一种用于太赫兹通信的伪码辅助位定时同步实现方法技术

本发明专利技术公开一种用于太赫兹通信的伪码辅助位定时同步的实现方法，属于通信信号处理领域。本发明专利技术在发送端将低功率伪码导频插入数据基带信号频谱的第一个零点f0处，然后通过DAC转换为模拟信号，再混频至太赫兹频段发送；在接收端，将用载波同步方法复制的太赫兹载波与接收到的信号进行一次混频，使信号频谱搬移至基带；再将此基带信号与频率为f0的正交载波相乘进行二次混频，将得到的I,Q两路信号通过低通滤波器后送入低速ADC采样；再通过对采样后的I,Q两路信号进行捕获跟踪，实现对导频频偏的实时计算，并用此计算结果修正对一次混频后的基带信号进行采样的高速ADC的采样率，完成位定时同步。本发明专利技术能够降低信号处理运算量与硬件电路实现的复杂度。

A method of pseudo code auxiliary bit timing synchronization for terahertz communication

【技术实现步骤摘要】
一种用于太赫兹通信的伪码辅助位定时同步实现方法
本专利技术涉及一种伪码辅助位定时同步实现方法，尤其涉及一种用于太赫兹通信的伪码辅助位定时同步实现方法，属于通信信号处理领域。
技术介绍
太赫兹波的频率范围为0.1到10THz，对应的波长范围为0.03mm到3mm。太赫兹通信是一种新的、有很多独特优点的通信方式，具优点如下：1)频段较宽，可承载的信息量更大，可很好地解决信息传输受限于带宽的问题；2)传输速率可达数十Gbps，适用于大容量通信场合；3)太赫兹波束窄，方向性好、保密性高、抗干扰能力强、穿透能力强，可以在恶劣的战场环境下以极高的带宽进行定向、高保密通信等等。其所呈现出的各种优势，使得研究太赫兹通信中的各种技术成为必然趋势。在太赫兹无线通信中，由于收发信机相对运动产生的多普勒效应和收发时钟偏差的影响，收发信号之间存在频率和相位偏移。在接收端，为完成发送信息的还原，必须借助于同步系统对频率和相位的偏移进行估计以实现相干接收和最佳判决，并修正接收端的数据时钟源，使得接收端的抽样判决时钟与接收端信号同频同相。因为太赫兹通信的信息速率可以达到数十Gbps，根据奈奎斯特采样定律，如果要进行数字信号处理，需使用采样率高达数十GHz的模数转换器ADC。而高速ADC和宽带滤波器的实现复杂度较高，硬件开销过大，在实际中难以应用。所以寻求在低速率、低带宽下处理太赫兹信号的方法很有必要。1993年FloydM.Gardner(“InterpolatorinDigitalModems-PartΙ:Fundamentals”,IEEETransactionOnCommunications,1993,41(3):501-507)用插值法给出了数字调制解调器的时间调整基本原理，介绍了基于数控振荡器NCO的控制方法，并对插值器的信号处理特征进行了概述，提出了Gardner算法。Gardner算法能较好地解决基带信号频率与本地时钟频率不同步的问题。1993年LarsErup和FloydM.Gardner(“InterpolatorinDigitalModems-PartΙΙ:ImplementationandPerformance”,IEEETransactionOnCommunications,1993,41(6):998-1008)研究了基于多项式滤波器的使用方法，提出了farrow插值滤波器的结构，并对其性能进较为详细的分析。现有技术中太赫兹通信中的位定时同步实现方法存在下述缺陷：实现过程较为复杂，且对于传输速率高达数十Gbps的太赫兹通信系统位定时同步算法的实现存在计算量过大、资源消耗严重等特点，不适用于高速太赫兹通信系统。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术公开一种用于太赫兹通信的伪码辅助位定时同步实现方法：在太赫兹通信中通过扩频码伪随机(Pseudo-NoiseCode,PN)序列导频的辅助来实现对数据信号的位定时同步；由于导频信号带宽相对于数据信号带宽较小，故能够用低速模数转换器ADC对基带信号采样，转换为低速数字信号进行处理，降低信号处理运算量，从而降低硬件电路设计与实现的复杂度。本专利技术是通过下述技术方案实现的。本专利技术公开一种用于太赫兹通信的伪码辅助位定时同步实现方法，发送端在数据基带信号频谱第一个零点f0处插入低功率扩频码伪随机序列导频；将插入了低功率扩频码伪随机序列导频的组合基带信号输入数模转换器DAC，输出的模拟信号通过与太赫兹载波相乘混频至太赫兹频段，再经过功率放大器并通过天线发送到无线信道。接收端将天线收到的无线信号通过低噪声放大器后，利用现有的载波同步方法复制太赫兹载波与低噪声放大器输出信号进行第一次混频实现载波剥离，使低噪声放大器输出信号的频谱搬移至基带。将此时得到的基带信号与频率为f0的本振低频载波信号相乘进行第二次混频，得到的I,Q两路信号。利用窄带低通滤波器对第二次正交混频之后的I,Q两路信号滤波，滤除高频部分，得到基带扩频导频信号。依据奈奎斯特采样定率，将滤除高频部分后的I,Q两路信号通过低采样率ADC进行采样，转换为I,Q两路数字信号；通过对I,Q两路数字信号进行捕获、跟踪，实现对基带扩频导频信号中心频率的实时精确计算，而基带扩频导频信号中心频率即是数据基带信号的速率偏移量。将伪随机序列捕获跟踪过程中确定的基带扩频导频信号中心频率返回给二次正交混频中的本振低频载波发生器控制时钟，以修正第二次混频所用的本振低频载波频率，同时修正对第一次混频后的信号采样的高速ADC的采样时钟，使高速ADC采样输出的数据即是最佳采样点上的数据，至此，实现用于太赫兹通信的伪码辅助位定时同步。本专利技术公开的一种用于太赫兹通信的伪码辅助位定时同步实现方法，包括如下步骤：步骤一，发送端在数据基带信号频谱第一个零点处插入低功率扩频码伪随机(Pseudo-NoiseCode,PN)序列导频信号后，通过数模转换器DAC将其转换为模拟信号，再与太赫兹载波模拟混频调制到太赫兹频段，然后经过功率放大器并由天线发送到无线信道。发送端在信息速率为Rb的数据基带信号m(t)频谱第一个零点f0＝Rb处插入低功率扩频码伪随机序列导频信号，导频信号为经过直接序列扩频的伪随机序列，即，导频信号的中心频率位于f0处。所述的低功率指插入的导频信号的功率比数据基带信号m(t)的功率低至40dB。数据基带信号m(t)与扩频码伪随机序列导频的组合基带信号m1(t)表示为：m1(t)＝m(t)+c(t)cos(2πf0t+θ0)(1)其中c(t)为扩频码伪随机序列，cos(2πf0t+θ0)为导频信号的低频载波；此低频载波的频率为f0，初始相位为θ0，c(t)cos(2πf0t+θ0)为插入的扩频码伪随机序列导频信号。将组合基带信号m1(t)通过数模转换器DAC转换成模拟信号，输出的模拟信号与太赫兹载波模拟混频至太赫兹频段，再经过功率放大器并通过天线发送到无线信道。步骤二，接收端将天线收到的无线信号通过低噪声放大器后，利用载波同步方法复制太赫兹载波，与低噪声放大器输出的信号进行第一次模拟混频实现载波剥离使其频谱搬移至基带，得到基带信号m2(t)。接收端将天线收到的无线信号通过低噪声放大器后，利用载波同步方法复制太赫兹载波，将低噪声放大器输出的信号与太赫兹载波进行第一次模拟混频实现载波剥离，使低噪声放大器输出的信号的频谱搬移至基带。由于收发端的相对运动会产生多普勒效应，使第一次模拟混频后的信号m2(t)有速率偏移，而数据信号m2(t)的速率偏移量ΔRb与导频信号中心频率的偏移量Δf一致，即ΔRb＝Δf。同时由于接收机启动时间的随机性，使信号m2(t)的导频部分的伪随机序列相位也具有随机性。多普勒效应引起的导频中心频率的偏移量Δf如公式(2)所示：其中，v为收发信机的相对运动速度，f0为导频中心频率，c为光速。则第一次模拟混频后的信号m2(t)为：m2(t)＝m′(t)+c′(t)cos[2π(f0+Δf)t+(θ0+Δθ)](3)其中m′(t)为实际接收到的有速率偏移量ΔRb的数据基带信号，c′(t)为有码相位偏移的扩频序列，c′(t)cos[2π(f0+Δf)t+(θ0+Δθ)]为实际接收到有偏移量的导频信号。步骤三，将步骤二得到的有偏移量的基带本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于太赫兹通信的伪码辅助位定时同步实现方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一，发送端在数据基带信号频谱第一个零点处插入低功率扩频码伪随机(Pseudo‑Noise Code,PN)序列导频后，通过数模转换器DAC转换为模拟信号后与太赫兹载波相乘，使DAC输出的模拟信号混频调制到太赫兹频段，然后经过功率放大器并由天线发送到无线信道；步骤二，接收端将天线收到的无线信号通过低噪声放大器后，利用载波同步方法复制太赫兹载波，与低噪声放大器输出的信号进行第一次模拟混频实现载波剥离使其频谱搬移至基带，得到基带信号m2(t)；步骤三，将步骤二得到的有偏移量的基带信号m2(t)与本振低频载波信号进行第二次模拟正交混频，得到的I,Q两路信号分别记为i(t)和q(t)；步骤四，利用低通滤波器对第二次模拟正交混频之后的I,Q两路信号i(t),q(t)滤波，滤除高频部分，得到基带扩频导频信号；经过低通滤波器后的I,Q路信号分别记为i0(t)和q0(t)；步骤五，依据奈奎斯特采样定律，将步骤四所得i0(t)和q0(t)信号通过低采样率模数转换器ADC进行采样，转换为数字信号i0(n)和q0(n)进行处理；步骤六，将步骤五中模数转换器ADC采样后的数字信号i0(n)和q0(n)两路合成为复数信号x(n)＝i0(n)+j·q0(n)，通过对复数信号x(n)进行捕获、跟踪，实现对基带扩频导频信号频率偏移量Δf的实时精确计算，而基带扩频导频信号频率偏移量Δf即是数据基带信号m′(t)速率偏移量ΔRb，即实现实时确定基带信号m′(t)速率偏移量；步骤七，通过对对复数信号x(n)进行捕获、跟踪确定的基带扩频导频信号的频率偏移量Δf返回给二次正交混频中的本地低频载波发生器控制时钟，依据此返回频率偏移量Δf修正第二次正交混频的低频载波频率；同时修正对数据信号m2(t)采样的高速ADC的采样时钟，数据信号m2(t)通过高速ADC直接采样的输出结果即是最佳采样点上的数据，至此，实现用于太赫兹通信的伪码辅助位定时同步。...

【技术特征摘要】
1.一种用于太赫兹通信的伪码辅助位定时同步实现方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一，发送端在数据基带信号频谱第一个零点处插入低功率扩频码伪随机(Pseudo-NoiseCode,PN)序列导频后，通过数模转换器DAC转换为模拟信号后与太赫兹载波相乘，使DAC输出的模拟信号混频调制到太赫兹频段，然后经过功率放大器并由天线发送到无线信道；步骤二，接收端将天线收到的无线信号通过低噪声放大器后，利用载波同步方法复制太赫兹载波，与低噪声放大器输出的信号进行第一次模拟混频实现载波剥离使其频谱搬移至基带，得到基带信号m2(t)；步骤三，将步骤二得到的有偏移量的基带信号m2(t)与本振低频载波信号进行第二次模拟正交混频，得到的I,Q两路信号分别记为i(t)和q(t)；步骤四，利用低通滤波器对第二次模拟正交混频之后的I,Q两路信号i(t),q(t)滤波，滤除高频部分，得到基带扩频导频信号；经过低通滤波器后的I,Q路信号分别记为i0(t)和q0(t)；步骤五，依据奈奎斯特采样定律，将步骤四所得i0(t)和q0(t)信号通过低采样率模数转换器ADC进行采样，转换为数字信号i0(n)和q0(n)进行处理；步骤六，将步骤五中模数转换器ADC采样后的数字信号i0(n)和q0(n)两路合成为复数信号x(n)＝i0(n)+j·q0(n)，通过对复数信号x(n)进行捕获、跟踪，实现对基带扩频导频信号频率偏移量Δf的实时精确计算，而基带扩频导频信号频率偏移量Δf即是数据基带信号m′(t)速率偏移量ΔRb，即实现实时确定基带信号m′(t)速率偏移量；步骤七，通过对对复数信号x(n)进行捕获、跟踪确定的基带扩频导频信号的频率偏移量Δf返回给二次正交混频中的本地低频载波发生器控制时钟，依据此返回频率偏移量Δf修正第二次正交混频的低频载波频率；同时修正对数据信号m2(t)采样的高速ADC的采样时钟，数据信号m2(t)通过高速ADC直接采样的输出结果即是最佳采样点上的数据，至此，实现用于太赫兹通信的伪码辅助位定时同步。2.如权利要求1所述的一种用于太赫兹通信的伪码辅助位定时同步实现方法，其特征在于：步骤一具体实现方法为，发送端在信息速率为Rb的数据基带信号m(t)频谱第一个零点f0＝Rb处插入低功率导频信号，导频信号为经过直接序列扩频的伪随机序列，即，导频信号的中心频率位于f0处；数据基带信号m(t)与扩频码伪随机序列导频的组合基带信号m1(t)表示为：m1(t)＝m(t)+c(t)cos(2πf0t+θ0)(1)其中，c(t)为扩频码伪随机序列，cos(2πf0t+θ0)为导频信号的载波，此载波的频率为f0，初始相位为θ0；c(t)cos(2πf0t+θ0)为插入的扩频码伪随机序列导频信号；将组合基带信号m1(t)通过数模转换器DAC转换成模拟信号，输出的模拟信号与太赫兹载波相乘，使DAC输出的模拟信号模拟混频至太赫兹频段，再经过功率放大器并通过天线发送到无线信道。3.如权利要求2所述的一种用于太赫兹通信的伪码辅助位定时同步实现方法，其特征在于：步骤二具体实现方法为，接收端将天线收到的无线信号通过低噪声放大器后，利用载波同步方法复制太赫兹载波，将低噪声放大器输出的信号与太赫兹载波进行第一次模拟混频实现载波剥离，使低噪声放大器输出的信号的频谱搬移至基带；由于收发端的相对运动会产生多普勒效应，使第一次模拟混频后的信号m2(t)有速率偏移，而数据信号m2(t)的速率偏移量ΔRb与导频信号中心频率的偏移量Δf一致，即ΔRb＝Δf；同时由于接收机启动时间的随机性，使信号m2(t)的导频部分的伪随机序列相位也具有随机性；多普勒效应引起的导频中心频率的偏移量Δf如公式(2)所示：其中，v为收发信机的相对运动速度，f0为导频中心频率，c为光速；则第一次模拟混频后的信号m2(t)为：m2(t)＝m′(t)+c′(t)cos[2π(f0+Δf)t+(θ0+Δθ)](3)其中，m′(t)为实际接收到的有速率偏移量ΔRb的数据基带信号，c′(t)为有码相位偏移的扩频序列，c′(t)cos[2π(f0+Δf)t+(θ0+Δθ)]为实际接收到有偏移量的扩频码伪随机序列导频信号。4.如权利要求3所述的一种用于太赫兹通信的伪码辅助位定时同步实现方法，其特征在于：步骤三具体实现方法为，将步骤二中得到的第一次模拟混频之后的信号m2(t)与以f0为频率的本振低频载波信号进行第二次模拟混频；第二次模拟混频为正交混频；第二次模拟正交混频的目的是将扩频码伪随机序列导频信号c′(t)cos[2π(f0+Δf)t+(θ0+Δθ)]的频谱的中心频率由f0+Δf位置搬移到Δf位置，以得到基带扩频导频信号；第二次模拟正交混频中使用的本振低频载波正弦信号为-sin(2πf0t+θ0)，本振低频载波余弦信号为cos(2πf0t+θ0)；第二次模拟混频之后的I,Q两路信号分别记为i(t)和q(t)，表达式如下：。5.如权利要求4所述的一种用于太赫兹通信的伪码辅助位定时同步实现方法，其特征在于：步骤四具体实现方法为，利用低通滤波器对第二次模拟正交混频之后的I,Q两路信号i(t),q(t)滤波，滤除高频部分；扩频码伪随机序列c(t)的带宽为BPN；由于收发信机之间相对运动的速度v不确定，导致无法确定扩频码伪随机序列导频信号的频率偏移量Δf，所以将第二次模拟正交混频之后的I,Q两路信号i(t),q(t)分别通过带宽为B的低通滤波器，所述的滤波器带宽B不小于Δf+BPN，确保频偏信息得以保留；经过低通滤...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪菲，刘德康，丁旭辉，聂之君，宋世琦，尹雪，卜祥元，安建平，李建国，马思奇，张卫东，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11