一種天線信號的時延和相位調(diào)整裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種天線的時延和相位調(diào)整裝置和方法。所述方法包括：根據(jù)當(dāng)前時刻時延和相位差估計值及前一時刻時延調(diào)整值和相位調(diào)整值得到當(dāng)前時刻時延調(diào)整值和相位調(diào)整值；根據(jù)當(dāng)前時刻時延調(diào)整值計算得到整數(shù)倍時延值和分數(shù)倍時延值；根據(jù)分數(shù)倍時延值調(diào)整采樣時鐘信號相位，得到經(jīng)過分數(shù)倍延時后的采樣時鐘信號；利用經(jīng)過分數(shù)倍延時后的采樣時鐘信號對天線信號進行采樣，得到經(jīng)分數(shù)倍時延的數(shù)字天線信號；利用所述整數(shù)倍延時值對所述經(jīng)分數(shù)倍延時的數(shù)字天線信號進行調(diào)整，得到經(jīng)時延調(diào)整的數(shù)字天線信號；利用相位差估計值得到二次混頻用信號，并用二次混頻信號對經(jīng)時延調(diào)整的數(shù)字天線信號進行二次混頻，得到經(jīng)時延和相位差調(diào)整的天線信號。
【專利說明】一種天線信號的時延和相位調(diào)整裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及深空探測領(lǐng)域，特別涉及一種天線信號的時延和相位調(diào)整裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]深空探測中遠距離的通信對射電望遠鏡的性能提出了新的需求。由于開發(fā)成本的提高和技術(shù)的限制，單個天線G / T值的提高已經(jīng)到了停滯狀態(tài)。美國深空網(wǎng)(DSN)戰(zhàn)略計劃已經(jīng)明確了可能的增長途徑:采用射頻頻段，通過大量小天線組陣的方法獲得更高的天線增益。天線組陣所提供的優(yōu)點是，能以比用單個天線所接收的更高數(shù)據(jù)率接收數(shù)據(jù)，它具有許多令人渴望的優(yōu)勢:更好的性能、更強的工作穩(wěn)健性、更低的建造費用、更好的計劃靈活性和對射電天文科學(xué)研究更廣泛的支持。天線組陣可以降低對單天線指向精度等指標(biāo)的要求，采用大規(guī)模的小天線可以大大降低建設(shè)成本。
[0003]天線陣的輸出是進入合成器所有輸入信號的加權(quán)和。各天線之間的時延和相位的調(diào)整精度對信號的合成性能有直接的影響。而隨科學(xué)應(yīng)用對深空探測數(shù)據(jù)量的迅猛增加，深空網(wǎng)下行數(shù)據(jù)傳輸正向高頻段和高碼速率的方向發(fā)展。目前，通過組陣的方式，美國深空探測火星的最大碼速率(距離地球0.6Au時)為60Mbps，預(yù)計2020年在X頻段和Ka頻段分別最大可達400Mbps和1.2Gbps。如此高頻率和碼速率對時延和相位的調(diào)整精度提出了極高要求。
[0004]對于數(shù)字信號，時延和相位調(diào)整方法一般選擇在時域或頻域進行。在時域調(diào)整時，時延的整數(shù)部分的時延(相對于采樣周期)易于實現(xiàn)，通常采用存儲器或寄存器等實現(xiàn)；而分數(shù)部分的時延一般采用插值或濾波器的的方式實現(xiàn)，計算量較大，且難于實現(xiàn)精確調(diào)整。在頻域調(diào)整時，由于需要將信號先進行傅里葉變換，調(diào)整完成后再進行逆傅里葉變換，計算量較大，且由于硬件條件的限制會影響信號的處理精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了提高深空探測天線組陣中信號合成的時延和相位調(diào)整精度，并降低計算量，本發(fā)明提出了一種天線組陣中時延和相位調(diào)整的方法與裝置。
[0006]根據(jù)本發(fā)明一方面，其提供了一種天線的時延和相位調(diào)整裝置，包括:
[0007]時延和相位累加模塊，根據(jù)當(dāng)前時刻時延和相位差估計值以及前一時刻的時延調(diào)整值和相位調(diào)整值得到當(dāng)前時刻時延調(diào)整值和相位調(diào)整值；
[0008]整數(shù)與分數(shù)倍時延計算模塊，其根據(jù)當(dāng)前時刻時延調(diào)整值計算得到整數(shù)倍時延值和分數(shù)倍時延值；
[0009]采樣時鐘相位調(diào)整模塊，根據(jù)分數(shù)倍時延值調(diào)整采樣時鐘信號的相位,得到經(jīng)過分數(shù)倍延時后的采樣時鐘信號；
[0010]模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，其利用所述經(jīng)過分數(shù)倍延時后的采樣時鐘信號對天線信號進行采樣，得到經(jīng)分數(shù)倍時延的數(shù)字天線信號；[0011]整數(shù)倍時延調(diào)整模塊，利用所述整數(shù)倍延時值對所述經(jīng)分數(shù)倍延時的數(shù)字天線信號進行調(diào)整，得到經(jīng)時延調(diào)整的數(shù)字天線信號；
[0012]相位調(diào)整模塊，利用相位差估計值計算得到二次混頻用信號，并利用二次混頻用信號對所述經(jīng)時延調(diào)整的數(shù)字天線信號進行二次混頻，得到經(jīng)時延和相位差調(diào)整的天線信號。
[0013]根據(jù)本發(fā)明另一方面，其提供了一種天線的時延和相位調(diào)整方法，包括:
[0014]根據(jù)當(dāng)前時刻時延和相位差估計值以及前一時刻的時延調(diào)整值和相位調(diào)整值得到當(dāng)前時刻時延調(diào)整值和相位調(diào)整值；
[0015]根據(jù)當(dāng)前時刻時延調(diào)整值計算得到整數(shù)倍時延值和分數(shù)倍時延值；
[0016]根據(jù)分數(shù)倍時延值調(diào)整采樣時鐘信號的相位，得到經(jīng)過分數(shù)倍延時后的采樣時鐘
信號;
[0017]利用所述經(jīng)過分數(shù)倍延時后的采樣時鐘信號對天線信號進行采樣，得到經(jīng)分數(shù)倍時延的數(shù)字天線信號；
[0018]利用所述整數(shù)倍延時值對所述經(jīng)分數(shù)倍延時的數(shù)字天線信號進行調(diào)整，得到經(jīng)時延調(diào)整的數(shù)字天線信號；
[0019]利用相位差估計值計算得到二次混頻用信號，并利用二次混頻用信號對所述經(jīng)時延調(diào)整的數(shù)字天線信號進行二次混頻，得到經(jīng)時延和相位差調(diào)整的天線信號。
[0020]本發(fā)明中天線信號經(jīng)下變頻和帶通濾波后，變頻為中頻信號，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進行采樣。時延的調(diào)整分為采樣周期的整數(shù)倍時延和分數(shù)倍時延兩部分進行，整數(shù)倍時延采用傳統(tǒng)的存儲器或寄存器等進行調(diào)整，實現(xiàn)采樣信號的位同步；分數(shù)倍時延通過調(diào)整模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采樣時鐘的相位實現(xiàn)。相位的調(diào)整是在進行信號的二次下變頻時，通過對混頻余弦信號的相位進行實時調(diào)整實現(xiàn)的。
[0021]本發(fā)明提出上述方案與傳統(tǒng)的調(diào)整方案相比，由于分數(shù)倍時延的調(diào)整通過對ADC時鐘相位的調(diào)整來實現(xiàn)，相位調(diào)整通過二次混頻的方法實現(xiàn)，不需要進行計算量較大的傅里葉變換和濾波方法，能夠降低信號的失真，以較小的計算量實現(xiàn)時延和相位的高精度調(diào)整。對天線組陣的信號合成具有重要的意義，尤其是當(dāng)天線陣中天線數(shù)量較大時，能夠大大節(jié)省硬件的性能需求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是包含本發(fā)明時延和相位調(diào)整裝置的天線組陣信號接收系統(tǒng)示意圖；
[0023]圖2是本發(fā)明中時延和相位調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3 (A)和圖3 (B是本發(fā)明中分數(shù)倍時延調(diào)整前天線信號采樣示意圖，其中圖3 (A)為調(diào)整前的天線信號包絡(luò)的幅度曲線；圖3(B)為相位調(diào)整前的采樣時鐘曲線；
[0025]圖4(A)和圖4(B)為圖3(A)和圖3(B)中的采樣時鐘相位向前調(diào)整了 0.3倍采樣周期后的曲線示意圖；
[0026]圖5是本發(fā)明中整數(shù)倍時延調(diào)整后天線信號的示意圖。
【具體實施方式】
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0028]圖1是包含本發(fā)明時延和相位調(diào)整裝置的天線組陣信號接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖(以SUMPLE方法為例)。
[0029]如圖1所示，所述接收系統(tǒng)由天線、低噪聲放大器(LNA)、下變頻器、帶通濾波器、頻率和時統(tǒng)模塊、時延和相位調(diào)整模塊、時延和相位差估計模塊、減法器、信號合成模塊以及解調(diào)接收機等組成。各天線接收到的探測器信號，經(jīng)過低噪聲放大器進行的功率放大、下變頻器進行的下變頻、帶通濾波器進行的濾波和經(jīng)時延和相位調(diào)整模塊采樣后得到的數(shù)字信號被稱作天線信號。
[0030]應(yīng)該注意，所述天線信號是經(jīng)過預(yù)處理所得的信號，而前述低噪聲放大器(LNA)、下變頻器、時延和相位差估計等模塊所進行的處理只是示例性的預(yù)處理。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，所述預(yù)處理不限于這一種方式，而可以通過添加其它的裝置或去掉某一裝置(例如，低噪聲放大器)或者調(diào)整執(zhí)行預(yù)處理的裝置的次序來改變預(yù)處理的方式。
[0031]時延和相位調(diào)整模塊通過從時延和相位差估計模塊獲得的時延和相位差，對各路天線信號進行時延和相位調(diào)整后得到調(diào)整后的信號，實現(xiàn)各天線信號之間的時延和相位對齊。時延和相位調(diào)整模塊同時從頻率和時統(tǒng)模塊獲得頻標(biāo)信號，用于為ADC模塊采樣提供頻率基準(zhǔn)。其中，本發(fā)明提供了新的時延和相位差調(diào)整方式。時延和相位差估計模塊采用成熟的估計方法，例如時域或頻域的互相關(guān)估計方法等。多路調(diào)整后的信號經(jīng)由信號合成器進行信號合成以獲得合成信號并送往解調(diào)接收機進行解調(diào)等后續(xù)處理。其中，時延和相位差的產(chǎn)生過程如下，作為參考信號的合成信號通過減法器(圖1中以減號加圓圈表示)與每路調(diào)整后的信號相減得到差值，之后時延和相位差估計模塊對所得到的差值和對應(yīng)的此路調(diào)整后的信號進行處理以獲得下一時刻的相位差和時延估計值，并提供給時延和相位調(diào)整模塊。
[0032]圖2示出了本發(fā)明中時延和相位調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]如圖2所示，時延和相位調(diào)整裝置包括:時延和相位累加模塊、整數(shù)與分數(shù)倍時延計算模塊、采樣時鐘相位調(diào)整模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)模塊、整數(shù)倍時延調(diào)整模塊、相位補償計算模塊、余弦信號生成模塊、二次混頻模塊和低通濾波模塊。時延估計值經(jīng)整數(shù)與分數(shù)倍時延計算模塊分別獲得整數(shù)倍和分數(shù)倍時延值，分數(shù)倍時延值經(jīng)采樣時鐘相位調(diào)整模塊實現(xiàn)時鐘信號的相位調(diào)整，并輸出至模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)天線信號的數(shù)字采集和分數(shù)倍時延調(diào)整；整數(shù)倍時延調(diào)整模塊根據(jù)整數(shù)倍時延值實現(xiàn)天線信號的整數(shù)倍時延調(diào)整。時延估計值還經(jīng)相位補償計算模塊實現(xiàn)由于時延調(diào)整造成的天線信號相位波動量的計算，計算結(jié)果和相位差估計值經(jīng)余弦信號生成模塊實現(xiàn)余弦信號的生成；完成時延整數(shù)倍調(diào)整的天線信號與余弦信號混頻，并經(jīng)低通濾波后，實現(xiàn)信號的二次混頻和相位的調(diào)整。除ADC模塊外，其他模塊均采用FPGA技術(shù)實現(xiàn)。
[0034]下面詳細介紹各個模塊實現(xiàn)的具體功能。
[0035]時延和相位累加模塊，用于根據(jù)當(dāng)前時刻時延和相位差估計值以及前一時刻的時延調(diào)整值和相位調(diào)整值得到當(dāng)前時刻時延調(diào)整值和相位調(diào)整值。
[0036]時延和相位累加模塊的具體處理方法描述如下:
[0037]時延和相位累加模塊實現(xiàn)的時延和相位調(diào)整值計算方法為:
[0038]
【權(quán)利要求】
1.一種天線的時延和相位調(diào)整裝置，其包括: 時延和相位累加模塊，根據(jù)當(dāng)前時刻時延和相位差估計值以及前一時刻的時延調(diào)整值和相位調(diào)整值得到當(dāng)前時刻時延調(diào)整值和相位調(diào)整值； 整數(shù)與分數(shù)倍時延計算模塊，其根據(jù)當(dāng)前時刻時延調(diào)整值計算得到整數(shù)倍時延值和分數(shù)倍時延值； 采樣時鐘相位調(diào)整模塊，根據(jù)分數(shù)倍時延值調(diào)整采樣時鐘信號的相位，得到經(jīng)過分數(shù)倍延時后的采樣時鐘信號； 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，其利用所述經(jīng)過分數(shù)倍延時后的采樣時鐘信號對天線信號進行采樣，得到經(jīng)分數(shù)倍時延的數(shù)字天線信號； 整數(shù)倍時延調(diào)整模塊，利用所述整數(shù)倍延時值對所述經(jīng)分數(shù)倍延時的數(shù)字天線信號進行調(diào)整，得到經(jīng)時延調(diào)整的數(shù)字天線信號； 相位調(diào)整模塊，利用相位差估計值計算得到二次混頻用信號，并利用二次混頻用信號對所述經(jīng)時延調(diào)整的數(shù)字天線信號進行二次混頻，得到經(jīng)時延和相位差調(diào)整的天線信號。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，整數(shù)與分數(shù)倍時延計算模塊中整數(shù)倍時延如下計算:
3.如權(quán)利要求1-2任一項所述的裝置，其中，分數(shù)倍時延值如下計算:
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，采樣時鐘相位調(diào)整模塊如下計算得到經(jīng)過分數(shù)倍延時后的采樣時鐘信號:
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中輸入的天線信號為經(jīng)預(yù)處理后的天線信號，其表達式如下所示:
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采樣得到的經(jīng)過分數(shù)倍延時后的采樣時鐘信號如下所示:

7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述相位調(diào)整模塊包括: 相位補償計算模塊，其用于計算延時調(diào)整造成的相位突變值； 二次混頻用信號計算模塊，其用于根據(jù)所述相位突變值和相位差估計值計算得到二次混頻信號； 二次混頻模塊，其利用二次混頻用信號對所述經(jīng)時延調(diào)整的天線信號進行二次混頻，得到經(jīng)時延和相位差調(diào)整的天線信號。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中，所述相位突變值如下計算:
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述二次混頻用信號為余弦信號，余弦信號如下所示:
10.一種天線的時延和相位調(diào)整方法，其包括: 根據(jù)當(dāng)前時刻時延和相位差估計值以及前一時刻的時延調(diào)整值和相位調(diào)整值得到當(dāng)前時刻時延調(diào)整值和相位調(diào)整值； 根據(jù)當(dāng)前時刻時延調(diào)整值計算得到整數(shù)倍時延值和分數(shù)倍時延值；根據(jù)分數(shù)倍時延值調(diào)整采樣時鐘信號的相位，得到經(jīng)過分數(shù)倍延時后的采樣時鐘信號; 利用所述經(jīng)過分數(shù)倍延時后的采樣時鐘信號對天線信號進行采樣，得到經(jīng)分數(shù)倍時延的數(shù)字天線信號； 利用所述整數(shù)倍延時值對所述經(jīng)分數(shù)倍延時的數(shù)字天線信號進行調(diào)整，得到經(jīng)時延調(diào)整的數(shù)字天線信號；利用相位差估計值計算得到二次混頻用信號，并利用二次混頻用信號對所述經(jīng)時延調(diào)整的數(shù)字天線信號進行二次 混頻，得到經(jīng)時延和相位差調(diào)整的天線信號。
【文檔編號】H04B17/00GK103916199SQ201410101224
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月18日
【發(fā)明者】孔德慶, 張洪波, 朱新穎, 姜正陽, 何若愚, 李臣, 李春來 申請人:中國科學(xué)院國家天文臺