CN114667717B - 一种卫星激光宽带解调方法与装置 - Google Patents

一种卫星激光宽带解调方法与装置 Download PDF

Info

Publication number
CN114667717B
CN114667717B CN202080077073.4A CN202080077073A CN114667717B CN 114667717 B CN114667717 B CN 114667717B CN 202080077073 A CN202080077073 A CN 202080077073A CN 114667717 B CN114667717 B CN 114667717B
Authority
CN
China
Prior art keywords
carrier
frequency
signal
capturing
module
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202080077073.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114667717A (zh
Inventor
张传胜
龚高茂
赵海军
何峰
吕游
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hunan Maxwell Electronic Technology Co Ltd
Original Assignee
Hunan Maxwell Electronic Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hunan Maxwell Electronic Technology Co Ltd filed Critical Hunan Maxwell Electronic Technology Co Ltd
Publication of CN114667717A publication Critical patent/CN114667717A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114667717B publication Critical patent/CN114667717B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/29—Repeaters
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
    • H04B10/118—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum specially adapted for satellite communication
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/60—Receivers
    • H04B10/61—Coherent receivers
    • H04B10/616—Details of the electronic signal processing in coherent optical receivers
    • H04B10/6164—Estimation or correction of the frequency offset between the received optical signal and the optical local oscillator
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/60—Receivers
    • H04B10/61—Coherent receivers
    • H04B10/616—Details of the electronic signal processing in coherent optical receivers
    • H04B10/6165—Estimation of the phase of the received optical signal, phase error estimation or phase error correction
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L27/00—Modulated-carrier systems
    • H04L27/0014—Carrier regulation
    • H04L2027/0044—Control loops for carrier regulation
    • H04L2027/0053—Closed loops
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L27/00—Modulated-carrier systems
    • H04L27/32—Carrier systems characterised by combinations of two or more of the types covered by groups H04L27/02, H04L27/10, H04L27/18 or H04L27/26
    • H04L27/34—Amplitude- and phase-modulated carrier systems, e.g. quadrature-amplitude modulated carrier systems
    • H04L27/38—Demodulator circuits; Receiver circuits
    • H04L27/3809—Amplitude regulation arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L27/00—Modulated-carrier systems
    • H04L27/32—Carrier systems characterised by combinations of two or more of the types covered by groups H04L27/02, H04L27/10, H04L27/18 or H04L27/26
    • H04L27/34—Amplitude- and phase-modulated carrier systems, e.g. quadrature-amplitude modulated carrier systems
    • H04L27/38—Demodulator circuits; Receiver circuits
    • H04L27/3845—Demodulator circuits; Receiver circuits using non - coherent demodulation, i.e. not using a phase synchronous carrier
    • H04L27/3854—Demodulator circuits; Receiver circuits using non - coherent demodulation, i.e. not using a phase synchronous carrier using a non - coherent carrier, including systems with baseband correction for phase or frequency offset
    • H04L27/3863—Compensation for quadrature error in the received signal
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Digital Transmission Methods That Use Modulated Carrier Waves (AREA)

Abstract

本发明公开了一种卫星激光宽带解调方法与装置，包括步骤：先将残留载波设置到接收机的载波捕获范围，再通过对本振激光器的频率调整来将残留载波牵引至MHz级别，最后再通过精准的频率捕获手段得到精确的载波频率，从而使得残留载波进入载波跟踪锁相环的快捕带内。完成载波捕获后，再进行载波跟踪以及数据恢复处理。本发明能够完成超高带宽/超高速率的信号均衡，从高动态范围的调制信号中快速完成载波捕获、跟踪以及信息数据解调恢复。

Description

一种卫星激光宽带解调方法与装置
技术领域
本发明涉及激光通信技术领域，更为具体地，涉及一种卫星激光宽带解调方法与装置。
背景技术
目前，由于卫星运动和激光器本身的频率特性，接收机收到的载波多普勒高达±5GHz，此范围超过了常规接收机能够捕获的频偏范围，且接收机相干解调时本身的数字频率补偿范围有限，无法对如此高的多普勒载波范围进行处理，不符合大容量、高速率的卫星激光通信要求，而且会导致载波捕获精度低、通信质量不高等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种卫星激光宽带解调方法与装置，
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种卫星激光宽带解调方法，包括以下步骤：
S21，扫描截获，先将残留载波设置到接收机的载波捕获范围；
S22，锁频牵引，再通过对本振激光器的频率调整来将残留载波牵引至MHz级别；
S23，再通过精准的频率捕获手段得到精确的载波频率，从而使得残留载波进入载波跟踪锁相环的快捕带内。
进一步的，在步骤S21前，包括信号预处理步骤S1，在步骤S1中完成包含残留多普勒载波信号的预处理，包括去直流、IQ幅度均衡、AGC增益控制以及匹配滤波四个环节，其中所述去直流环节用于去除信号中的直流成分，以便完全消除载波分量；IQ幅度均衡补偿I、Q路幅度相位的不均衡；通过AGC增益控制将信号幅值调整到适于处理；匹配滤波则对噪声信号进行滤除。
进一步的，在步骤S23之后，包括载波跟踪步骤S3，在步骤S3中载波环路对输入载波进行实时同频同相的跟踪，对位进行同频同相的跟踪，精准对准位的中间位置，进行定时提取。
进一步的，在步骤S3中，采用早迟门锁相环进行位环的跟踪。
进一步的，在步骤S3后执行步骤S4，所述步骤S4包括相位模糊处理、差分译码、帧同步、状态控制、解扰及译码环节，用于实现对步骤S3中位同步后数据的恢复处理。
一种卫星激光宽带解调装置，包括信号预处理模块、信号捕获模块和信号跟踪模块；信号先经过信号预处理模块，所述信号预处理模块用于将所述信号去直流、IQ幅度均衡、AGC增益控制和匹配滤波之后送入信号跟踪模块，同时将匹配滤波前后的信号均送入捕获模块进行载波频率的粗捕获和精捕获；所述粗捕获和精捕获的捕获结果分别用于锁频环和信号跟踪模块中的锁相环；信号跟踪模块完成载波同步和符号/位同步之后进行软判决，将数据以并行总线方式输出。
进一步的，所述信号捕获模块包括载波粗捕获模块，所述载波粗捕获模块，捕获结果载波精度≤1MHz，且所述粗捕获模块的输出结果用于锁频环的鉴频结果以及作为精捕获模块的输入控制。
进一步的，所述信号捕获模块包括载波精捕获模块，所述载波精捕获模块用于得到比粗捕获结果更高频率精度的载波频率，输出频率控制字供跟踪模块的锁相环使用，且载波精捕模块中的积分用于降低采样率以及用于实现滤波作用、抑制载波频率段附近带外的噪声以提升信噪比。
进一步的，所述载波环路对输入载波进行实时同频同相的跟踪，对位进行同频同相的跟踪，精准对准位的中间位置，进行定时提取。
进一步的，采用早迟门锁相环进行位环的跟踪。
本发明的有益效果是：
(1)本发明能够完成超高带宽/超高速率的信号均衡，从高动态范围的调制信号中快速完成载波捕获、跟踪以及信息数据解调恢复。本发明提出的方案中，先将残留载波设置到接收机的载波捕获范围(扫描截获)，再通过对本振激光器的频率调整来将残留载波牵引至MHz级别(锁频牵引)，最后再通过精准的频率捕获手段得到精确的载波频率，从而使得残留载波进入载波跟踪锁相环的快捕带内，完成载波捕获后，再进行载波跟踪以及数据恢复处理。
(2)本发明采用粗捕获(频率牵引，消除载波高多普勒频移的消除)将残留载波牵引到MHz级别，通过精准频率捕获相结合的方式，过精准的频率捕获手段得到精确的载波频率。
(3)本发明提供一种卫星激光宽带解调恢复装置，能够完成超高带宽/超高速率的信号均衡，从高动态范围的调制信号中快速完成载波捕获、跟踪以及信息数据解调恢复。本发明提出的方案中，先将残留载波设置到接收机的载波捕获范围(扫描截获)，再通过对本振激光器的频率调整来将残留载波牵引至MHz级别(锁频牵引)，最后再通过精准的频率捕获手段得到精确的载波频率，从而使得残留载波进入载波跟踪锁相环的快捕带内。完成载波捕获后，再进行载波跟踪以及数据恢复处理。
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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的载波跟踪环路原理结构框图；
图2为本发明的跟踪模块的运行流程示意图；
图3为本发明的信号处理流程示意图；
图4为信号处理结构图；
图5为模块软件结构图；
图6为粗捕获模块工作示意图；
图7为信号状态仿真图；
图8为粗捕获结果仿真图(纵坐标不代表绝对值)；
图9为精捕获结果仿真图(纵坐标不代表绝对值)；
图10为信号状态仿真图；
图11为粗捕获结果仿真图(纵坐标不代表绝对值)；
图12为精捕获结果仿真图(纵坐标不代表绝对值)。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。本说明书中公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路，软件或方法。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在对实施例进行描述之前，需要对一些必要的术语进行解释。例如：
若本申请中出现使用“第一”、“第二”等术语来描述各种元件，但是这些元件不应当由这些术语所限制。这些术语仅用来区分一个元件和另一个元件。因此，下文所讨论的“第一”元件也可以被称为“第二”元件而不偏离本发明的内容。应当理解的是，若提及一元件“连接”或者“联接”到另一元件时，其可以直接地连接或直接地联接到另一元件或者也可以存在中间元件。相反地，当提及一元件“直接地连接”或“直接地联接”到另一元件时，则不存在中间元件。
在本申请中出现的各种术语仅仅用于描述具体的实施方式的目的而无意作为对本发明的限定，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式意图也包括复数形式。
当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包括有”时，这些术语指明了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是也不排除一个以上其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在和/或附加。
如图1～12所示，一种卫星激光宽带解调方法，包括：
S21，扫描截获，先将残留载波设置到接收机的载波捕获范围；
S22，锁频牵引，再通过对本振激光器的频率调整来将残留载波牵引至MHz级别；
S23，再通过精准的频率捕获手段得到精确的载波频率，从而使得残留载波进入载波跟踪锁相环的快捕带内。
进一步的，在步骤S21前，包括信号预处理步骤S1，在步骤S1中完成包含残留多普勒载波信号的预处理，包括去直流、IQ幅度均衡、AGC增益控制、匹配滤波四个环节，其中去直流环节的目的是为去除信号中的直流成分，以便完全消除载波分量；IQ幅度均衡补偿I、Q路幅度相位的不均衡；通过AGC增益控制将信号幅值调整到适于处理；匹配滤波则对噪声信号进行滤除。
进一步的，在步骤S23之后，包括载波跟踪步骤S3，在步骤S3中载波环路对输入载波进行实时同频同相的跟踪，对位进行同频同相的跟踪，精准对准位的中间位置，进行定时提取。
进一步的，在步骤S3中，采用早迟门锁相环进行位环的跟踪。
进一步的，在步骤S3后执行步骤S4，包括相位模糊处理、差分译码、帧同步、状态控制、解扰及译码环节，用于实现对步骤三中位同步后数据的恢复处理。
一种卫星激光宽带解调装置，包括信号预处理模块、信号捕获模块和信号跟踪模块；信号先经过信号预处理模块，所述信号预处理模块用于去直流、IQ幅度均衡、AGC增益控制和匹配滤波之后送入信号跟踪模块，同时将匹配滤波前后的信号均送入捕获模块进行载波频率的粗捕获和精捕获，两种捕获结果分别用于锁频环和信号跟踪模块中的锁相环使用；信号跟踪模块完成载波同步和符号/位同步之后进行软判决，将数据以并行总线方式输出。
进一步的，所述信号捕获模块包括载波粗捕获模块，所述载波粗捕获模块，捕获结果载波精度≤1MHz，且所述粗捕获模块的输出结果包括两方面用途：一是用于锁频环的鉴频结果，二是作为精捕获模块的输入控制。
进一步的，所述信号捕获模块包括载波精捕获模块，所述载波精捕获模块用于得到比粗捕获结果更高频率精度的载波频率，输出频率控制字供跟踪模块的锁相环使用，且载波精捕模块中的积分有两个方面的用途：一是降低采样率，二是实现滤波作用，抑制载波频率段附近带外的噪声，提升信噪比。
进一步的，载波环路对输入载波进行实时同频同相的跟踪，对位进行同频同相的跟踪，精准对准位的中间位置，进行定时提取。
进一步的，采用早迟门锁相环进行位环的跟踪。
一种卫星激光宽带解调方法，包括以下步骤：
步骤一，信号预处理，完成包含残留多普勒载波信号的预处理，包括去直流、IQ幅度均衡、AGC增益控制、匹配滤波四个环节，其中去直流环节的目的为去除信号中的直流成分，以便完全消除载波分量；IQ幅度均衡补偿I、Q路幅度相位的不均衡、通过AGC增益控制将信号幅值调整到适于处理，匹配滤波则进一步对噪声信号进行滤除。
步骤二、载波捕获，分三步骤实现：扫描截获、锁频牵引、频率精捕。主要完成信号中载波频率的捕获，分为粗捕获和精捕获，粗捕获用于锁频环路的控制(实现锁频牵引)，需要对大动态范围变化的载波频率进行捕获；精捕获(频率精捕)的载波频率结果用于载波锁相环的初始频率输入。
步骤三、载波跟踪，在完成捕获后，对载波频率进行了粗略估计，而没有相位的信息。为了彻底去除数字中频输入信号中的载波，使其从中频下变频到基带，需要使得本地恢复的载波跟输入载波同频同相。那么就需要载波环路对输入载波进行实时同频同相的跟踪。为了恢复出比特流，需要对位进行同频同相的跟踪，精准对准位的中间位置，进行定时提取。本发明使用早迟门(超前滞后)锁相环进行位环的跟踪。
步骤四、信号恢复，包括相位模糊处理、差分译码、帧同步、状态控制、解扰及译码环节，实现对位同步后数据的恢复处理。
本发明还提供了一种卫星激光宽带解调恢复装置，包括信号预处理、信号捕获、信号跟踪三大模块，工作时钟频率固定在信号随路时钟156.25MHz(ADC的采样中心频率固定为5GHz)。信号先经过信号预处理(去直流、IQ幅度均衡、AGC增益控制、匹配滤波)之后送入信号跟踪模块，同时将匹配滤波前后的信号均送入捕获模块进行载波频率的粗捕获和精捕获，2种捕获结果分别用于锁频环和信号跟踪模块中的锁相环使用。信号跟踪模块完成载波同步(载波锁相环)和符号/位同步(符号/位锁相环)之后进行软判决，将数据以并行总线方式输出。
载波粗捕获：模块需要捕获的载波频率范围为±500MHz(激光接收时多普勒最大可达±5GHz，超过±500MHz时，需要用到根据粗捕获幅度信息来控制激光本振扫描，以使接收残留载波调入±500MHz范围内)，捕获结果载波精度需要≤1MHz。载波粗捕获的输入为数字匹配滤波前的数据，因为其残留载波大的时候，信号频谱将超过滤波器的带宽，信号能量将被部分滤除，将影响捕获的结果。
粗捕获模块的输出结果有两方面用途：一是用于锁频环的鉴频结果，二是作为精捕获模块的输入控制(幅值用于判断是否应该启动精捕获，频率字作为精捕获的DDC的预补偿载波频率)。
载波精捕获：得到比粗捕获结果更高频率精度的载波频率，输出频率控制字供跟踪模块的锁相环使用。该模块需要捕获的载波频率范围为±20MHz，捕获结果载波精度需要≤200kHz。载波精捕获的输入为数字匹配滤波后的数据(即与跟踪模块使用同样的输入数据)。
载波精捕模块中的积分(分段积分)有两方面的作用：一是降低采样率，二是实现滤波作用，抑制载波频率段附近带外的噪声，提升信噪比。精捕获模块中采用先积分、后FFT的方式实现，即使在最大多普勒动态效应下，捕获精度为81.37kHz。
载波跟踪环：主要完成信号载波、位(符号)的跟踪(同步)、符号判决(软判决)、信噪比估计。
跟踪环路是接收机的重要组成部分，主要包含：载波跟踪环路、符号环路。在完成捕获后，对载波频率进行了粗略估计，而没有相位的信息。为去除数字中频输入信号中的载波，使其从中频下变频到基带，需要使得本地恢复的载波跟输入载波同频同相。那么就需要载波环路对输入载波进行实时同频同相的跟踪。本发明使用Costas环路实现载波跟踪。为了恢复出比特流，需要对位进行同频同相的跟踪，精准对准位的中间位置，进行定时提取，选择早迟门(超前滞后)锁相环进行位环的跟踪。
高码率xPSK系统的跟踪环路原理框图如图1所示。
跟踪模块需要使用2个时钟，1个为解调数据域时钟i-clk，另一个为位同步NCO的工作时钟i_clk_dds。i_clk_dds先于i_clk到来，其复位释放(i_rst_dds)同样先于i_rst。
因此本跟踪模块在i_clk_dds时钟到来和i_rst_dds复位释放之后，位NCO最先工作，然后在i_clk有效和i_rst复位释放之后，跟踪模块内部其余逻辑进入初始状态，再得到精精捕载波结果输入之后，载波同步、位同步同时开始工作。本跟踪模块内部设置了对于载波同步的自动定时检测，一旦检测到载波同步失锁时，自动复位除位NCO、失锁定时检测模块外的所有模块，使得其基本进入复位初始态，等待下一次精捕获完成后重新开始2个环路的同步。
信号处理包括几个大的部分：信号预处理、信号捕获、信号跟踪、数据恢复、信道接收、和接口处理等过程，详细处理过程如图3所示。
解调模块主要完成信号的解调，输出软判决数据。
本解调模块实现的内容即为上图中的载波提取、定时提取、抽判、并串转换。解调过程由软硬件共同实现，因为符号同步需要的定时提取需要依靠调整ADC的采样时钟的频率和相位来实现。
数字解调器按功能可分为4个主要过程：增益控制(AGC)、均衡补偿(IQ幅度补偿、相位补偿)、载波同步(包含载波捕获、载波跟踪)、位同步及符号判决(星座图解映射)。
解调器有三个主要环路：增益控制环路(AGC)、载波环(PLL)、位同步环(基于PLL技术)。三个环路可以独立并行的工作，在数字信号处理中使用了数字AGC，但是对于激光通信中收发激光器的频率飘移特性，需要使用一个锁频环路对接收光本振进行控制，本解调器模块负责锁频环中的鉴频计算。解调模块软件结构由信号预处理、信号捕获、信号跟踪三个模块组成，工作时钟频率固定在信号随路时钟156.25MHz，ADC的采样频率为以5GHz为中心可动态调整。信号先经过信号预处理(去直流、IQ幅度均衡、AGC增益控制、匹配滤波)之后送入信号跟踪模块，同时将匹配滤波前后的信号均送入捕获模块进行载波频率的粗捕获和精捕获，两种捕获结果分别用于锁频环和信号跟踪模块中的锁相环使用。信号跟踪模块完成载波同步(载波锁相环)和符号/位同步(符号/位锁相环)之后进行软判决，将数据以并行总线方式输出。
信号捕获模块，由于卫星运动和激光器本身的频率特性，接收机得到的载波多普勒高达±5GHz，此范围超过了常规接收机能够捕获的频率范围，且接收机相干解调时本身的数字频率补偿范围有限，因此需要先将残留载波设置到接收机的载波捕获范围(扫描截获)，然后再通过对本振激光器的频率调整来将残留载波牵引至MHz级别(锁频牵引)，最后再通过精准的频率捕获手段得到精确的载波频率，从而使得残留载波进入载波跟踪锁相环的快捕带内。采用粗捕获(频率牵引，消除载波高多普勒频移的消除)将残留载波牵引到MHz级别，通过精准的频率捕获手段得到精确的载波频率。
如图5所示，为模块软件结构示意图，
实现原理，傅里叶变换公式为：
在IQ调制中：
则：
则捕获频率会受到符号调制的影响，因此需要去除符号调制对载波频率的影响。左右平方：
其中：(I+jQ)2展开为I2-Q2+2IQJ；
对于BPSK、则此项中Q为0，对于QPSK，上式中I2的积分值等于Q2的积分值，两项可以互相抵消，则上式变为
BPSK：
QPSK：
对于BPSK来说，I2的积分值已是常数，对于QPSK来说，需要再对上式取平方以消除2IQJ的影响，因此为了统计计算过程，对于BPSK与QPSK来说，均再次平方得到如下：
BPSK：
QPSK：
对于上式中除ex项以外，其余项的积分值为固定值，可设为A，则：
为了消除QPSK中负号的影响，对上式的积分结果再取模值。
可知当(ωlo＝ω)时，有最大值；因此可以实现载波捕获。
捕获模块，完成载波的粗捕获，该模块需要捕获的载波频率范围为±500MHz(激光接收时多普勒最大可达±5GHz，超过±500MHz时，需要用到根据粗捕获幅度信息来控制激光本振扫描，以使接收残留载波调入±500MHz范围内)，捕获结果载波精度需要≤1MHz。载波粗捕获的输入一定为数字匹配滤波前的数据，因为其残留载波大的时候，信号频谱将超过滤波器的带宽，信号能量将被部分滤除，将影响捕获的结果。
粗捕获模块的输出结果有两方面用途：一是用于锁频环的鉴频结果，二是作为精捕获模块的输入控制(幅值用于判断是否应该启动精捕获，频率字作为精捕获的DDC的预补偿载波频率)。
粗捕获模块作为锁频环路的鉴频部分，在整个锁频环路中工作示意图如下所示(绿色部分为载波粗捕获模块的部分)：
关于处理时延：捕获模块的处理时延(Td)由2部分构成。一是信号本身的输入时间T1(串行输入时间)。二是FFT处理的时延(T2)。在载波频率大动态变化的情况下，越长的输入数据时间将导致FFT峰值模糊，越长的处理时间将导致FFT输出的频率不能代表真实的频率值。目前粗捕获模块中的FFT设计点数为4096点，由此确定的设计参数如图6所示：即使在最大多普勒动态效应下，捕获精度为611.78kHz。
精捕获模块，模块完成载波的精捕获，得到比粗捕获结果更高频率精度的载波频率，输出频率控制信号跟踪模块的锁相环使用。该模块需要捕获的载波频率范围为±20MHz，捕获结果载波精度≤200kHz。载波精捕获的输入为数字匹配滤波后的数据(即与跟踪模块使用同样的输入数据)。
载波精捕模块中的积分(分段积分)有2个方面的作用：一是降低采样率，二是实现滤波作用，抑制载波频率段附近带外的噪声，提升信噪比。即使在最大多普勒动态效应下，捕获精度为81.37kHz。
仿真
根据选定的积分、FFT参数，创建了代码进行数据仿真。仿真的数据使用了2种：一种为仿真产生的理想无相噪、无多普勒情况下的BPSK信号。另外一种为实测数据，以下为仿真结果：
由上可知，可知最终的捕获载波频率为-499.115MHz，与设定值只相差8kHz。
(1)产生的BPSK信号，无相噪、无多普勒、信噪比10dB，设置载波为-499.123MHz下的仿真图：
图7，信号状态仿真图；
图8，粗捕获结果仿真图(纵坐标不代表绝对值)；
图9，精捕获结果仿真图(纵坐标不代表绝对值)；
由上可知，可知最终的捕获载波频率为-499.115MHz，与设定值只相差8kHz。
(2)激光通信时离线的数据-单载波：中等相噪、信噪比达15dB以上下的仿真图：
图10，信号状态仿真图；
图11，粗捕获结果仿真图(纵坐标不代表绝对值)；
图12，精捕获结果仿真图(纵坐标不代表绝对值)；
信号跟踪模块，主要完成信号载波、位(符号)的跟踪(同步)、符号判决(软判决)、信噪比估计。
跟踪环路是接收机的重要组成部分，主要包含：载波跟踪环路、符号环路。在完成捕获后，对载波频率进行了粗略估计，而没有相位的信息。为了彻底去除数字中频输入信号中的载波，使其从中频下变频到基带，需要使得本地恢复的载波跟输入载波同频同相。那么就需要载波环路对输入载波进行实时同频同相的跟踪。本发明采用Costas环路实现载波跟踪。为了恢复出比特流，需要对位进行同频同相的跟踪，精准对准位的中间位置，进行定时提取。本方案使用早迟门(超前滞后)锁相环进行位环的跟踪。高码率xPSK系统的跟踪环路原理框图如图1所示，
载波同步锁相环中的预积分：在FPGA实现时，因为计算时延的约束，将积分点数使用2n次方，且FPGA对积分后的数据进行取平均值操作。
两个环路分别使用的鉴相器如下。
上表中的符号含义为：
(1)IP(n)和QP(n)为当前时刻I路和Q路即时支路的累加和(预积分后的值)。
(2)sign表示采样点的符号位(正数取1，负数取0)。
(3)YI(r)和YQ(r)表示第r个符号I、Q两路在判决时刻的采样点值，YI(r-1/2)和YQ(r-1/2)表示介于第r和r-1个符号的中间采样点值。
关于位同步环路鉴相说明：从鉴相公式可以知道看出，如果第r个采样点和第r-1个采样点的极性相反，那么则r-1/2这个样点应该为零或者在零附近正负跳动；如果第r和r-1个样点的极性相同，则sign(YI(r))-sign(YI(r-1))＝0。如果已位同步，那么其误差信号error(r)为0。如果超前，那么其误差为负，如果滞后，那么其误差为正。
环路滤波器，两个环路的环路滤波器均采用的是一阶理想有源比例积分滤波器(构成二阶环路)，环路参数(T、K1、K2)的确定主要是要先确定环路带宽BL，然后得到积分时间T、和ωn，再根据公式计算得到K1、K2。
(1)环路参数的选择主要依据环路要跟踪的信号的动态指标(输入信号相噪、所需快捕带宽、最大捕获扫描速率、最大同步扫描速率)以及锁相环输出指标(环路信噪比、快捕时间、频率斜升稳态相差)来确定。
(2)处理时延对积分时间的限制。在锁相环的FPGA数字实现过程中，环路处理上是存在时延，一旦处理时延接近或者达到或超过积分时间，环路的性能将被破坏，甚至出现环路震荡无法锁定的情况。因此在高环路带宽的FPGA环路实现过程中，处理时延限制了环路带宽的提高。先根据处理时延先计算能够提供的最小积分时间，再依据环路带宽与积分时间的关系、以及便于数字实现积分后求平均值的动作折中选择积分时间和环路带宽。
关于本发明中时延对积分实现/环路带宽限制的分析：
载波同步锁相环
该锁相环在FPGA内部全数字化实现，因此环路的延时来自于FPGA的数据计算时延，其环路计算需要8个时钟周期。ADC输出的随路时钟分频后作为锁相环工作的主时钟，该时钟频率为156.25MHz(周期6.4ns)，因此环路时延为51.2ns。根据处理时延与积分时间制约关系，因此积分时间不得低于此值。
位同步锁相环
该锁相环路的NCO输出直接控制ADC的采样时钟，因此该环路延迟主要由两部分组成：FPGA环路计算、NCO的DAC传播时延。
首先估算一下环路的积分时间：该位同步相位跟踪时的位多普勒动态较小(约1KHz/s)，静态多普勒又有预补偿，因此环路带宽可以只要KHz级别，预积分时间可以达到20us左右。
FPGA环路计算时延20个时钟周期、DAC传播时延为4时钟周期+21.5ns。因此在环路时钟为156.25MHz(周期6.4ns)和DAC转换率为50MHz(20ns)的情况下，环路时延总共为229.5ns。该时延与预积分时间20us相比是一个小量，因此环路时延对环路性能的影响可以忽略。
(3)激光通信中光载波的相噪制约载波同步环路带宽。在激光通信中，收、发激光器本身的相噪是决定锁相环参数选择的主要因素，确定积分点数为16点(积分时间为102.40ns)，对应更新频率为9.77MHz，得到环路带宽为244.14kHz。
(4)激光通信中码/位多普勒预补精度制约了位同步环路带宽。本发明中码多普勒带宽在卫星运动下可达±50kHz大小，而其码多普勒速率为1kHz/s和码多普勒加速度1kHz/s2相比码多普勒带宽对环路带宽的限制均较小。多普勒预补后的精度就是位同步环路需要提供的快捕带宽，综合选择位同步带宽为1kHz。
信噪比估计模块
信噪比估计使用符号/位环路输出的Idata和Qdata两路软判决前的数据，旋转成BPSK星座图之后才能进行如下计算；对于并行数据，只需要取其中一路即可)，计算公式如下。
FPGA实现的时候，先将每个数据点计算I2-Q2、2Q2，然后计算数据的平均值mean(I2-Q2)，mean(2Q2)，然后得到mean(I2-Q2)*16，最后计算除法。取整数商之后，得到信噪比放大16倍的值。
位同步NCO
位同步的NCO(DDS)输出的频率是ADC采样时钟的一部分，ADC采样时钟又是整个解调器的工作时钟。
跟踪模块运行流程
跟踪模块内部按如下流程运行：
跟踪模块需要使用2个时钟，1个为解调数据域时钟i_clk，另一个为位同步NCO(DDS)的工作时钟i_clk_dds。i_clk_dds先于i_clk到来，其复位释放(i_rst_dds)同样先于i_rst。
因此本跟踪模块在i_clk_dds时钟到来和i_rst_dds复位释放之后，位NCO最先工作，然后在i_clk有效和i_rst复位释放之后，跟踪模块内部其余逻辑进入初始状态，再得到精捕载波结果输入之后，载波同步、位同步同时开始工作。本跟踪模块内部设置了对于载波同步的自动定时检测，一旦检测到载波同步失锁时，自动复位除位NCO、失锁定时检测模块外的所有模块，使得其基本进入复位初始态(除了位NCO的初始相位无法恢复外，初始相位不影响位跟踪过程)，等待下一次精捕获完成后重新开始载波环和位环的同步。
在本实施例中的其余技术特征，本领域技术人员均可以根据实际情况进行灵活选用和以满足不同的具体实际需求。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实现本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的算法，方法或系统等，均在本发明的权利要求书请求保护的技术方案限定技术保护范围之内。
对于前述的方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。
本领域技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法实现所描述的功能，但是这种实现不应超出本发明的范围。
所揭露的系统、模块和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例，仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，可以仅仅是一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以说通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述分立部件说明的单元可以是或者也可以不收物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者可以不收物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例的方案的目的。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、ROM、RAM等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种卫星激光宽带解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
S21，扫描截获，先将残留载波设置到接收机的载波捕获范围；
S22，锁频牵引，再通过对本振激光器的频率调整来将残留载波牵引至MHz级别；
S23，再通过精准的频率捕获手段得到精确的载波频率，从而使得残留载波进入载波跟踪锁相环的快捕带内。
2.根据权利要求1所述的卫星激光宽带解调方法，其特征在于，在步骤S21前，包括信号预处理步骤S1，在步骤S1中完成包含残留多普勒载波信号的预处理，包括去直流、IQ幅度均衡、AGC增益控制以及匹配滤波四个环节，其中所述去直流环节用于去除信号中的直流成分，以便完全消除载波分量；IQ幅度均衡补偿I、Q路幅度相位的不均衡；通过AGC增益控制将信号幅值调整到适于处理；匹配滤波则对噪声信号进行滤除。
3.根据权利要求1或2所述的卫星激光宽带解调方法，其特征在于，在步骤S23之后，包括载波跟踪步骤S3，在步骤S3中载波环路对输入载波进行实时同频同相的跟踪，对位进行同频同相的跟踪，精准对准位的中间位置，进行定时提取。
4.根据权利要求3所述的一种卫星激光宽带解调方法，其特征在于，在步骤S3中，采用早迟门锁相环进行位环的跟踪。
5.根据权利要求4所述的一种卫星激光宽带解调方法，其特征在于，在步骤S3后执行步骤S4，所述步骤S4包括相位模糊处理、差分译码、帧同步、状态控制、解扰及译码环节，用于实现对步骤S3中位同步后数据的恢复处理。
6.一种卫星激光宽带解调装置，其特征在于，包括信号预处理模块、信号捕获模块和信号跟踪模块；信号先经过信号预处理模块，所述信号预处理模块用于将所述信号去直流、IQ幅度均衡、AGC增益控制和匹配滤波之后送入信号跟踪模块，同时将匹配滤波前后的信号均送入信号捕获模块进行载波频率的粗捕获和精捕获；所述粗捕获和精捕获的捕获结果分别用于锁频环和信号跟踪模块中的锁相环；信号跟踪模块完成载波同步和符号/位同步之后进行软判决，将数据以并行总线方式输出。
7.根据权利要求6所述的卫星激光宽带解调装置，其特征在于，所述信号捕获模块包括载波粗捕获模块，所述载波粗捕获模块，捕获结果载波精度≤1MHz，且所述载波粗捕获模块的输出结果用于锁频环的鉴频结果以及作为载波精捕获模块的输入控制。
8.根据权利要求6所述的卫星激光宽带解调装置，其特征在于，所述信号捕获模块包括载波精捕获模块，所述载波精捕获模块用于得到比粗捕获结果更高频率精度的载波频率，输出频率控制字供信号跟踪模块的锁相环使用，且载波精捕模块中的积分用于降低采样率以及用于实现滤波作用、抑制载波频率段附近带外的噪声以提升信噪比。
9.根据权利要求6所述的卫星激光宽带解调装置，其特征在于，采用早迟门锁相环进行位环的跟踪。
CN202080077073.4A 2020-08-17 2020-08-17 一种卫星激光宽带解调方法与装置 Active CN114667717B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/CN2020/109464 WO2022036489A1 (zh) 2020-08-17 2020-08-17 一种卫星激光宽带解调方法与装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114667717A CN114667717A (zh) 2022-06-24
CN114667717B true CN114667717B (zh) 2024-02-09

Family

ID=80322456

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202080077073.4A Active CN114667717B (zh) 2020-08-17 2020-08-17 一种卫星激光宽带解调方法与装置

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20220416896A1 (zh)
EP (1) EP4024798A4 (zh)
CN (1) CN114667717B (zh)
WO (1) WO2022036489A1 (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115561786B (zh) * 2022-09-14 2023-08-15 福建福大北斗通信科技有限公司 一种应用于北斗三号基带的可变带宽码环处理方法
CN115825560B (zh) * 2023-02-17 2023-05-23 青岛鼎信通讯股份有限公司 一种基于频率跟踪技术的低压电网智能核相方法
CN116455460B (zh) * 2023-06-16 2023-08-25 成都星联芯通科技有限公司 低频直流分量滤除方法、解调器及卫星通信设备
CN117200884B (zh) * 2023-11-02 2024-03-22 北京融为科技有限公司 基于多源融合的激光波长捕获方法、装置、设备及介质

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107121685A (zh) * 2017-06-08 2017-09-01 南京理工大学 一种微型星载高动态gnss接收机及其导航方法
CN108072883A (zh) * 2017-12-24 2018-05-25 航天天绘科技有限公司 一种多航天器兼容互操作的信号多模接收锁定处理方法
CN109039471A (zh) * 2018-09-13 2018-12-18 上海微小卫星工程中心 一种应用于高速激光通信的数模混合解调方法
CN111239776A (zh) * 2020-02-20 2020-06-05 湖南迈克森伟电子科技有限公司 卫星接收机高效多制式自适应捕获与跟踪方法
CN111308518A (zh) * 2020-02-20 2020-06-19 湖南迈克森伟电子科技有限公司 卫星接收机高效多制式自适应捕获与跟踪装置

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7558340B2 (en) * 2003-12-01 2009-07-07 Lg Electronics Inc. VSB receiver and carrier recovery apparatus thereof
GB2494689A (en) * 2011-09-16 2013-03-20 Excelerate Technology Ltd Managing a satellite support mechanism
EP2979386A1 (en) * 2013-05-02 2016-02-03 Comtech EF Data Corp. Rapid carrier acquisition for digital communication receiver
US20150118980A1 (en) * 2013-10-29 2015-04-30 Qualcomm Incorporated Transmitter (tx) residual sideband (rsb) and local oscillator (lo) leakage calibration using a reconfigurable tone generator (tg) and lo paths
CN104378130B (zh) * 2014-11-26 2016-08-31 成都中远信电子科技有限公司 一种用于无人机地空宽带通信系统的接收终端
WO2016112286A1 (en) * 2015-01-09 2016-07-14 Massachusetts Institute Of Technology Link architecture and spacecraft terminal for high rate direct to earth optical communications
CN105429918B (zh) * 2015-10-23 2018-08-21 上海航天测控通信研究所 一种用于深空测控信号的快速捕获方法
WO2019131396A1 (ja) * 2017-12-27 2019-07-04 日本電気株式会社 信号処理装置及び信号処理方法
US11128373B1 (en) * 2020-07-31 2021-09-21 Com Dev Ltd. System and method for range enhanced high-speed free-space optical communication

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107121685A (zh) * 2017-06-08 2017-09-01 南京理工大学 一种微型星载高动态gnss接收机及其导航方法
CN108072883A (zh) * 2017-12-24 2018-05-25 航天天绘科技有限公司 一种多航天器兼容互操作的信号多模接收锁定处理方法
CN109039471A (zh) * 2018-09-13 2018-12-18 上海微小卫星工程中心 一种应用于高速激光通信的数模混合解调方法
CN111239776A (zh) * 2020-02-20 2020-06-05 湖南迈克森伟电子科技有限公司 卫星接收机高效多制式自适应捕获与跟踪方法
CN111308518A (zh) * 2020-02-20 2020-06-19 湖南迈克森伟电子科技有限公司 卫星接收机高效多制式自适应捕获与跟踪装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20220416896A1 (en) 2022-12-29
CN114667717A (zh) 2022-06-24
WO2022036489A1 (zh) 2022-02-24
EP4024798A1 (en) 2022-07-06
EP4024798A4 (en) 2022-11-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN114667717B (zh) 一种卫星激光宽带解调方法与装置
CN111343125B (zh) 32apsk调制体制接收机同步方法
Saber Efficient phase recovery system
US6295325B1 (en) Fixed clock based arbitrary symbol rate timing recovery loop
US5440265A (en) Differential/coherent digital demodulator operating at multiple symbol points
CN108270715B (zh) 适合高阶4096-qam的载波恢复系统和方法
US20100183054A1 (en) Method for the robust synchronization of a multi-carrier receiver using filter banks and corresponding receiver and transceiver
JPH03236652A (ja) 適応位相検出同期方法
WO1997030511A1 (en) Apparatus for generating timing signal for a digital television signal receiver
US7801249B2 (en) Carrier phase and symbol timing recovery circuit for an ATSC receiver and method of recovering a carrier phase and a symbol timing in received digital signal data
US20050157821A1 (en) Apparatus and method for carrier acquisition of vestigial sideband (VSB) signal
CN106656168B (zh) 时钟数据恢复装置及方法
CN105515639B (zh) 一种通用卫星高速数传信号定时同步方法
MXPA00010469A (es) Demodulador para un receptor de television de alta definicion.
CN111147413A (zh) 一种低轨卫星短时突发解调方法
CN112804173A (zh) 高动态大频偏载波跟踪方法
CN106656400A (zh) Pcma系统时延抖动情况下的精确频差快速捕获方法
JPH06177924A (ja) 位相同期検出回路
CN112511182B (zh) 一种星载测控数传接收装置
US9436209B2 (en) Method and system for clock recovery with adaptive loop gain control
CN100499616C (zh) 数字残留单边带调制系统载波恢复装置及其恢复方法
CN110880964B (zh) 一种基于数据转换跟踪环路的比特同步跟踪系统
CN108712190B (zh) 多载波跟踪方法及跟踪装置
US8903028B2 (en) Timing recovery for low roll-off factor signals
KR100896275B1 (ko) 반송파 복구 장치 및 방법

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant