一种基于数字波束合成的无线在轨自适应幅相校正系统

摘要

本发明公开了一种基于数字波束合成的无线在轨自适应幅相校正系统，包括能量检测模块、相位粗补偿模块、SNR估算模块、幅度测量模块、相位测量模块、校正系数计算模块、幅相校正模块和幅相校正系数存储模块。本发明提供的自适应幅相校正系统不仅可以保证选取各通道SNR≥20dB的信号计算得到高精度、高可靠的校正系数，补偿多周期相位差，单周期内避开正负π跳跃的判断，还可以保证在计算幅相校正系数的同时不影响链路层测试，提高了校正系数精度和通信效率，简化了操作复杂度，对星载数字波束形成系统的多通道进行高精度、高可靠的幅相校正具有非常重要的意义与十分广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及幅相校正技术领域，特别涉及一种基于数字波束合成的无线在轨自适应幅相校正系统。

背景技术

数字波束形成(Digital Beamforming,DBF)是指对采样数据进行加权求和来增强某些特定方向的信号功率，同时抑制某些其它方向的干扰功率。相较于传统模拟技术实现的有源相控阵，数字波束形成技术在系统的精度、稳定性、灵活性等方面具有明显的优势。随着电子技术的进步，FPGA、DSP等器件在性能、体积、功耗等方面不断取得突破，使得数字波束形成技术的星载实现成为现实，并将成为未来的发展方向之一。然而，数字波束形成系统对射频通道的幅相一致性要求相当严格，在工程应用中，射频通道的组成多为模拟器件，不可避免的存在通道间的幅相差异，阵列天线和射频通道不一致将导致数字波束形成性能的恶化，包括测向精度的下降以及波束形成性能的恶化，因此，对星载数字波束形成系统的通道进行高精度、高可靠的幅相校正具有非常重要的意义。

发明内容

对于在轨运行的多波束接收机，要完成多通道幅相不一致性的检测与校正只能依靠星载系统本身。本发明提供一种基于数字波束合成的无线在轨自适应幅相校正系统，该系统在地面监测站向星载系统注入调制信号时，利用实时估算的SNR值，可以在卫星在轨飞行过程中自动筛选出SNR≥20dB的接收信号进行幅相校正。星载接收机首先估计出各通道接收信号的幅相系数，然后利用矩阵逆运算得到各通道的幅相校正系数，进而实现幅相校正。本系统无需星载系统配置额外的天线，无需注入额外的信号，无需添加其他硬件，算法本身结构简单，硬件开销小，稳定且易于实现。

为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于数字波束合成的无线在轨自适应幅相校正系统，包括能量检测模块、相位粗补偿模块、SNR估算模块、幅度测量模块、相位测量模块、校正系数计算模块、幅相校正模块和幅相校正系数存储模块，其中：

所述能量检测模块，用于接收多通道中频下变频和滤波抽取后的信号，并利用接收信号与本地序列进行相关运算，寻找峰值，从而确定各通道信号准确的起始位置；

所述相位粗补偿模块，用于将多通道相位差移到一个采样点以内；

所述SNR估算模块，用于选取SNR≥20dB的突发信号帧；

所述幅度测量模块，用于计算各通道的能量差并确定参考通道；

所述相位测量模块，用于计算各通道相对于参考通道的相对相位差，并将相对相位差传送给所述校正系数计算模块；

所述校正系数计算模块，用于根据所述幅度测量模块和相位测量模块得到的各通道接收信号的幅相系数，利用矩阵逆运算得到各通道的幅相校正系数并将幅相校正系数传送给所述幅相校正模块和幅相校正系数存储模块，进而实现幅相校正；

所述幅相校正模块，用于利用校正系数计算模块和校正系数计算模块得到的幅相校正系数对各通道进行幅度相位补偿，并将校正好的各通道信号传给DBF系统；

所述幅相校正系数存储模块,用于将所述校正系数计算模块得到的幅相校正系数进行存储。

进一步的，所述能量检测模块，用于接收多通道中频下变频和滤波抽取后的信号，采用GPS的UTC帧头时刻范围估计和滑动窗口结合的处理方法，根据卫星到船的最大和最小距离，评估出卫星上行突发信号最大延时和最小延时的差值ΔT，只对每个时隙开始时刻的ΔT数据进行滑动窗口法检测，找到峰值，确定信号的起始位置，并传给所述相位粗补偿模块。

进一步的，所述相位粗补偿模块，用于根据多通道能量检测模块确定的最大值所在位置，使用FIFO移位寄存器，将所有通道数据对齐，使得多通道相位差值在一个采样点以内，并传给所述SNR估算模块。

进一步的，所述SNR估算模块，用于估算突发调制信号的SNR值，如果所有通道SNR值均≥20dB，则传给所述幅度测量模块，否则继续检测下一次突发调制信号。

进一步的，选取L＝256点计算通道信号均值mean和方差var：

SNR估计值为：

进行曲线拟合，得到准确的SNR值。

进一步的，所述幅度测量模块，用于计算各通道能量值，并选取能量居中的通道作为参考通道。

进一步的，所述幅度测量模块通过计算前1024个点的能量值，确定参考通道，并将突发调制信号和参考通道号送给所述相位测量模块，将参考通道号和各通道能量值传送给所述校正系数计算模块。

进一步的，所述相位测量模块的参考通道沿用所述幅度测量模块得到的参考通道，如果得到的两通道的相对相位差的绝对值≥150度,则先将复乘后的数据旋转90度后求相位差，最后将计算出来的相位值再补偿-90度。

进一步的，所述幅相校正系数存储模块,将所述校正系数计算模块得到的幅相校正系数进行存储，通过上电或遥控指令将存储的校正系数传输给所述幅相校正模块。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明提供了一种基于数字波束合成的无线在轨自适应幅相校正系统，该系统结合星地网络，保证了高精度、高可靠的校正效果，该系统通过SNR的估算减小了星地空间位置带来的计算误差，提高了测试准确性与测试效率；该系统通过能量检测模块可以校正多周期相位差，并且通过相位粗补偿模块保证相位差在一个采样点以内；相位测量模块采用的算法避开了正负π跳跃的判断，得到各通道与校准通道间准确的相位差；该系统采用的是物理层调制信号，不需要地面监测站向星载系统额外注入一定信噪比的单频校正信号，减小了星地链路带来的不确定性，达到了实时处理和自适应的效果。本发明提供的无线在轨幅相校正自适应系统不仅可以保证选取各通道SNR≥20dB的信号计算得到高精度、高可靠的校正系数，补偿多周期相位差，单周期内避开正负π跳跃的判断，还可以保证在计算幅相校正系数的同时不影响链路层测试，提高了系数精度和通信效率，简化了操作复杂度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是本发明一实施例的基于数字波束合成的自适应幅相校正系统的框架示意图；

图2是本发明一实施例的幅相校正自适应系统模块流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和2所示，本实施例公开了一种基于数字波束合成的无线在轨自适应幅相校正系统，包括能量检测模块、相位粗补偿模块、SNR估算模块、幅度测量模块、相位测量模块、校正系数计算模块、幅相校正模块和幅相校正系数存储模块，其中：

所述能量检测模块，用于接收多通道中频下变频和滤波抽取后的信号，并利用接收信号与本地序列进行相关运算，寻找峰值，从而确定各通道信号准确的起始位置；

所述相位粗补偿模块，用于将多通道相位差移到一个采样点以内；

所述SNR估算模块，用于选取SNR≥20dB的突发信号帧。因为信噪比高时仅一次采样便可得到良好的校正效果。该方法减小了星地物理链路的影响。地面监测站在卫星在轨可视范围内持续发射调制信号时，该方案会自动筛选出符合要求的信号计算幅相校正系数。

所述幅度测量模块，用于计算各通道的能量差并确定参考通道；

所述相位测量模块，用于计算各通道相对于参考通道的相对相位差，并将相对相位差传送给所述校正系数计算模块；

所述校正系数计算模块，用于根据所述幅度测量模块和相位测量模块得到的各通道接收信号的幅相系数，利用矩阵逆运算得到各通道的幅相校正系数并将幅相校正系数传送给所述幅相校正模块和幅相校正系数存储模块，进而实现幅相校正；

所述幅相校正模块，用于利用校正系数计算模块和校正系数计算模块得到的幅相校正系数对各通道进行幅度相位补偿，并将校正好的各通道信号传给DBF系统；

所述幅相校正系数存储模块,用于将所述校正系数计算模块得到的幅相校正系数进行存储。

本实施例中，以一种基于VDE通信系统的卫星多波束为例，取波束数为8个。所述能量检测模块，采用GPS的UTC帧头时刻范围估计和双滑动窗口结合的处理方法，根据卫星到船的最大和最小距离，评估出卫星上行突发信号最大延时和最小延时的差值ΔT，如根据VDE建议书的最大时延差为8ms，每个时隙的开始时刻都是和固定UTC时间对齐的(UTC的每个分钟周期内有2250个VDE时隙)，这里，只对每个时隙开始时刻的ΔT数据进行双滑动窗口法检测，首先对接收的8路多通道VDE中频信号并行进行下变频和滤波抽取，通过抽取使抽取后的信号采样速率为4倍符号速率,根据固定的时隙开始UTC时间。例如根据VDE的《ITU-RM.2092-0+》规定的同步序列长度48个符号，VDE的符号速率为33.6khz/s。4倍采样后8ms内为1075个符号，扩频序列的长度为3072个符号，所以采用4096个符号做频率相关运算。首先对接收到的4096个符号做傅里叶变换，然后与本地序列复乘，最后将复乘后的信号进行傅里叶逆运算，寻找峰值，确定各通道信号准确的起始位置，并将突发信号和各通道起始位置传给所述的粗相位补偿模块。

进一步的，所述相位粗补偿模块，用于根据多通道能量检测模块确定的最大值所在位置，使用FIFO移位寄存器，将所有通道数据对齐，使得多通道相位差值在一个采样点以内，等待最后一路信号得到起始位置后，同时读出8路信号，并将8路信号同时给所述SNR估算模块。该模块使此系统适应存在多周期相位差的环境。

进一步的，所述SNR估算模块，用于估算突发调制信号的SNR值，如果所有通道SNR值均≥20dB，则传给所述幅度测量模块，否则继续检测下一次突发调制信号。选取L＝256点计算通道信号均值mean和方差var：

SNR估计值为：

进行曲线拟合，得到准确的SNR值。

进一步的，所述幅度测量模块，用于计算各通道能量值，并选取参考通道，对其他通道进行校准。由于DBF系统会对接收到的信号进行放大，选取能量较大的信号容易造成信号溢出，能量较小的信号不可以保证信号质量。所以本系统为保证不让信号溢出，并保证信号质量的前提下，选取能量居中的信号作为参考通道。具体的，所述幅度测量模块通过计算前1024个点的能量值，确定参考通道，并将突发调制信号和参考通道号送给所述相位测量模块，将参考通道号和各通道能量值传送给所述校正系数计算模块。

进一步的，所述相位测量模块的参考通道沿用所述幅度测量模块得到的参考通道，如果得到的两通道的相对相位差的绝对值≥150度,则先将复乘后的数据旋转90度后求相位差，最后将计算出来的相位值再补偿-90度，所述相位测量模块采用的算法避开了正负π跳跃的判断，使得到的相对相位值能准确反映出与参考通道间的相位。

进一步的，所述幅相校正系数存储模块,将所述校正系数计算模块得到的幅相校正系数进行存储，通过上电或遥控指令将存储的校正系数传输给所述幅相校正模块。

在此，保证幅相校准高精度、高可靠的同时，简化了操作的复杂度，提高了通信链路的测试效率，本实施例提供了一种基于数字波束合成的无线在轨自适应幅相校正系统，该系统结合星地网络，保证了高精度、高可靠的校正效果，该方案不仅可以保证选取各通道SNR≥20dB的信号计算得到高精度、高可靠的校正系数，补偿多周期相位差，单周期内避开正负π跳跃的判断，还可以保证在计算幅相校正系数的同时不影响链路层测试，提高了系数精度和通信效率，简化了操作复杂度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。