CN115967479B - 基于数字回环的时钟恢复校正系统及方法 - Google Patents

基于数字回环的时钟恢复校正系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种同步转发测距体制下的基于数字回环的时钟恢复校正系统及方法，属于信号处理技术领域。本发明实现方法为：从上行测距信号中提取同步时钟，以同步时钟为基准使用直接数字频率合成器DDS芯片合成转发时钟，通过数字回环方式修正转发时钟频率控制字，从而消除因基准时钟稳定度、温漂、器件老化等造成的转发信号与上行信号时钟之间的频偏；使用数字回环方法能够灵活选取数字回环信号的频率，仅需使数字回环信号的过采样倍数与上行信号的过采样倍数一致，降低对硬件性能的要求；使用数字回环方法，不经过外部信号传输链路进一步降低硬件电路复杂度，利于电路的布局布线，节省星端接收处理机紧张的接口资源，更适用于小卫星载荷应用。

Description

基于数字回环的时钟恢复校正系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于数字回环的时钟恢复校正系统及方法，属于信号处理技术领域。
背景技术
当前卫星频段资源日趋紧张，基于微波的星地信号传输技术受到频率使用许可、混频模拟器件技术瓶颈等诸多限制，激光通信测距技术利用激光作为载体获得地面端与星端之间的距离，无需频率使用许可，具有传输速率高、保密性好等优势，为在轨卫星精密定位提供重要支撑。
激光通信测距体制主要分为同步转发测距体制与异步应答体制。其中，同步转发测距由地面端作为测距任务的发起端和主控端，卫星从上行测距信号中提取同步时钟并以此为基准将测距信号转发回地面端，地面端计算接收信号与发送信号之间的时间差，从而解算出星地距离。相对于异步应答测距体制，同步转发测距方式无需配置星上原子钟，能够降低星上有效载荷的质量和信号处理压力，适用于星地远距离激光测距。
同步转发一个关键的环节是对接收信号进行时钟恢复，获得接收信号的频率信息后通过直接数字频率合成器(DDS)合成转发信号的时钟，由于基准时钟稳定度、温漂、器件老化等原因使得实际恢复出的时钟与理论恢复出的时钟之间存在频偏，使得转发信号的多普勒信息与实际情况不相符，极大的影响距离测量精度。
发明内容
本发明主要目的提供一种同步转发测距体制下的基于数字回环的时钟恢复校正系统及方法，以同步时钟为基准使用直接数字频率合成器DDS芯片合成转发时钟，并通过数字回环方式修正转发时钟的频率控制字，从而消除因基准时钟稳定度、温漂、器件老化等造成的转发信号与上行信号时钟之间的频偏，提高同步转发精度；能够灵活选取数字回环信号的频率，无需对下行高频信号进行采样处理来确保回环信号频率控制字与上行信号频率控制字的一致性，降低对硬件性能的要求；不经过外部信号传输链路进一步降低硬件电路复杂度，利于电路的布局布线，节省星端接收处理机紧张的接口资源，更适用于小卫星载荷应用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明公开的基于数字回环的时钟恢复校正系统，为同步转发测距体制下的基于数字回环的时钟恢复校正系统，包括激光信号接收模块、上行信号采集模块、上行信号同步模块、下行信号产生模块、激光信号调制模块、数字回环信号同步模块、频率控制字修正模块、模拟时钟合成模块。
所述激光信号接收模块，用于接收并解调地面端发送的上行激光信号，得到高速模拟上行接收信号，并传输至上行信号采集模块。
所述上行信号采集模块，对激光信号接收模块输出的高速模拟上行接收信号进行采样量化，将模拟信号转换为数字信号，并传输至上行信号同步模块。
所述上行信号同步模块，对上行信号采集模块输出的数字信号进行捕获和跟踪，实现信号的同步，根据捕获是否成功控制下行信号产生模块的工作状态，并且在跟踪环节得到上行接收信号的频率控制字FTWR，并将FTWR传输至频率控制字修正模块。
所述下行信号产生模块，在模拟时钟合成模块生成的时钟驱动下，根据上行信号同步模块输出的捕获使能标志信号，生成并发送下行高速信号至激光信号调制模块。同时利用数字回环方法生成一路数据格式与下行高速信号一致，仅在速率上低于下行高速信号的数字回环信号，数字回环信号传输至数字回环信号同步模块。
所述激光信号调制模块，对下行信号产生模块产生的下行高速信号进行调制，将所述调制后的下行高速信号经下行激光链路传输至地面站。所述地面站包括光学接收天线和信号采集处理模块。
所述数字回环信号同步模块，通过数字回环方法对下行信号产生模块生成的数字回环信号在数字域进行采样，并对采样得到的数字回环信号进行捕获跟踪，在跟踪环节得到数字回环信号的频率控制字FTWL，并将FTWL传输至频率控制字修正模块。通过数字回环方法灵活选取数字回环信号的频率，根据系统工作频率仅需使数字回环信号的过采样倍数与上行信号的过采样倍数一致，即能够确保回环信号处理得到的频率控制字与上行信号处理得到的频率控制字具备一致性，无需对下行高频信号进行采样处理来确保回环信号频率控制字与上行信号频率控制字的一致性。
所述频率控制字修正模块，通过比较上行接收信号的频率控制字FTWR与数字回环信号的频率控制字FTWL，对频率控制字FTW进行修正并传输至模拟时钟合成模块，最终使得FTWL与FTWR一致，或使二者偏差在预定范围内，消除转发信号与上行信号时钟之间的频偏，即在同步转发测距体制下实现基于数字回环的时钟恢复校正，提高同步转发精度。所述频偏产生原因包括基准时钟稳定度误差、温漂、器件老化。
所述模拟时钟合成模块，使用频率控制字修正模块输出的频率控制字FTW经直接数字频率合成器DDS芯片合成转发时钟，即以同步时钟为基准使用直接数字频率合成器DDS芯片合成转发时钟，同步将所述转发时钟输出给下行信号产生模块。
作为优选，通过比较上行接收信号的频率控制字FTWR与数字回环信号的频率控制字FTWL对频率控制字FTW进行修正，具体实现方法如下：
频率控制字修正模块对FTWR与数字回环信号处理得到的FTWL做差，得到转发信号与接收信号之间的频率差异ΔFTW＝FTWR-FTWL，根据ΔFTW对输出给外部DDS芯片的频率控制字FTW进行迭代修正，即
经过多次迭代后，使得ΔFTW≈0，从而消除转发信号与上行信号时钟之间的频偏，即在同步转发测距体制下实现基于数字回环的时钟恢复校正，提高同步转发精度。所述频偏产生原因包括基准时钟稳定度误差、温漂、器件老化。
本发明还公开一种基于数字回环的时钟恢复校正方法，基于所述基于数字回环的时钟恢复校正系统实现，所述一种基于数字回环的时钟恢复校正方法包括如下步骤：
步骤一、激光信号接收模块对接收到的激光信号进行去载波处理，得到调制在激光信号中的基带信号。
步骤二、上行信号采集模块中的模数转换器ADC对接收到的上行基带电信号进行采样量化得到数字信号，并将数字信号传输给上行信号同步模块进行处理。
步骤三、上行信号同步模块中的捕获部分在采样得到的数字信号中寻找特定的伪码帧头，确定帧起始位置，控制跟踪模块的运算，并输出捕获成功信号控制下行信号产生模块是否开始工作。
步骤三、跟踪部分中的跟踪环路通过超前减滞后功率法进行鉴相，并通过二阶环路对鉴相值进行滤波，去除高频分量及噪声，根据鉴相值计算得到接收信号的频率控制字FTWR。
步骤四、频率控制字修正模块对FTWR与数字回环信号处理得到的FTWL做差，得到转发信号与接收信号之间的频率差异ΔFTW＝FTWR-FTWL，根据ΔFTW对输出给外部DDS芯片的频率控制字FTW进行迭代修正，即
经过多次迭代后，使得ΔFTW≈0，从而消除转发信号与上行信号时钟之间的频偏，即在同步转发测距体制下实现基于数字回环的时钟恢复校正，提高同步转发精度。所述频偏产生原因包括基准时钟稳定度误差、温漂、器件老化。
步骤五、模拟时钟合成模块中的DDS芯片根据频率控制字修正模块输出的频率控制字FTW合成下行信号转发时钟。
步骤六、下行信号产生模块在下行信号转发时钟的驱动下，根据上行信号同步模块的捕获使能标志信号开始产生下行高速信号，同时生成低速率的数字回环信号。
步骤七、激光信号调制模块对下行高速信号进行光载波调制，并通过光学天线发送调制后的激光信号。
步骤八、数字回环信号同步模块对数字回环信号进行数字域的采样，并对信号进行捕获跟踪，得到数字回环信号的频率控制字FTWL。使用FTWL对FTW进行修正，使得下行转发信号的频率与上行接收信号一致，提高同步转发测距系统的测量精度。
有益效果：
1、本发明公开的基于数字回环的时钟恢复校正系统及方法，使用数字回环方法，对同步转发的下行信号进行频率校验及修正，能够监测转发信号与上行接收信号的频率一致性，并在二者存在频偏时对转发信号进行修正，消除各种因素导致的转发频偏问题，提高同步转发精度。
2、本发明公开的基于数字回环的时钟恢复校正系统及方法，使用数字回环方法，不经过外部信号传输链路，硬件电路复杂度低，利于电路的布局布线，节省了星端接收处理机紧张的接口资源，适用于小卫星载荷应用。
3、本发明公开的基于数字回环的时钟恢复校正系统及方法，使用数字频率合成芯片在外部进行时钟调整，修正响应延迟小，调节精度高，相比于FPGA内部IP核实现方式，本发明恢复出的下行转发时钟抖动小，发送信号稳定度高，从而提高星地测距精度。
4、本发明公开的基于数字回环的时钟恢复校正系统及方法，使用数字回环方法，数字回环信号的频率能够灵活选取，根据系统工作频率仅需使数字回环信号的过采样倍数与上行信号的过采样倍数一致，即可确保回环信号处理得到的频率控制字与上行信号处理得到的频率控制字具备一致性，无需对下行高频信号进行采样处理来确保回环信号频率控制字与上行信号频率控制字的一致性，降低对硬件性能的要求，便于系统硬件实现，且提升系统硬件的布局紧凑性。
附图说明
图1是本发明中基于数字回环的时钟恢复校正系统信号处理流程示意图。
图2是本发明中星端信号处理模块硬件结构示意图。
图3是本发明中DDS芯片AD9915的频率控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明和详细描述。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的同步转发测距体制下的基于数字回环的时钟恢复校正系统，包括：激光信号接收模块、上行信号采集模块、上行信号同步模块、下行信号产生模块、激光信号调制模块、数字回环信号同步模块、频率控制字修正模块、模拟时钟合成模块。
所述激光信号接收模块，用于接收并解调地面端发送的上行激光信号，得到高速模拟上行接收信号，并传输至上行信号采集模块。
所述上行信号采集模块，对激光信号接收模块输出的高速模拟上行接收信号进行采样量化，将模拟信号转换为数字信号，并传输至上行信号同步模块。
所述上行信号同步模块，对上行信号采集模块输出的数字信号进行捕获和跟踪，实现信号的同步，根据捕获是否成功控制下行信号产生模块的工作状态，并且在跟踪环节得到上行接收信号的频率控制字FTWR，并将FTWR传输至频率控制字修正模块。
所述下行信号产生模块，在模拟时钟合成模块生成的时钟驱动下，根据上行信号同步模块输出的捕获使能标志信号，生成并发送下行高速信号至激光信号调制模块。同时利用数字回环方法生成一路数据格式与下行高速信号一致，仅在速率上低于下行高速信号的数字回环信号，数字回环信号传输至数字回环信号同步模块。
所述激光信号调制模块，对下行信号产生模块产生的下行高速信号进行调制，将所述调制后的下行高速信号经下行激光链路传输至地面站。所述地面站包括光学接收天线及信号采集处理模块。
所述数字回环信号同步模块，通过数字回环方法对下行信号产生模块生成的数字回环信号在数字域进行采样，并对采样得到的数字回环信号进行捕获跟踪，在跟踪环节得到数字回环信号的频率控制字FTWL，并将FTWL传输至频率控制字修正模块。通过数字回环方法灵活选取数字回环信号的频率，根据系统工作频率仅需使数字回环信号的过采样倍数与上行信号的过采样倍数一致，即能够确保回环信号处理得到的频率控制字与上行信号处理得到的频率控制字具备一致性，无需对下行高频信号进行采样处理来确保回环信号频率控制字与上行信号频率控制字的一致性。
所述频率控制字修正模块，通过比较上行接收信号的频率控制字FTWR与数字回环信号的频率控制字FTWL，对频率控制字FTW进行修正并传输至模拟时钟合成模块，最终使得FTWL与FTWR一致，或使二者偏差在预定范围内，消除转发信号与上行信号时钟之间的频偏，即在同步转发测距体制下实现基于数字回环的时钟恢复校正，提高同步转发精度。所述频偏产生原因包括基准时钟稳定度误差、温漂、器件老化。
所述模拟时钟合成模块，使用频率控制字修正模块输出的频率控制字FTW经直接数字频率合成器DDS芯片合成转发时钟，即以同步时钟为基准使用直接数字频率合成器DDS芯片合成转发时钟，同步将所述转发时钟输出给下行信号产生模块。
图2是本发明中星端信号处理模块硬件结构示意图。信号产生与分析处理板卡主要由1片2.5Gsps高速ADC、1片Kintex7系列FPGA(内嵌高速GTX发射器)、多片时钟管理芯片、电源管理模块和1片直接数字式合成芯片组成。ADC芯片采用Texas Instruments的ADC08D1520采样芯片。ADC08D1520是基于ADC08D1500平台的双路，低功耗，高性能CMOS模数转换器，该芯片为低功率8bit位宽采样芯片，支持双通道1.5Gsps或单通道3Gsps采样速率。直接数字式频率合成芯片选择ADI公司的AD9915芯片，AD9915是一款内置12位DAC的直接数字频率合成器(DDS)，该芯片为2.5Gsps采样率直接数字式合成器，内部集成了2.5Gsps高速DDS核和12bitDAC。AD9915具有快速跳频和精密调谐分辨率(64位采用可编程模数模式)，还实现快速相位与幅度跳跃功能，频率调谐和控制字可通过串行或并行I/O端口载入AD9915。
以开关键控(OOK)调制方式、上行信号符号速率为1.24416Gsps、上行信号采样率为2.5Gsps、下行转发速率与上行接收到的信号速率一致、光波长1550nm的同步转发激光测距系统为例，对本发明的具体实施过程进行说明。
本实施例还公开基于数字回环的时钟恢复校正方法，基于所述的基于数字回环的时钟恢复校正系统实现，具体实施步骤如下：
步骤一、激光信号接收模块对接收到的激光信号进行去载波处理，得到调制在激光信号中的符号速率为1.24416Gsps的基带信号。
步骤二、上行信号采集模块中的模数转换器ADC08D1520以2.5Gsps采样率对上行基带电信号进行采样量化得到数字信号，并将数字信号传输给上行信号同步模块进行处理。
步骤三、上行信号同步模块中的捕获部分以156.25MHz的工作时钟在采样得到的数字信号中进行16路并行处理，寻找特定的伪码帧头0x1ACFFC1D，确定帧起始位置，控制跟踪模块的运算，并输出捕获成功信号控制下行信号产生模块是否开始工作。
步骤三、跟踪部分中的跟踪环路通过超前减滞后功率法进行鉴相，并通过二阶环路对鉴相值进行滤波，去除高频分量及噪声，码NCO控制部分根据鉴相值计算得到接收信号的频率控制字(FTWR)。
步骤四、频率控制字修正模块对FTWR与数字回环信号处理得到的FTWL做差，得到转发信号与接收信号之间的频率差异ΔFTW＝FTWR-FTWL，根据ΔFTW对输出给外部专用DDS芯片的频率控制字FTW进行迭代修正，即
经过多次迭代后，使得ΔFTW≈0，从而消除转发信号与上行信号时钟之间的频偏，即在同步转发测距体制下实现基于数字回环的时钟恢复校正，提高同步转发精度。所述频偏产生原因包括基准时钟稳定度误差、温漂、器件老化。
步骤五、模拟时钟合成模块中的DDS芯片根据频率控制字修正模块输出的频率控制字FTW合成下行信号转发时钟。
步骤六、下行信号产生模块在下行信号转发时钟的驱动下，根据上行信号同步模块的捕获使能标志信号开始产生下行高速信号，同时通过对转发时钟进行分频生成速率为下行高速信号的1/16的数字回环信号。
步骤七、激光信号调制模块对下行高速信号进行光载波调制，并通过光学天线发送调制后的激光信号。
步骤八、数字回环信号同步模块以156.25MHz的频率对数字回环信号进行数字域的采样，使得回环信号过采样倍数与上行信号过采样倍数一致，并对信号进行捕获跟踪，得到数字回环信号的频率控制字FTWL。使用FTWL对FTW进行修正，使得下行转发信号的频率与上行接收信号一致，消除器件不理想及环境因素的影响，提高同步转发测距系统的测量精度。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果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 (3)

1.基于数字回环的时钟恢复校正系统，其特征在于：为同步转发测距体制下的基于数字回环的时钟恢复校正系统，包括激光信号接收模块、上行信号采集模块、上行信号同步模块、下行信号产生模块、激光信号调制模块、数字回环信号同步模块、频率控制字修正模块、模拟时钟合成模块；
所述激光信号接收模块，用于接收并解调地面端发送的上行激光信号，得到高速模拟上行接收信号，并传输至上行信号采集模块；
所述上行信号采集模块，对激光信号接收模块输出的高速模拟上行接收信号进行采样量化，将模拟信号转换为数字信号，并传输至上行信号同步模块；
所述上行信号同步模块，对上行信号采集模块输出的数字信号进行捕获和跟踪，实现信号的同步，根据捕获是否成功控制下行信号产生模块的工作状态，并且在跟踪环节得到上行接收信号的频率控制字FTWR，并将FTWR传输至频率控制字修正模块；
所述下行信号产生模块，在模拟时钟合成模块生成的时钟驱动下，根据上行信号同步模块输出的捕获使能标志信号，生成并发送下行高速信号至激光信号调制模块；同时利用数字回环方法生成一路数据格式与下行高速信号一致，仅在速率上低于下行高速信号的数字回环信号，数字回环信号传输至数字回环信号同步模块；
所述激光信号调制模块，对下行信号产生模块产生的下行高速信号进行调制，将调制后的下行高速信号经下行激光链路传输至地面站；所述地面站包括光学接收天线和信号采集处理模块；
所述数字回环信号同步模块，通过数字回环方法对下行信号产生模块生成的数字回环信号在数字域进行采样，并对采样得到的数字回环信号进行捕获跟踪，在跟踪环节得到数字回环信号的频率控制字FTWL，并将FTWL传输至频率控制字修正模块；通过数字回环方法灵活选取数字回环信号的频率，根据系统工作频率仅需使数字回环信号的过采样倍数与上行信号的过采样倍数一致，即能够确保回环信号处理得到的频率控制字与上行信号处理得到的频率控制字具备一致性，无需对下行高频信号进行采样处理来确保回环信号频率控制字与上行信号频率控制字的一致性；
所述频率控制字修正模块，通过比较上行接收信号的频率控制字FTWR与数字回环信号的频率控制字FTWL，对频率控制字FTW进行修正并传输至模拟时钟合成模块，最终使得FTWL与FTWR一致，或使二者偏差在预定范围内，消除转发信号与上行信号时钟之间的频偏，即在同步转发测距体制下实现基于数字回环的时钟恢复校正，提高同步转发精度；所述频偏产生原因包括基准时钟稳定度误差、温漂、器件老化；
所述模拟时钟合成模块，使用频率控制字修正模块输出的频率控制字FTW经直接数字频率合成器DDS芯片合成转发时钟，即以同步时钟为基准使用直接数字频率合成器DDS芯片合成转发时钟，同步将所述转发时钟输出给下行信号产生模块。
2.如权利要求1所述的基于数字回环的时钟恢复校正系统，其特征在于：通过比较上行接收信号的频率控制字FTWR与数字回环信号的频率控制字FTWL对频率控制字FTW进行修正，具体实现方法如下，
频率控制字修正模块对FTWR与数字回环信号处理得到的FTWL做差，得到转发信号与接收信号之间的频率差异ΔFTW＝FTWR-FTWL，根据ΔFTW对输出给外部DDS芯片的频率控制字FTW进行迭代修正，即
经过多次迭代后，使得ΔFTW逼近0，从而消除转发信号与上行信号时钟之间的频偏，即在同步转发测距体制下实现基于数字回环的时钟恢复校正，提高同步转发精度；所述频偏产生原因包括基准时钟稳定度误差、温漂、器件老化。
3.一种基于数字回环的时钟恢复校正方法，基于如权利要求1所述基于数字回环的时钟恢复校正系统实现，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一、激光信号接收模块对接收到的激光信号进行去载波处理，得到调制在激光信号中的基带信号；
步骤二、上行信号采集模块中的模数转换器ADC对接收到的上行基带电信号进行采样量化得到数字信号，并将数字信号传输给上行信号同步模块进行处理；
步骤三、上行信号同步模块中的捕获部分在采样得到的数字信号中寻找特定的伪码帧头，确定帧起始位置，控制跟踪模块的运算，并输出捕获成功信号控制下行信号产生模块是否开始工作；
步骤三、跟踪部分中的跟踪环路通过超前减滞后功率法进行鉴相，并通过二阶环路对鉴相值进行滤波，去除高频分量及噪声，根据鉴相值计算得到接收信号的频率控制字FTWR；
步骤四、频率控制字修正模块对FTWR与数字回环信号处理得到的FTWL做差，得到转发信号与接收信号之间的频率差异ΔFTW＝FTWR-FTWL，根据ΔFTW对输出给外部DDS芯片的频率控制字FTW进行迭代修正，即
经过多次迭代后，使得ΔFTW≈0，从而消除转发信号与上行信号时钟之间的频偏，即在同步转发测距体制下实现基于数字回环的时钟恢复校正，提高同步转发精度；所述频偏产生原因包括基准时钟稳定度误差、温漂、器件老化；
步骤五、模拟时钟合成模块中的DDS芯片根据频率控制字修正模块输出的频率控制字FTW合成下行信号转发时钟；
步骤六、下行信号产生模块在下行信号转发时钟的驱动下，根据上行信号同步模块的捕获使能标志信号开始产生下行高速信号，同时生成低速率的数字回环信号；
步骤七、激光信号调制模块对下行高速信号进行光载波调制，并通过光学天线发送调制后的激光信号；
步骤八、数字回环信号同步模块对数字回环信号进行数字域的采样，并对信号进行捕获跟踪，得到数字回环信号的频率控制字FTWL；使用FTWL对FTW进行修正，使得下行转发信号的频率与上行接收信号一致，提高同步转发测距系统的测量精度。
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