頻偏補償方法及系統與流程
2023-08-10 19:39:56 1
本公開涉及通信技術領域，具體地，涉及一種頻偏補償方法及系統。
背景技術：
跟蹤與數據中繼衛星系統(tracking and data relay satellite，TDRSS)以其高覆蓋率、高數據率和多目標測控能力，在空間技術發展中起到了極其重要的作用。
TDRSS由兩顆在軌同步中繼衛星和一個地面站組成的。TDRSS的反向鏈路是把遙測數據從目標太空飛行器件(例如，飛行器、用戶星等)傳輸到地面站的信息傳輸通道，它能同時傳輸多個目標太空飛行器件的測控信息。為了同時跟蹤和轉發多個目標，TDRSS的中繼衛星上通常採用基于波束形成的相控陣天線。而為了減少中繼衛星上數字處理環節，以使中繼衛星上設備儘可能簡單，同時考慮到以後擴充跟蹤目標數的方便，TDRSS通常採用星下DBF(數字波束形成)方案。
基於星下DBF的TDRSS中，中繼衛星上有30個獨立的螺旋天線(陣元)，每一個陣元接收的信號都被獨立傳輸到地面站用於星下DBF。可採用FDM(頻分復用)體制來傳輸30路陣元信號。根據30路陣元信號的相對相位和幅度，進行地面波束合成，構成相控陣「地面多波束形成」系統。
基於星下DBF的TDRRS系統，由於採用FDM傳輸體制將中繼衛星上的30路天線陣元信號傳輸到地面，因相控陣有30個陣元天線，對應FDM就有30個獨立通道。在FDM的合成與分離過程中的上下變頻，各個通道的本地晶振也無法達到完全的一致，將給30路通道信號引入不一致的頻偏，因此，很難保證30路通道間頻偏的一致性。針對，相關技術中，一般採用兩種方法來解決頻率偏移對通信系統性能的影響問題，一是採用自動頻率跟蹤環路(AFC)，使其來跟蹤都卜勒頻移。比如通信系統中，通常在接收機中用鎖相環路(PLL)產生與載波同頻同相的本地信號進行解調，以消除都卜勒頻移的影響；另一種是，在發送信號同時發送一組導頻，通過導頻信號來調整本地載波信號，以校正傳輸過程中產生的都卜勒頻移。
但是相關技術中的兩種方法，均是針對單路信號的頻偏特性，並未考慮多路信號頻偏不一致問題。此外，若將TDRSS系統中的每一個通道看作獨立通信系統採用常規的鎖相環路進行頻偏補償，需要輸入的信號有較高的信噪比，否則很難實現相位跟蹤鎖定。而採用基於導頻的頻偏估計方法，導頻會佔用傳輸信道，降低傳輸效率，同時嚴重影響TDRSS系統的安全性。
技術實現要素：
本公開的目的是提供一種頻偏補償方法及系統，以解決TDRSS系統中多路信號頻偏不一致的問題。為了實現上述目的，第一方面，本公開提供一種頻偏補償方法，包括：
對接收到的N路陣元信號進行預處理；
對N路經預處理後的陣元信號分別進行數字下變頻處理，以獲得N路目標信號；
針對每路待補償信號，獲取所述待補償信號與參考信號之間的相對頻差，其中，所述參考信號為所述N路目標信號中的任一路信號，所述待補償信號為所述N路目標信號中除所述參考信號之外的信號；
針對每路待補償信號，根據所述待補償信號與所述參考信號之間的相對頻差，對所述待補償信號進行頻偏補償。
可選的，所述獲取所述待補償信號與參考信號之間的相對頻差為：
其中，為相對頻差；m為通過所述參考信號與一待補償信號共軛的復乘得到的採樣信號；為所述採樣信號的自相關函數，N為採樣序列長度，T為採樣周期。
可選的，所述針對每路待補償信號，根據所述待補償信號與所述參考信號之間的相對頻差，對所述待補償信號進行頻偏補償的步驟包括：
將所述相對頻差轉換為頻率控制字；
根據所述頻率控制字控制相對應的數字下變頻器的振蕩頻率，以對所述待補償信號進行頻偏補償。
可選的，所述將所述相對頻差轉換為頻率控制字為：
其中，K為頻率控制字，M為所述數字下變頻器的位寬，fclk為所述數字下變頻器的處理時鐘，fFitz為相對頻差。
可選的，所述方法還包括：
對進行了頻偏補償後的每路待補償信號進行相位補償。
可選的，所述對進行了頻偏補償後的每路待補償信號進行相位補償的步驟包括：
根據預設相差估計值，對每路待補償信號進行相位差補償；
根據所述參考信號和相位差補償後的信號，獲取誤差；
根據獲取的所述誤差，對所述預設相差估計值進行更新。
可選的，所述方法還包括：
對所述參考信號，以及進行了頻偏補償和相位補償後的待補償信號進行相位恢復。
可選的，所述方法還包括：
根據相控陣天線導向矢量，獲取接收到的所述N路陣元信號的每一路信號的初始相位延遲係數；
獲取經所述相位恢復後的N路信號的波達方向；
根據用戶星的角度信息，獲取估計方向和準確方向的平均誤差；
根據所述平均誤差，更新相位延遲係數；
根據更新的相位延遲係數調整所述相位恢復中的延遲時間。
可選的，所述根據所述平均誤差，更新相位延遲係數的步驟包括：
將所述平均誤差與預設閾值進行比較；
當所述平均誤差大於或等於所述預設閾值時，更新所述相位延遲係數。
第二方面，提供一種頻偏補償系統，包括：
預處理模塊，用於對接收到的N路陣元信號進行預處理；
數字下變頻器，用於對N路經預處理後的陣元信號分別進行數字下變頻處理，以獲得N路目標信號；
通道頻偏補償器，用於針對每路待補償信號，獲取所述待補償信號與參考信號之間的相對頻差，其中，所述參考信號為所述N路目標信號中的任一路信號，所述待補償信號為所述N路目標信號中除所述參考信號之外的信號；以及，
用於針對每路待補償信號，根據所述待補償信號與所述參考信號之間的相對頻差，對所述待補償信號進行頻偏補償。
可選的，所述獲取所述待補償信號與參考信號之間的相對頻差為：
其中，為相對頻差；m為通過所述參考信號與一待補償信號共軛的復乘得到的採樣信號；為所述採樣信號的自相關函數，N為採樣序列長度，T為採樣周期。
可選的，所述通道頻偏補償器，用於將所述相對頻差轉換為頻率控制字；以及根據所述頻率控制字控制相對應的數字下變頻器的振蕩頻率，以對所述待補償信號進行頻偏補償。
可選的，所述將所述相對頻差轉換為頻率控制字為：
其中，K為頻率控制字，M為所述數字下變頻器的位寬，fclk為所述數字下變頻器的處理時鐘，fFitz為相對頻差。
可選的，所述通道頻偏補償器，還用於對進行了頻偏補償後的每路待補償信號進行相位補償。
可選的，所述系統還包括：
相位恢復模塊，用於對所述參考信號，以及進行了頻偏補償和相位補償後的待補償信號進行相位恢復。
可選的，所述系統還包括：
相位延遲係數優化模塊，用於根據相控陣天線導向矢量，獲取接收到的所述N路陣元信號的每一路信號的初始相位延遲係數；獲取經所述相位恢復模塊恢復後的N路信號的波達方向；根據用戶星的角度信息，獲取估計方向和準確方向的平均誤差；根據所述平均誤差，更新相位延遲係數；根據更新的相位延遲係數調整所述相位恢復模塊的相位恢復中的延遲時間。
通過上述技術方案，通過頻偏補償器和相位恢復模塊，其採用任一路信號作為參考信號，對其餘通道進行頻偏補償，可改善由相對運動和本振誤差產生的N路信號頻偏非一致性；採用通道頻偏補償器對多路信號進行頻偏補償，不需要中繼星發射導頻信號，減少了中繼星的發射功耗，提升了頻帶利用率；通道頻偏補償器利用頻偏估計算法和自適應相位補償技術對通道頻偏進行補償，其中頻偏估計算法能粗略估計出被補償通道與參考通道間的相對頻偏，自適應相位補償技術則能消除殘留頻偏的影響，能有效降低通道間的相對頻偏；採用補償通道間相對頻偏的方式，可以在不影響DBF合成效果的同時降低實現難度；基於指向誤差的判決方法，實時估計波達方向與實際方向的誤差，動態調整相位延遲係數，使系統具有自適應特性。
本公開的其他特徵和優點將在隨後的具體實施方式部分予以詳細說明。
附圖說明
附圖是用來提供對本公開的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用於解釋本公開，但並不構成對本公開的限制。在附圖中：
圖1是本公開實施例的TDRSS系統的結構示意圖；
圖2是本公開一實施例的頻偏補償系統的結構示意圖；
圖3是本公開一實施例的相位恢復實現結構示意圖；
圖4是本公開一實施例的相位恢復實現流程示意圖；
圖5是本公開另一實施例的頻偏補償系統的結構示意圖；
圖6是本公開一實施例的相位恢復模塊的結構實現示意圖；
圖7是本公開一實施例的LMS算法流程示意圖；
圖8是本公開一實施例的頻偏補償方法的流程示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本公開的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用於說明和解釋本公開，並不用於限制本公開。
針對TDRSS反向鏈路存在多路陣元信號經過信道存在非一致的頻偏問題，本公開提供一種頻偏補償系統及方法，基於多路陣元信號非一致性頻偏補償的自適應聯動，以改善多路陣元信號非一致性頻偏對星下DBF指向精度的影響。
參見圖1，為本公開實施例的TDRSS系統的結構示意圖。跟蹤與數據中繼衛星系統(tracking and data relay satellite，TDRSS)包括中繼衛星20和地面站10。中繼衛星20把用戶星30的遙測數據傳輸到地面站10。中繼衛星20可採用基于波束形成的相控陣天線。中繼衛星20上有30個獨立的螺旋天線(陣元)，每一個陣元接收的信號都被獨立傳輸到地面站10用於星下DBF。中繼衛星20可採用FDM(頻分復用)體制來傳輸30路陣元信號。地面站10根據30路陣元信號的相對相位和幅度，進行地面波束合成。
參見圖2，為本公開一實施例的頻偏補償系統的結構示意圖。本公開實施例的頻偏補償系統200包括：前級處理模塊201、A/D轉換器202、數字下變頻器203和通道頻偏補償器204。
在本公開的一實施例中，地面站10接收到的陣元信號有N路，則相應的有N個A/D轉換器、N個數字下變頻器和N-1個通道頻偏補償器204分別對應處理每一路陣元信號。在本公開的實施例中，N為大於2的整數。在一個實施例中，N為30。
參見圖2，地面站10的天線接收來自中繼星20發射的N路陣元的FDM信號。前級處理模塊201用於對接收的N路陣元信號進行低噪聲放大、變頻、寬帶濾波和FDM預分離等處理。
A/D轉換器202用於對前級處理模塊201處理後的信號進行A/D轉換。
在本公開的實施例中，預處理模塊即包括前級處理模塊201和A/D轉換器202，對接收到的N路陣元信號進行預處理，例如，低噪聲放大、變頻、寬帶濾波、FDM預分離以及A/D轉換等處理。
數字下變頻器203用於對N路經預處理後的陣元信號分別進行數字下變頻處理，以獲得N路目標信號。數字下變頻器203將從A/D轉換器202轉換得到的數位訊號中提取所需的窄帶信號，將其下變頻為數字基帶信號，並轉換成較低的數據流即目標信號。數字下變頻器203可包括數字混頻器、數字控制振蕩器(NCO)和低通濾波器(LPF)三部分。
其中，NCO主要由三部分組成：相位累加器、相位加法器和sin/cos表只讀存儲器。本公開一實施例中，數字控制振蕩器(NCO)的基本功能包括：接收頻率控制字K進行累加；以相位累加器的輸出地址，對存有正(餘)弦幅度值的存儲器進行尋址；檢查該地址上的數值並輸出到數字混頻器。輸出的離散幅度編碼即為NCO的輸出結果。
數字混頻器將NCO輸出的信號與信號樣本相乘，乘積樣本再經低通濾波器後輸出，完成數字下變頻。
在本公開的一實施例中，選取一路數字下變頻器203輸出的信號作為參考信號，將其餘的N-1路數字下變頻器203輸出的信號作為待補償信號進行頻偏補償。在一個實施例中，可將第一路信號作為參考信號。
通道頻偏補償器204針對每路待補償信號，獲取所述待補償信號與參考信號之間的相對頻差，其中，所述參考信號為所述N路目標信號中的任一路信號，所述待補償信號為所述N路目標信號中除所述參考信號之外的信號；以及，用於針對每路待補償信號，根據所述待補償信號與所述參考信號之間的相對頻差，對所述待補償信號進行頻偏補償。在本公開的實施例中，通道頻偏補償器利用預設頻偏估計算法獲取參考信號與每一待補償信號間的相對頻差，並將相對頻差轉化成頻率控制字K，並反饋給對應的數字下變頻器203。數字下變頻器203根據反饋的頻率控制字調節數字下變頻的振蕩頻率，以實現對待補償信號進行頻偏補償調整。
在本公開的實施例中，預設頻偏估計算法可為Fitz頻偏估計算法。首先，根據公式(1)計算出每路待補償信號與參考信號間的相對頻差。
其中，為相對頻差，採樣信號m為參考信號與待補償信號共軛的復乘得到的信號。為採樣信號的自相關函數，N為採樣序列長度，T為採樣周期。越長的採樣序列對應著越好的估計效果，但較長的採樣序列會增加估計時延和算法複雜度。
然後，將根據式(1)得到的相對頻差通過公式(2)轉換為對應的頻率控制字K，以反饋給相應的數字下變頻器203。
其中，M為數字下變頻器的位寬，fclk為數字下變頻器的處理時鐘，fFitz即為相對頻差。
參見圖3，其中，xi(t)為待補償信號，xref(t)為參考信號。參考信號與待補償信號共軛的復乘得到的信號經頻偏估計得到頻率控制字K，以調節NCO的振蕩頻率。
數字下變頻器203根據反饋的頻率控制字K調節下變頻的本地振蕩頻率，以實現頻偏的補償。由此，實現對N路陣元信號的頻偏補償。在本公開的實施例中，數字下變頻器203可根據通道頻偏補償器204反饋的頻率控制字動態的對數字下變頻的振蕩頻率進行調節，例如，根據預設時間進行動態調節。例如，每隔預設時間即根據反饋的頻率控制字進行數字下變頻振蕩頻率的調整。
本公開實施例的頻偏補償系統，採用補償通道間相對頻偏的方式，調整各路通道的信號與參考信息之間的頻差，可以在不影響DBF合成效果的同時降低實現難度；且採用通道頻偏補償器對多路信號進行頻偏補償，不需要中繼星發射導頻信號，減少了中繼星的發射功耗，提升了頻帶利用率。
由於頻偏補償時，受信噪比、採樣長度非理想等因素的影響，通道間可能會存在殘餘頻差，在本公開的實施例中，通道頻偏補償器204還用於對進行了頻偏補償後的每路待補償信號進行相位補償，其通過自適應相位補償算法補償兩信號間由微小頻差引起的相位不一致。參見圖3和圖4為本公開實施例的自適應相位補償算法的實現結構，該算法採用最小梯度法搜索最小值，通過循環以下三步估計兩信號的相位差，實現相位補償。
在步驟S41中，根據預設相差估計值，通過式(3)對待補償信號進行相位差補償。
其中，xi(k)為待補償信號，為預設相差估計值。
在步驟S42中，根據參考信號和經相位差補償後的信號，獲取誤差。誤差通過式(4)獲取。
在步驟S43中，根據獲取的誤差，更新相差估計值。通過式(5)對相差估計值進行更新。
其中，梯度可以表示為為預設相差估計值，μ為步長因子，可用於調節算法的收斂速度。
由此，本公開實施例的頻偏補償方法可通過頻偏補償和相位補償，實現待補償信號與參考信號的頻偏補償，通過N-1個通道頻偏補償器，消除接收到的N路陣元信號間的相對頻偏。
參見圖5，本公開實施例的頻偏補償系統還包括：相位恢復模塊205和相位延遲係數優化模塊206。
相位恢復模塊205，用於對所述參考信號，以及進行了頻偏補償和相位補償後的待補償信號進行相位恢復。
相位延遲係數優化模塊206，用於根據相控陣天線導向矢量，獲取接收到的所述N路陣元信號的每一路信號的初始相位延遲係數；獲取經所述相位恢復模塊恢復後的N路信號的波達方向；根據用戶星的角度信息，獲取估計方向和準確方向的平均誤差；根據所述平均誤差，更新相位延遲係數；根據更新的相位延遲係數調整所述相位恢復模塊的相位恢復中的延遲時間。
由於自適應相位補償算法會破壞N路信號之間的相位特性，在本公開的一實施例中的相位恢復模塊205，採用LMS算法優化N路信號的相位差，以降低由通道頻偏補償器204帶來的相位失真。參見圖6為本公開一實施例的相位恢復模塊的結構實現示意圖，針對每一路信號，採用相應的相位延遲係數進行相位恢復。
相位延遲係數優化模塊206根據相控陣天線導向矢量計算得到每一路信號的初始相位延遲係數。其中，式(6)所示為相控天線導向矢量，式(7)初始相位延遲係數。
其中，λ為波長，d為陣元間距。
計算相位恢復後輸出的30路信號的波達方向其為M個用戶星估計角度構成的向量，可採用適當的波達方向估計算法，如MUSIC算法。用戶星的角度信息，可根據測控和星曆文件得到。
根據用戶星的角度信息計算估計方向和準確方向的平均誤差以e(k)作為誤差函數，採用圖7所示的LMS算法流程更新相位延遲係數L，並據此調整相位恢復中N路信號的延遲時間。
相位延遲係數優化模塊206檢測誤差函數e(k)與預設閾值的大小，當誤差函數e(k)<ε時(ε為預設閾值)，即為系統允許的指向誤差最小值(可在沒有非一致頻偏情況下獲得)，此時說明頻偏補償及相位恢復效果能夠滿足系統需求，故停止更新相位恢復中相位延遲係數，同時保持通道頻偏補償器204輸出的頻率控制字K不變，系統進入穩定狀態。當e(k)≥ε時，可重新調整相位延遲係數，以及頻率控制字K。應理解，調整頻率控制字K可通過調整採用系列的長度、採樣周期等實現。
在本公開的實施例中，通過相位恢復模塊205輸出的信號即可進入地面終端站後級處理，完成數字波束形成、解擴和解調等。
本公開實施例的頻偏補償系統，通過頻偏補償器和相位恢復模塊，其採用任一路信號作為參考信號，對其餘通道進行頻偏補償，不僅能改善由相對運動和本振誤差產生的N路信號頻偏非一致性問題，消除DBF指向周期性漂移，還能均衡其餘通道在傳輸過程中產生的信號畸變。同時通過觀測估計方向和準確方向的誤差，實時調整頻偏補償參數，使該補償方法具有自適應性。
參見圖8，本公開實施例的頻偏補償方法的流程示意圖。該頻偏補償方法包括以下步驟：
在步驟S81中，對接收到的N路陣元信號進行預處理。
在步驟S82中，對N路經預處理後的陣元信號分別進行數字下變頻處理，以獲得N路目標信號。
在步驟S83中，針對每路待補償信號，獲取所述待補償信號與參考信號之間的相對頻差，其中，所述參考信號為所述N路目標信號中的任一路信號，所述待補償信號為所述N路目標信號中除所述參考信號之外的信號。
在一個實施例中，獲取所述待補償信號與參考信號之間的相對頻差為：
其中，為相對頻差；m為通過所述參考信號與一待補償信號共軛的復乘得到的採樣信號；為所述採樣信號的自相關函數，N為採樣序列長度，T為採樣周期。
在步驟S84中，針對每路待補償信號，根據所述待補償信號與所述參考信號之間的相對頻差，對所述待補償信號進行頻偏補償。將所述相對頻差轉換為頻率控制字，頻率控制字如下式所示：
其中，K為頻率控制字，M為所述數字下變頻器的位寬，fclk為所述數字下變頻器的處理時鐘，fFitz為相對頻差。
在一個實施例中，根據所述頻率控制字控制相對應的數字下變頻器的振蕩頻率，以對所述待補償信號進行頻偏補償。
由於頻偏補償受信噪比、採樣長度非理想等因素的影響，通道間可能會存在殘餘頻差，在本公開的實施例中，頻偏補償方法還包括：
對進行了頻偏補償後的每路待補償信號進行相位補償。
在一個實施例中，對進行了頻偏補償後的每路待補償信號進行相位補償的步驟包括：
根據預設相差估計值，對每路待補償信號進行相位差補償；
根據所述參考信號和相位差補償後的信號，獲取誤差；
根據獲取的所述誤差，對所述預設相差估計值進行更新。
在一個實施例中，本公開實施例的頻偏補償方法還包括：
對所述參考信號，以及進行了頻偏補償和相位補償後的待補償信號進行相位恢復。
在一個實施例中，本公開實施例的頻偏補償方法還包括：
根據相控陣天線導向矢量，獲取接收到的所述N路陣元信號的每一路信號的初始相位延遲係數；
獲取經所述相位恢復後的N路信號的波達方向；
根據用戶星的角度信息，獲取估計方向和準確方向的平均誤差；
根據所述平均誤差，更新相位延遲係數；
根據更新的相位延遲係數調整所述相位恢復中的延遲時間。
在一個實施例中，所述根據所述平均誤差，更新相位延遲係數的步驟包括：
將所述平均誤差與預設閾值進行比較；
當所述平均誤差大於或等於所述預設閾值時，更新所述相位延遲係數。
基於指向誤差的判決反饋方法使系統能動態的調整頻偏補償參數，改善多路信號間的相對頻偏，從而消除DBF指向周期性漂移，提高星下DBF指向精度。
關於上述實施例中的方法，其中各個步驟執行操作的具體方式已經在有關該系統的實施例中進行了詳細描述，此處將不做詳細闡述說明。
本公開實施例的頻偏補償系統及方法，通過頻偏補償器和相位恢復模塊，其採用任一路信號作為參考信號，對其餘通道進行頻偏補償，可改善由相對運動和本振誤差產生的N路信號頻偏非一致性；採用通道頻偏補償器對多路信號進行頻偏補償，不需要中繼星發射導頻信號，減少了中繼星的發射功耗，提升了頻帶利用率；通道頻偏補償器利用頻偏估計算法和自適應相位補償技術對通道頻偏進行補償，其中頻偏估計算法能粗略估計出被補償通道與參考通道間的相對頻偏，自適應相位補償技術則能消除殘留頻偏的影響，能有效降低通道間的相對頻偏；採用補償通道間相對頻偏的方式，可以在不影響DBF合成效果的同時降低實現難度；基於指向誤差的判決方法，實時估計波達方向與實際方向的誤差，動態調整相位延遲係數，使系統具有自適應特性。
以上結合附圖詳細描述了本公開的優選實施方式，但是，本公開並不限於上述實施方式中的具體細節，在本公開的技術構思範圍內，可以對本公開的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬於本公開的保護範圍。
另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術特徵，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。
此外，本公開的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本公開的思想，其同樣應當視為本公開所公開的內容。