CN117824822A - 一种相位生成载波解调中载波相位延迟计算和补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种相位生成载波解调中载波相位延迟计算和补偿方法。第一直接数字频率合成(DDS)信号发生器、第一乘法器、第一累加器、第一绝对值运算器、第一加法器、第二乘法器、第二累加器、第二绝对值运算器和第一极值求解器，所述第一乘法器和第二乘法器均与所述第一直接数字频率合成(DDS)信号发生器的输出端相连接，所述第一乘法器和第二乘法器的输入端均与I(t)相连接，所述第一乘法器和第二乘法器分别与第一累加器和第二累加器相连接。本发明提供的相位生成载波解调中载波相位延迟计算和补偿方法具有易工程化应用、实时性强、适用于FPGA、DSP等数字信号处理的硬件平台，易于实现的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤水听器技术领域，尤其涉及一种相位生成载波解调中载波相位延迟计算和补偿方法。
背景技术
光纤水听器(FOH)作为一种新型水声传感器，具有灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰能力强等特点，在同类传感产品中优势显著，广泛应用于军用声呐、资源勘探、水下目标探测等军事和民用领域。
为了从光纤传感系统中提取检测信号，需要进行相位解调。相位生成载波(PGC)解调算法具有分辨率高、动态范围大、线性度好和多信道解调能力。相位生成载波解调技术主要包括反正切(PGC-Arctan)算法和微分交叉相乘(PGC-DCM)算法。
然而由于信号在水下的远距离传输和光学器件的转换时延，干涉信号中的载波项与混频的载波信号之间常常存在一个相位差，也就是载波相位延迟。无论是反正切算法还是微分交叉相乘算法都无法避免相位延迟给解调信号带来的非线性失真，这将对水声信号的检测带来极大的误差。
因此，有必要提供一种新的相位生成载波解调中载波相位延迟计算和补偿方法解决上述技术问题。
发明内容
为克服现有工程技术中的不足，提出了一种易工程化应用、实时性强的相位延迟计算和补偿方法，本发明适用于FPGA、DSP等数字信号处理的硬件平台，易于实现。
本发明提供的相位生成载波解调中载波相位延迟计算和补偿方法包括：第一直接数字频率合成(DDS)信号发生器、第一乘法器、第一累加器、第一绝对值运算器、第一加法器、第二乘法器、第二累加器、第二绝对值运算器和第一极值求解器，所述第一乘法器和第二乘法器均与所述第一直接数字频率合成(DDS)信号发生器的输出端相连接，所述第一乘法器和第二乘法器的输入端均与I(t)相连接，所述第一乘法器和第二乘法器分别与第一累加器和第二累加器相连接，所述第一累加器和第二累加器分别与所述第一绝对值运算器和第二绝对值运算器相连接，所述第一绝对值运算器和第二绝对值运算器均与所述第一加法器相连接，所述第一加法器与所述第一极值求解器相连接。
优选的，从干涉信号中提取相位延迟，并对延迟进行补偿，数字化的干涉信号可以表示为：
其中A是直流分量，B是干涉信号的幅值，C是相位调制深度，fc为载波调制信号的频率，θ是载波的初始相位，也被称为载波相位延迟,是传感信号，设置干涉信号的采样率为fs，则一个基频载波周期Tc内的采样点为Nc＝fs/fc。
优选的，DDS(直接数字频率合成)信号发生器产生带有相位延迟补偿的载波信号sin(2πfct+δ)和sin2(2πfct+δ)，分别与干涉信号相乘：
S1(t)＝I(t)·sin(2πfct+δ)
S2(t)＝I(t)·sin2(2πfct+δ)。
优选的，分别将S1(t)和S2(t)每Nc个点相加，这样可以消去高频载波项，消去干涉信号中含有载波的项后，可以得到：
其中J1(C)和J2(C)分别是关于调制深度C的一阶和二阶贝塞尔函数。
优选的，然后分别对L1(t)和L2(t)取绝对值，并将两者相加，可以得到：
H(t)＝|L1(t)|+|L2(t)|
＝R1|sin(θ-δ)|+R2|sin2(θ-δ)|
其中R1和R2不会同时等于0。
优选的，DDS每隔一个基频载波周期Tc(Nc个点)调整一次载波补偿相位δ，δ的范围为[0,π)，步长为π/180rad，然后可以得到180个点：
H(δ,t)＝R1|sin(θ-δ)|+R2|sin2(θ-δ)|
其中δ＝kπ/180(k＝0,1...179)。
优选的，相位延迟由H(δ,t)测量，当δ＝θ时，H(δ,t)取得最小值，使用最小值求解模块，我们可以得到H(δ,t)的最小值H(δx,t)：
H(δx,t)＝MIN[H(δ,t)]
其中，δx为PGC解调中被测量的补偿相位。
优选的，当δx＝θ+kπ(k＝0,±1)，H(δx,t)是最小值，这与调制深度C值和干涉光强B的变化无关；因此，对于任何的干涉光强B和调制深度C值，相位延迟都可以用该方法正确提取；相位延迟θ的范围为到[0,2π)，如果θ∈[0,π),则θ＝δx，如果θ∈[π,2π)，则θ＝δx+π；计算得到的δx即为所求的相位延迟值，将δx补偿到载波中可以消去载波相位延迟θ。
与相关技术相比较，本发明提供的相位生成载波解调中载波相位延迟计算和补偿方法具有如下有益效果：
本发明提供一种相位生成载波解调中载波相位延迟计算和补偿方法：
算法仅用到了两路信号相乘混频，并且累加运算和绝对值运算在FPGA中容易实现，占用资源少；相比于其它算法，没有用到微分、积分、除法等运算，算法容易实现，耗时短；
独立的载波用于延迟计算，使得信号解调与延迟计算分开，互不影响；
该算法在补偿延迟的过程中，对调制深度C值和干涉光强B值变化不敏感，所以延迟计算值较为精确；
当传感信号为微弱信号时，仍然可以精确的计算相位延迟，这使得该发明在一些传感信号微弱或者变化缓慢的场合仍具有鲁棒性。
附图说明
图1是本发明提供的相位生成载波解调中载波相位延迟计算和补偿方法的原理框图；
图2是本发明仿真实验数据结果图。
图中标号：1、第一直接数字频率合成(DDS)信号发生器；2、第一乘法器；3、第一累加器；4、第一绝对值运算器；5、第一加法器；6、第二乘法器；7、第二累加器；8、第二绝对值运算器；9、第一极值求解器。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
请结合参阅图1-图2，其中，图1是本发明提供的相位生成载波解调中载波相位延迟计算和补偿方法的原理框图；图2是本发明仿真实验数据结果图。
相位生成载波解调中载波相位延迟计算和补偿方法包括：第一直接数字频率合成(DDS)信号发生器1、第一乘法器2、第一累加器3、第一绝对值运算器4、第一加法器5、第二乘法器6、第二累加器7、第二绝对值运算器8和第一极值求解器9，所述第一乘法器2和第二乘法器6均与所述第一直接数字频率合成(DDS)信号发生器1的输出端相连接，所述第一乘法器2和第二乘法器6的输入端均与I(t)相连接，所述第一乘法器2和第二乘法器6分别与第一累加器3和第二累加器7相连接，所述第一累加器3和第二累加器7分别与所述第一绝对值运算器4和第二绝对值运算器8相连接，所述第一绝对值运算器4和第二绝对值运算器8均与所述第一加法器5相连接，所述第一加法器5与所述第一极值求解器9相连接。
在本发明中，从干涉信号中提取相位延迟，并对延迟进行补偿，数字化的干涉信号可以表示为：
其中A是直流分量，B是干涉信号的幅值，C是相位调制深度，fc为载波调制信号的频率，θ是载波的初始相位，也被称为载波相位延迟,是传感信号，设置干涉信号的采样率为fs，则一个基频载波周期Tc内的采样点为Nc＝fs/fc。
在本发明中，DDS(直接数字频率合成)信号发生器产生带有相位延迟补偿的载波信号sin(2πfct+δ)和sin2(2πfct+δ)，分别与干涉信号相乘：
S1(t)＝I(t)·sin(2πfct+δ)
S2(t)＝I(t)·sin2(2πfct+δ)。
在本发明中，分别将S1(t)和S2(t)每Nc个点相加，这样可以消去高频载波项，消去干涉信号中含有载波的项后，可以得到：
其中J1(C)和J2(C)分别是关于调制深度C的一阶和二阶贝塞尔函数。
在本发明中，然后分别对L1(t)和L2(t)取绝对值，并将两者相加，可以得到：
H(t)＝|L1(t)|+|L2(t)|
＝R1|sin(θ-δ)|+R2|sin2(θ-δ)|
其中R1和R2不会同时等于0。
在本发明中，DDS每隔一个基频载波周期Tc(Nc个点)调整一次载波补偿相位δ，δ的范围为[0,π)，步长为π/180rad，然后可以得到180个点：
H(δ,t)＝R1|sin(θ-δ)|+R2|sin2(θ-δ)|
其中δ＝kπ/180(k＝0,1...179)。
在本发明中，相位延迟由H(δ,t)测量，当δ＝θ时，H(δ,t)取得最小值，使用最小值求解模块，我们可以得到H(δ,t)的最小值H(δx,t)：
H(δx,t)＝MIN[H(δ,t)]
其中，δx为PGC解调中被测量的补偿相位。
在本发明中，当δx＝θ+kπ(k＝0,±1)，H(δx,t)是最小值，这与调制深度C值和干涉光强B的变化无关；因此，对于任何的干涉光强B和调制深度C值，相位延迟都可以用该方法正确提取；相位延迟θ的范围为到[0,2π)，如果θ∈[0,π),则θ＝δx，如果θ∈[π,2π)，则θ＝δx+π；计算得到的δx即为所求的相位延迟值，将δx补偿到载波中可以消去载波相位延迟θ。
在本发明中，参照图1所示，干涉信号的采样率为fs，载波频率为fc，则一个基频载波周期Tc内的采样点为Nc＝fs/fc；设置干涉信号的初始相位为π/4，则干涉信号可以表示为：
干涉信号I(t)与DDS信号发生器产生的带有相位延迟补偿的载波信号sin(2πfct+δ)、sin2(2πfct+δ)相乘，相乘后的信号每Nc个点累加，消去高频载波项：
然后分别对L1(t)和L2(t)取绝对值，并将两者相加，可以得到：
其中R1和R2不会同时等于0。
DDS每隔一个基频载波周期Tc(Nc个点)调整一次载波补偿相位δ，δ的范围为[0,π)，步长为π/180rad，然后可以得到180个点：
其中δ＝kπ/180(k＝0,1...179)，使用最小值求解模块，我们可以得到H(δ,t)的最小值H(δx,t)：
H(δx,t)＝MIN[H(δ,t)]
由图2所示，当δ＝π/4时，H(π/4,t)为最小值，即π/4为载波相位延迟，计算得到的相位延迟用于载波相位延迟的补偿。
与相关技术相比较，本发明提供的相位生成载波解调中载波相位延迟计算和补偿方法具有如下有益效果：
本发明方法通过遍历寻找载波相位延迟；并且在这一过程中，不受相位调制深度C值的变化和光强B扰动的影响，并且在传感信号微弱或为0的应用场景下，本发明依然有限，具有鲁棒性；
利用干涉信号与载波的一阶和二阶正弦信号混频，混频后的信号分别经过累加运算消除高频载波项，然后将两路信号分别取绝对值，将绝对值运算后的两路信号相加并求和得到观测信号；通过调节两路载波中的补偿相位，使观测信号值最小，此时的补偿相位即为相位延迟；并且该延迟补偿方法不受光强扰动、调制深度漂移和待测信号变化的影响，实现了从0到πrad的相位延迟补偿；解决了PGC解调算法中相位延迟难以补偿以及相位延迟对解调信号带来的非线性失真问题；该方法可广泛应用于光纤水听器相位生成载波(PGC)解调技术领域；
本算法仅用到了两路信号相乘混频，并且累加运算和绝对值运算在FPGA中容易实现，占用资源少；相比于其它算法，没有用到微分、积分、除法等运算，算法容易实现，耗时短；
独立的载波用于延迟计算，使得信号解调与延迟计算分开，互不影响；
该算法在补偿延迟的过程中，对调制深度C值和干涉光强B值变化不敏感，所以延迟计算值较为精确；
当传感信号为微弱信号时，仍然可以精确的计算相位延迟，这使得该发明在一些传感信号微弱或者变化缓慢的场合仍具有鲁棒性。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种相位生成载波解调中载波相位延迟计算和补偿方法，其特征在于，包括：
第一直接数字频率合成(DDS)信号发生器(1)、第一乘法器(2)、第一累加器(3)、第一绝对值运算器(4)、第一加法器(5)、第二乘法器(6)、第二累加器(7)、第二绝对值运算器(8)和第一极值求解器(9)，所述第一乘法器(2)和第二乘法器(6)均与所述第一直接数字频率合成(DDS)信号发生器(1)的输出端相连接，所述第一乘法器(2)和第二乘法器(6)的输入端均与I(t)相连接，所述第一乘法器(2)和第二乘法器(6)分别与第一累加器(3)和第二累加器(7)相连接，所述第一累加器(3)和第二累加器(7)分别与所述第一绝对值运算器(4)和第二绝对值运算器(8)相连接，所述第一绝对值运算器(4)和第二绝对值运算器(8)均与所述第一加法器(5)相连接，所述第一加法器(5)与所述第一极值求解器(9)相连接。
2.根据权利要求1所述的相位生成载波解调中载波相位延迟计算和补偿方法，其特征在于，从干涉信号中提取相位延迟，并对延迟进行补偿，数字化的干涉信号可以表示为：
其中A是直流分量，B是干涉信号的幅值，C是相位调制深度，fc为载波调制信号的频率，θ是载波的初始相位，也被称为载波相位延迟,是传感信号，设置干涉信号的采样率为fs，则一个基频载波周期Tc内的采样点为Nc＝fs/fc。
3.根据权利要求1所述的相位生成载波解调中载波相位延迟计算和补偿方法，其特征在于，DDS(直接数字频率合成)信号发生器产生带有相位延迟补偿的载波信号sin(2πfct+δ)和sin2(2πfct+δ)，分别与干涉信号相乘：
S1(t)＝I(t)·sin(2πfct+δ)
S2(t)＝I(t)·sin2(2πfct+δ)。
4.根据权利要求1所述的相位生成载波解调中载波相位延迟计算和补偿方法，其特征在于，分别将S1(t)和S2(t)每Nc个点相加，这样可以消去高频载波项，消去干涉信号中含有载波的项后，可以得到：
其中J1(C)和J2(C)分别是关于调制深度C的一阶和二阶贝塞尔函数。
5.根据权利要求1所述的相位生成载波解调中载波相位延迟计算和补偿方法，其特征在于，然后分别对L1(t)和L2(t)取绝对值，并将两者相加，可以得到：
H(t)＝|L1(t)|+|L2(t)|
＝R1|sin(θ-δ)|+R2|sin2(θ-δ)|
其中R1和R2不会同时等于0。
6.根据权利要求3所述的相位生成载波解调中载波相位延迟计算和补偿方法，其特征在于，DDS每隔一个基频载波周期Tc(Nc个点)调整一次载波补偿相位δ，δ的范围为[0,π)，步长为π/180rad，然后可以得到180个点：
H(δ,t)＝R1|sin(θ-δ)|+R2|sin2(θ-δ)|
其中δ＝kπ/180(k＝0,1...179)。
7.根据权利要求1所述的相位生成载波解调中载波相位延迟计算和补偿方法，其特征在于，相位延迟由H(δ,t)测量，当δ＝θ时，H(δ,t)取得最小值，使用最小值求解模块，我们可以得到H(δ,t)的最小值H(δx,t)：
H(δx,t)＝MIN[H(δ,t)]
其中，δx为PGC解调中被测量的补偿相位。
8.根据权利要求1-7所述的相位生成载波解调中载波相位延迟计算和补偿方法，其特征在于，当δx＝θ+kπ(k＝0,±1)，H(δx,t)是最小值，这与调制深度C值和干涉光强B的变化无关，对于任何的干涉光强B和调制深度C值，相位延迟都用该方法正确提取。
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