同的本地PN码与基带信号相关将补偿之后的基带信号分成两路，两路同时工作并分别输出两路码元的最佳采样点；
码环采用的算法是延迟锁定环路算法，将本地PN1码通过滞后、即时、超前手段分为三个支路分别与补偿之后的基带信号进行相关，得到对应滞后、即时、超前三个支路相关峰，由于PN1码自相关结果的对称性，以比较超前和滞后支路的幅值作为鉴相手段，不断调整PN1码位置，得出第一路码元的最佳采样点；将本地PN2码通过滞后、即时、超前手段分为三个支路分别与补偿之后的基带信号进行相关，得到对应滞后、即时、超前三个支路相关峰，由于PN2码自相关结果的对称性，以比较超前和滞后支路的幅值作为鉴相手段，不断调整PN2码位置，得出第二路码元的最佳采样点；
步骤4.4.3：码环输出两路最佳采样点经过载波环，比较两通道载波相位差异；载波环路主要由鉴相器、环路滤波器和数控振荡器组成；载波环采用负反馈机制实现载波跟踪，载波环根据载波跟踪结果输出两通道的载波相位差异；
所述鉴相器为基于反正切的鉴相器，其输出为相位的最大似然估计；鉴相器表达式如下式：
Figure 620629DEST_PATH_IMAGE004
(2)
其中e为鉴相器输出，I(k)和Q(k)分别为信号的IQ分量；
所述环路滤波器目的在于降低环路中的噪声，使滤波结果既能真实的反映滤波器输入信号的相位变化情况，又能防止由于噪声的缘故而过激地调节数控振荡器；环路滤波器的性能由环路带宽决定；噪声带宽又称环路带宽B，噪声带宽控制着进入环路的噪声量的多少；噪声带宽越窄，则由于越少频率成分的噪声被允许进入环路，因而环路的滤波效果越好，环路对信号的跟踪就越精确；反过来，噪声带宽越宽，则环路的噪声性能越差，信号的跟踪就越不精确；环路滤波器的主要参数有：环路带宽B，自然频率
Figure 204057DEST_PATH_IMAGE005
，环路滤波更新时间间隔T，环路增益K；
所述数控振荡器以环路滤波器的输出信号作为输入控制信号，计算载波相位差；数控振荡器的表达式如下式所示：
Figure 516090DEST_PATH_IMAGE006
(3)
式中
Figure 314413DEST_PATH_IMAGE007
为环路滤波输出，
Figure 624171DEST_PATH_IMAGE008
为增益系数。
6.如权利要求5所述的一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的方法，其特征在于：步骤7实现方法为，
校准后的两通道发送的正交恒包络调制信号为两个固定恒包络信号
Figure 757212DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 122204DEST_PATH_IMAGE010
；所述
Figure 961984DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 504960DEST_PATH_IMAGE010
先通过计算
Figure 610451DEST_PATH_IMAGE011
得
Figure 529865DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 224152DEST_PATH_IMAGE013
，再对
Figure 178508DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 286142DEST_PATH_IMAGE015
分别用
Figure 291138DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 839931DEST_PATH_IMAGE010
进行调制再叠加得到；恒包络相位调制信号包络大小为期望信号最大幅值的一半；期望信号表示为
Figure 193552DEST_PATH_IMAGE016
；
Figure 772170DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 33387DEST_PATH_IMAGE010
表示为：
Figure 436686DEST_PATH_IMAGE017
(4)
Figure 508679DEST_PATH_IMAGE018
(5)
其中A是期望信号最大幅值，
Figure 122063DEST_PATH_IMAGE019
为期望信号的相位调制分量，
Figure 859074DEST_PATH_IMAGE020
为调制载波角频率，
Figure 900236DEST_PATH_IMAGE021
为两个信号之间的移相角度，表示为：
Figure 503649DEST_PATH_IMAGE022
(6)
其中，
Figure 745275DEST_PATH_IMAGE023
为期望波形信号的幅度调制分量；
当输入信号幅度为最大时，移相角度为零，
Figure 394300DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 37770DEST_PATH_IMAGE010
同相相加；当输入信号幅度减小时，移相角度增加；当输入信号幅度为零时，移相角度为90°；采用非线性放大器用来放大恒包络信号，提高功放效率并且不会降低线性度，提高太赫兹空间正交调制信号合成校准系统的能效；两通道固定包络信号经调制到太赫兹频段并功率放大之后通过天线发出，在空间一定角度上合成为幅度和相位调制信号，实现两通道正交信号在太赫兹波段空间高效率合成。
7.一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的系统，用于实现如权利要求1、2、3、4、5或6所述的一种用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的方法，其特征在于：包括数字端信号生成模块、本振模块、上变频模块、混频模块、数字端中频FPGA(现场可编程门阵列，Field Programmable Gate Array)解调模块、反馈校准模块；
所述数字端信号生成模块用于数字端生成相互正交的PN码，分别通过两个通道的数模转换器DAC发出，由于PN码具有良好的自相关特性，用于信号相位和幅度的检测和校准；校准成功之后，数字端信号生成模块通过两通道发送相互正交的恒包络信号，用于两通道正交信号在太赫兹波段空间高效率合成；
所述本振模块用于提供本振信号，为上变频模块提供本地载波；
所述上变频模块用于将基带信号的频谱线性搬移至高频；本振模块产生本振后，与数字端信号生成模块生成的基带信号IQ两路同时送入上变频模块进行上变频，调制后的信号经过功率放大器，由天线发出；
所述混频模块的功能为混频，其作用是将功率放大器发出的太赫兹信号接收并混频至中频；混频之后的中频信号输入到数字端中频FPGA解调模块中的ADC进行采样量化以及后续的数字解调；
所述数字端中频FPGA解调模块的功能为对中频信号下变频、低通滤波得到基带信号以及对基带信号捕获和跟踪；将ADC输出的数字中频信号下变频并低通滤波得基带信号；捕获包括粗捕获和细捕获；依据粗捕获和细捕获中不同的本地PN码与基带信号相关将基带信号分成两路，两路同时工作；粗捕获输出两路相关峰，得到两通道的码相位差异和幅度差异；细捕获输出载波频偏估计值并对基带信号进行补偿；补偿之后的基带信号经过跟踪环路，所述跟踪环路包括码环和载波环；依据码环中不同的本地PN码与基带信号相关将补偿之后的基带信号分成两路，两路同时工作并分别输出两路码元的最佳采样点；码环输出两路最佳采样点经过载波环，比较两通道载波相位差异；
所述反馈校准模块的作用为根据数字端中频FPGA解调模块的捕获和跟踪得到的两路幅度相位差值是否满足预设判据阈值要求，重复迭代所述用于太赫兹空间正交调制信号合成校准的方法中的步骤1至步骤5，直至得到发送端两通道幅度相位满足预设判据阈值要求，即实现用于太赫兹空间正交调制信号校准；
反馈校准模块校准后，数字端信号生成模块通过两通道发送相互正交的恒包络信号，经过所述的上变频模块调制到太赫兹频段，在自由空间远端无损合成一路宽带调制信号，即实现两通道正交信号在太赫兹波段空间高效率合成。
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