CN114745021B - 一种深空应答机的非同源码率的跟踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深空应答机的非同源码率的跟踪方法，其方法包括：获取输入时钟和比特流并做升余弦成形滤波；根据成形滤波的输出值进行多级二倍上采样，生成最接近工作时钟的样值序列；将最接近工作时钟的样值序列做跨时钟域的转换；根据转换后的样值序列进行小数倍插值，生成工作时钟的样值序列实现跟踪；本发明能够针对深空探测场景中对测控应答机的数传功能要求和设计难点，具备对异源数据码率的跟踪能力，输出波形满足带外抑制要求。

Description

一种深空应答机的非同源码率的跟踪方法
技术领域
本发明涉及一种深空应答机的非同源码率的跟踪方法，属于深空测控通信技术领域。
背景技术
深空应答机是实现深空测控通信的核心组成部分，大量科学探测数据需通过应答机的传输单元传回地球。深空应答机数传调制器的设计难点主要有以下几点：32*2^(0～7)bps、16*2^(0～8)kbps，一共17挡码率，且每挡要同时实现BPSK/QPSK两种调制方式；整机带外抑制要求分解到基带，为在3.5MH功率下降45dB以上；17挡码率(bps)转化到符号率后一共有19挡，与工作时钟之间是非整数倍关系；数据时钟由数据源板提供，与基带板不同源，难以进行跟踪。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种深空应答机的非同源码率的跟踪方法，能够实现对非同源数据码率的跟踪，且输出波形满足带外抑制要求。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种深空应答机的非同源码率的跟踪方法，包括：
获取输入时钟和比特流并做升余弦成形滤波；
根据成形滤波的输出值进行多级二倍上采样，生成最接近工作时钟的样值序列；
将最接近工作时钟的样值序列做跨时钟域的转换；
根据转换后的样值序列进行小数倍插值，生成工作时钟的样值序列实现跟踪。
可选的，所述升余弦成形滤波满足：
其中，α为滚将系数，B为绝对带宽，R为调制符号率。
可选的，所述半带滤波器的级联结构的级数根据成形滤波的输出值的码率确定，若将当前码率提升一倍，则减去一级半带滤波器；若将当前码率减小一倍，则增加一级半带滤波器。
可选的，所述Farrow插值滤波器的系数是函数si(x)的离散值，
所述函数si(x)为：
所述离散值为：
hI[(i+μk)T′]＝si[π(i+μk)]
其中，T′为差值后的采样周期，μk为采样时刻与基点时刻的时间差序列，i为整数。
第二方面，本发明提供了一种深空应答机的非同源码率的跟踪装置，所述装置包括：
升余弦滤波器，用于获取输入时钟和比特流并做升余弦成形滤波；
半带滤波器的级联结构，用于根据成形滤波的输出值进行多级二倍上采样，生成最接近工作时钟的样值序列；
FIFO缓存器，用于将最接近工作时钟的样值序列做跨时钟域的转换；
Farrow插值滤波器，用于根据转换后的样值序列进行小数倍插值，生成工作时钟的样值序列实现跟踪。
第三方面，本发明提供了一种深空应答机的非同源码率的跟踪装置，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据上述任一项所述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明提供的一种深空应答机的非同源码率的跟踪方法，升余弦脉冲具有频带利用率高的优点，同时满足无符号间干扰条件和最佳接收要求；Farrow插值滤波器具有码率跟踪功能；具备对异源数据码率的跟踪能力，输出波形满足带外抑制要求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种深空应答机的非同源码率的跟踪方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种深空应答机的非同源码率的跟踪方法的结构图；
图3是本发明实施例提供的升余弦成形参数对比示意图；
图4是本发明实施例提供的归一化的升余弦成形幅频响应示意图；
图5是本发明实施例提供的Farrow插值滤波器结构示意图；
图6是本发明实施例提供的Farrow插值前后离散波形比较示意图；
图7是本发明实施例提供的Farrow插值前后频谱比较示意图；
图8是本发明实施例提供的数传调制器基带输出星座图及EVM测试示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
如图1所示，本发明实施例提供了一种深空应答机的非同源码率的跟踪方法，包括以下步骤：
1、获取输入时钟和比特流并做升余弦成形滤波；
2、根据成形滤波的输出值进行多级二倍上采样，生成最接近工作时钟的样值序列；
3、将最接近工作时钟的样值序列做跨时钟域的转换；
4、根据转换后的样值序列进行小数倍插值，生成工作时钟的样值序列实现跟踪。
本发明先对输入时钟和比特流做升余弦成形滤波，再经过多级二倍上采样的半带滤波器的级联结构(实际使用级数根据当前码率调整，半带滤波器的级联结构的级数根据成形滤波的输出值的码率确定，若将当前码率提升一倍，则减去一级半带滤波器；若将当前码率减小一倍，则增加一级半带滤波器)，输出最接近工作时钟的样值序列(如65.568Msps)，再经过Farrow结构的小数倍插值器输出80Msps的样值序列，Farrow插值之前通过FIFO缓存做跨时钟域的转换，并通过FIFO与插值控制模块的闭环结构来实现对非同源码率的跟踪。
如图2所示，本发明实施例提供了一种深空应答机的非同源码率的跟踪装置，装置包括：
升余弦滤波器，用于获取输入时钟和比特流并做升余弦成形滤波；
半带滤波器的级联结构，用于根据成形滤波的输出值进行多级二倍上采样，生成最接近工作时钟的样值序列；
FIFO缓存器，用于将最接近工作时钟的样值序列做跨时钟域的转换；
Farrow插值滤波器，用于根据转换后的样值序列进行小数倍插值，生成工作时钟的样值序列实现跟踪。
具体的，升余弦成形滤波满足：
其中，α为滚将系数，B为绝对带宽，R为调制符号率，在本实施例中升余弦脉冲成形后的6dB带宽即为R，滚将系数α表示绝对带宽B相对6dB带宽的扩展。
如图3所示(滚将系数α＝0.3)，升余弦滤波器设计的关键是在特定滚降系数下确定采用的成形倍数和滤波器阶数。滚降系数一半要求不小于0.2，否则太接近理想低通滤波器特性，发挥不出滚降带来的好处。以滚降系数为0.3时为例，对比了4倍成形、滤波器覆盖符号数为8(4x Span＝8)和8倍成形、滤波器覆盖符号数为12(8x Span＝12)的成行结果，二者具有很好的重合性，与工程上4倍成形已够用的经验相符合，而且对的滚降系数而言，成形滤波器长度覆盖8个符号也已足够。
如图4所示(滚将系数α＝0.3)，对1/2符号率归一化后的“4x Span＝8”升余弦成形滤波器的幅频响应，在最高码率挡也可保证对带外抑制的要求。
如图5所示，4倍成形再经过级联HBF插值后，基带样值速率提高到与工作时钟(80MHz)最接近的码率整数倍速率(如65.568Msps)，再经过一次小数倍插值将速率转换到工作时钟上，以便后续数字中频调制使用。
本实施例，Farrow插值滤波器的系数是函数si(x)的离散值，
函数si(x)为：
离散值为：
hI[(i+μk)T′]＝si[π(i+μk)]
其中，T′为差值后的采样周期，μk为采样时刻与基点时刻的时间差序列，0≤μk<1，i为整数。hI(·)为Farrow插值滤波器的系数函数；
实际使用中必须对上式进行截短，比如i取值从-I1到I2，则可通过对基点时刻样值y(mkT′)及其相邻时刻的(I1+I2)个样值的数字信号处理，得到采样时刻kT＝(mk+μk)T′的样值y(kT)，其中隐含着利用基点样值构建连续波形再重新采样的过程，其基本插值公式为：
μk由插值控制单元计算得到，T为插值前的采样周期；x(·)为系统输入样值，y(·)为系统输出样值；
Farrow插值滤波器提出一种连续可变延迟的FIR插值滤波器实现结构，抽头系数可根据延迟上式中μk的在线计算得到。Farrow插值滤波器的原理是用M次多项式来近似理想的插值滤波器系数：
其中，每一个v(m)都是样值序列经过系数为cm(i)的恒定FIR滤波器的输出，因此插值滤波器可由一组(M+1)个并行的FIR滤波器组来实现，cm(i)为FIR滤波器系数。
进一步的，每一个时钟节拍k，需要更新两个参数和来控制Farrow小数倍插值滤波器的运算。假设两个相邻的采样时刻记为：
kT＝(mk+μk)T′
(K+1)T＝(mk+1+μk+1)T′
可得基点mk的递推表达式为：
因为基点mk和mk+1都是是整数，所以也是整数；又0≤μk+1<1，可得：
mk用来为Farrow插值滤波器提供合适的基点序列，在图2方案中是通过对FIFO缓存器的读使能控制来实现的；μk则直接送入Farrow小数倍插值滤波器，int(·)为取整函数。
在为插值后与插值前采样周期的比例，在数据时钟与工作时钟同源情况下，该插值比例具有固定的标准值(如80M/65.568M)。根据FIFO缓存数据量的增减趋势对插值比例进行反向调整(类似Gardner定时环的机制)，实现调制器对数据如数据码率的跟踪。
进一步的，由于深空应答机采用极高稳定度的晶振时钟，对插值比例采用一个简单的一阶小步进调整结构即可实现预期的码率跟踪，即：
其中，ε为调整步长，实际测试中归一化调整步长值在10-4量级上具有较好的收敛性能。
如图6所示，以最高4096kHz符号率为例，4倍升余弦成形并经过两级2倍插值HBF后，样值速率提升到65.536MHz，再经过插值比例为65.536M/80M＝0.8192的Farrow插值后，将样值速率提升到工作时钟80MHz上。从Farrow插值前后波形的比较，可见插值实现了样值速率的平滑提升。
如图7所示，进一步比较插值前后的频谱，输出波形中升余弦谱的特性得到了完整保留，满足带外抑制要求。
如图8所示，4096k bps-QPSK调制时基带输出(80Msps)仿真的星座图及EVM测试截图，EVM值基本维持在1％附近，调制波形性能良好。
实施例二：
本发明实施例还提供了一种深空应答机的非同源码率的跟踪装置，包括处理器及存储介质；
存储介质用于存储指令；
处理器用于根据指令进行操作以执行根据实施例一所述方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种深空应答机的非同源码率的跟踪方法，其特征在于，包括：
获取输入时钟和比特流并做升余弦成形滤波；
根据成形滤波的输出值通过半带滤波器的级联结构进行多级二倍上采样，生成最接近工作时钟的样值序列；
将最接近工作时钟的样值序列做跨时钟域的转换；
根据转换后的样值序列通过Farrow插值滤波器进行小数倍插值，生成工作时钟的样值序列实现跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种深空应答机的非同源码率的跟踪方法，其特征在于，所述升余弦成形滤波满足：
其中，α为滚将系数，B为绝对带宽，R为调制符号率。
3.根据权利要求1所述的一种深空应答机的非同源码率的跟踪方法，其特征在于，所述半带滤波器的级联结构的级数根据成形滤波的输出值的码率确定，若将当前码率提升一倍，则减去一级半带滤波器；若将当前码率减小一倍，则增加一级半带滤波器。
4.根据权利要求1所述的一种深空应答机的非同源码率的跟踪方法，其特征在于，所述Farrow插值滤波器的系数是函数si(x)的离散值，
所述函数si(x)为：
所述离散值为：
hI[(i+μk)T′]＝si[π(i+μk)]
其中，T′为差值后的采样周期，μk为采样时刻与基点时刻的时间差序列，i为整数。
5.一种深空应答机的非同源码率的跟踪装置，其特征在于，所述装置包括：
升余弦滤波器，用于获取输入时钟和比特流并做升余弦成形滤波；
半带滤波器的级联结构，用于根据成形滤波的输出值进行多级二倍上采样，生成最接近工作时钟的样值序列；
FIFO缓存器，用于将最接近工作时钟的样值序列做跨时钟域的转换；
Farrow插值滤波器，用于根据转换后的样值序列进行小数倍插值，生成工作时钟的样值序列实现跟踪。
6.一种深空应答机的非同源码率的跟踪装置，其特征在于，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1-4任一项所述方法的步骤。
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易鸿锋 ; 谷春燕 ; 易克初 ; 金力军 ; .一种高精度的符号定时同步方法.西安电子科技大学学报.2005,(第06期),全文. *
袁问渠 ; 贺知明 ; .8PSK中频数字化发射机中多级滤波器的研究与设计.中国西部科技.2009,(第09期),全文. *
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