一种用于太赫兹通信的伪码辅助载波同步实现方法技术

本发明专利技术公开的一种用于太赫兹通信的伪码辅助载波同步实现方法，属于通信信号处理领域。本发明专利技术发送端将插入了低功率扩频码伪随机序列导频的数据基带信号输入至数模转换器DAC，DAC输出的模拟信号与太赫兹载波进行模拟混频后，由天线发送到无线信道；接收端利用本地两路正交的太赫兹载波与接收到的信号混频，得到I,Q两路基带信号；利用窄带低通滤波器对正交混频之后的I,Q两路信号滤波，以提取导频部分；再通过对导频部分的捕获、跟踪，实现对导频载波频率偏移量，即数据信号载波频率偏移量的实时精确计算；用频率偏移量持续修正本地太赫兹载波的频率，以完成载波同步。本发明专利技术能够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。

A pseudo code aided carrier synchronization method for terahertz communication

The invention discloses a PN code aided carrier synchronization implementation method for terahertz communication, belonging to the field of communication signal processing. The transmitting terminal of the invention will insert the data base band signal of the low power spread spectrum code pseudo-random sequence to the digital analog converter DAC. The analog signal of the DAC output is sent to the wireless channel by the antenna after the analog mixing of the terahertz carrier, and the receiver uses the local two orthogonal terahertz carriers to mix the received signal. The signal of the I and Q baseband is obtained; the narrowband low pass filter is used to filter the I and Q signals after the orthogonal frequency mixing, and the pilot frequency part is extracted. Then the pilot carrier frequency offset, that is, the carrier frequency offset of the data signal, is calculated in real time by capturing and tracking the pilot part, and the frequency offset is held. The frequency of the local terahertz carrier is modified to complete carrier synchronization. The invention can reduce the computation amount of signal processing, thereby reducing the complexity of hardware circuit design and implementation.

【技术实现步骤摘要】
一种用于太赫兹通信的伪码辅助载波同步实现方法
本专利技术涉及一种载波同步实现方法，特别涉及一种用于太赫兹通信的伪码辅助载波同步实现方法，属于通信信号处理领域。
技术介绍
太赫兹波的频段在0.1～10THz，波长在30μm～3mm之间，是介于微波与红外之间的电磁波，其频率比现有微波通信要高出l～4个数量级。太赫兹通信具有带宽资源丰富，传输速率高，传输干扰小等特点，适应了未来通信系统中高速无线传输的应用需求，然而高传输速率也增大了信号处理的难度。在无线通信过程中，由于信号发射端和接收端之间的相对运动以及卫星时钟和接收机晶振的频率漂移等原因，接收信号的载波频率将随着时间而不断变化，尤其当信号调制在太赫兹频段的载波上时，过高的载波频率会产生几兆到几十兆赫兹的多普勒频偏，远远高于现有通信过程中产生的频偏。由于太赫兹波的大气衰减较强，所以太赫兹频段通信目前只适用于卫星间、星地间及地面间短距离的宽带移动通信。在卫星通信中，若载波频率为0.1～10THz，则产生的多普勒频偏为几兆甚至数十兆赫兹，并且频偏大小随着载波频率的增加呈线性增长。若用传统数字信号处理的方式处理接收到的调制信号，根据奈奎斯特采样定理，对解调后的基带信号进行采样，需要设计大带宽滤波器，并且采样率将高达数十GHz，从硬件设计以及信号处理实时性的角度考虑都很难实现。另外，在远距通信(比如卫星通信)、遮挡以及强干扰等条件下，接收信号的信噪比极低，因此无论在太赫兹通信还是现有的微波通信中，研究低信噪比条件下的载波频偏估计均具有非常重要的现实意义。1994年，MichaelP.Fitz(“FurtherResultsintheFastEstimationofaSingleFrequency”)通过将不同延迟的自相关相位进行加权平均来提取频率，但算法的频率估计范围受限于参与计算的最大自相关延迟,当该算法应用在太赫兹频段时，会产生相对较大的频偏，利用此算法已无法进行纠正。2005年，NoelsN，SteendamH，moeneclaeyM(“Carrierphaseandfrequencyestimationforpilot-symbolassistedtransmissionboundsandalgorithm”)提出了基于等间隔导频符号设置的半扫盲频偏估计方法，估计精度得到进一步提高，但存在信噪比门限较高的问题。2006年，BrainD，RonanF(“DesignofforthorderdigitalPLLsusingfilterprototype”)用Butterworth等低通滤波器原型设计了一种带宽为20MHz的数字锁相环，进行频偏的捕捉，然而在信号带宽为数十GHz的太赫兹通信中，用传统的数字信号处理方法会存在采样率过大无法实现的问题，所以该方法已不再适用。以上载波同步实现方法应用于太赫兹高速通信中时，都存在采样率过高，硬件难以实现以及低信噪比下不适用等问题。
技术实现思路
针对现有技术太赫兹通信系统产生的高载波频偏以及采样率高导致的信号处理难度提高、硬件开销过大的问题。本专利技术公开的一种用于太赫兹通信的伪码辅助载波同步实现方法要解决的技术问题为：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在低信噪比、低采样率条件下的载波同步；由于扩频码伪随机序列导频的带宽相对于数据信号带宽较窄，故能够用低采样率的模数转换器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。本专利技术公开的一种用于太赫兹通信的伪码辅助载波同步实现方法，发送端将插入了低功率扩频码伪随机序列导频的数据基带信号输入至数模转换器DAC，DAC输出的模拟信号与太赫兹载波进行模拟混频后，由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，利用本地两路正交的太赫兹载波分别与低噪声放大器输出的信号相乘进行正交混频，得到I,Q两路基带信号。为提取基带信号中的导频部分，利用窄带低通滤波器对正交混频之后的I,Q两路信号进行滤波，滤除大部分数据基带信号，使导频部分得以保留。再通过对导频部分的捕获、跟踪，实现对导频载波频率偏移量，即数据信号载波频率偏移量的实时精确计算。用实时计算得到的频率偏移量修正接收端混频时的载波频率，以完成载波同步。载波同步完成后，将上述模拟正交混频得到的I路信号经过宽带低通滤波器滤除位于太赫兹载波二倍频处的高频分量，使发送端发送的数据基带信号得以恢复。本专利技术公开的一种用于太赫兹通信的伪码辅助载波同步实现方法，包括如下步骤：步骤一，发送端在数据基带信号中插入低功率扩频码伪随机(Pseudo-NoiseCode,PN)序列导频信号。发送端在信息速率为Rb的数据基带信号m(t)中插入速率为Rc的低功率扩频码伪随机(Pseudo-NoiseCode,PN)序列导频信号c(t)，即，基带信号m1(t)是数据基带信号m(t)与扩频码伪随机序列导频信号c(t)的组合信号，表示为：m1(t)＝m(t)+c(t)(1)所述的扩频码伪随机序列导频信号c(t)为经过直接序列扩频的伪随机序列。扩频码伪随机序列导频信号c(t)的带宽需远窄于数据基带信号m(t)的带宽，扩频码伪随机序列导频信号c(t)的功率远低于数据基带信号m(t)的功率。所述的扩频码伪随机序列导频信号c(t)的带宽需远窄于数据基带信号m(t)的带宽，优选扩频码伪随机序列导频信号c(t)的带宽需比数据基带信号m(t)的带宽窄3个数量级。所述的扩频码伪随机序列导频信号c(t)的功率远低于数据基带信号m(t)的功率，优选所述的扩频码伪随机序列导频信号c(t)的功率低于数据基带信号m(t)的功率20至30dB。步骤二，将插入了低功率扩频码伪随机序列导频c(t)的基带信号m1(t)输入至数模转换器DAC，数模转换器DAC输出的模拟信号与频率为fTHz的太赫兹载波进行模拟混频，使DAC输出的模拟信号的频谱搬移至太赫兹频段，再经过功率放大器由天线发送到无线信道。发送至无线信道的信号msend(t)表示为：msend(t)＝m1(t)cos(2πfTHzt+θ0)(2)其中，fTHz为太赫兹载波的频率，θ0为太赫兹载波的初始相位。步骤三，接收端将天线收到的无线信号通过低噪声放大器后，利用本地两路频率为fTHz的正交载波分别与低噪声放大器输出的信号相乘进行正交混频，得到I,Q两路基带信号i(t)和q(t)。由于信道噪声以及接收机启动时间随机性等因素的影响，接收端信号mrece(t)表示为：其中，n(t)表示信道噪声，ms′end(t)表示接收信号中的有用信号，Δf为载波频率偏移，Δθ为载波相位偏移，载波频率偏移Δf和载波相位偏移Δθ引入因素包括由于收发信机的时钟不同步和接收机启动时间的随机性。收发信机相对运动产生的多普勒效应以及收发时钟频率的固有偏差都会导致载波频率的偏移。由于收发时钟频率的固有偏差与多普勒频偏fd相比小至可忽略，所以在分析时，将多普勒频偏fd与载波频率偏移Δf做等效近似，即Δf≈fd。多普勒频偏fd计算公式为：其中，v为收发信机的相对运动速度，c为光速。接收端将天线收到的无线信号通过低噪声放大器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于太赫兹通信的伪码辅助载波同步实现方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一，发送端在数据基带信号中插入低功率扩频码伪随机(Pseudo‑Noise Code,PN)序列导频信号；发送端在信息速率为Rb的数据基带信号m(t)中插入速率为Rc的低功率扩频码伪随机(Pseudo‑Noise Code,PN)序列导频信号c(t)，即，基带信号m1(t)是数据基带信号m(t)与扩频码伪随机序列导频信号c(t)的组合信号，表示为：m1(t)＝m(t)+c(t)           (1)所述的扩频码伪随机序列导频信号c(t)为经过直接序列扩频的伪随机序列；扩频码伪随机序列导频信号c(t)的带宽需远窄于数据基带信号m(t)的带宽，扩频码伪随机序列导频信号c(t)的功率远低于数据基带信号m(t)的功率；步骤二，将插入了低功率扩频码伪随机序列导频c(t)的基带信号m1(t)输入至数模转换器DAC，数模转换器DAC输出的模拟信号与频率为fTHz的太赫兹载波进行模拟混频，使DAC输出的模拟信号的频谱搬移至太赫兹频段，再经过功率放大器由天线发送到无线信道；发送至无线信道的信号msend(t)表示为：msend(t)＝m1(t)cos(2πfTHzt+θ0)    (2)其中，fTHz为太赫兹载波的频率，θ0为太赫兹载波的初始相位；步骤三，接收端将天线收到的无线信号通过低噪声放大器后，利用本地两路频率为fTHz的正交载波分别与低噪声放大器输出的信号相乘进行正交混频，得到I,Q两路基带信号i(t)和q(t)；步骤四，利用窄带低通滤波器对正交混频之后的I,Q两路信号i(t),q(t)进行滤波，滤除高频部分；经过窄带低通滤波器后的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率，将步骤四所得i0(t)和q0(t)信号通过低采样率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I,Q两路信号i0(n),q0(n)合成为复数数字基带扩频码伪随机序列导频信号x(n)＝i0(n)+j·q0(n)，通过x(n)进行捕获、跟踪，实现对扩频码伪随机序列导频信号c(t)频率偏移量Δf的实时精确计算；而扩频码伪随机序列导频信号c(t)与数据基带信号m(t)共用同一载波，所以扩频码伪随机序列导频信号c(t)的频率偏移量即是数据基带信号m(t)的频率偏移量；将实时精确计算出的导频序列频率偏移量Δf反馈至步骤三中所述的接收端混频部分的本地正交载波发生器，通过载波频率补偿，使接收端本地载波频率和接收端天线收到的信号mrece(t)的载波频率保持动态同步，即实现在太赫兹通信中低信噪比、低采样率条件下的载波同步；将载波同步之后，接收端模拟正交混频后得到的I,Q两路信号分别记为i′(t),q′(t)。...

【技术特征摘要】
1.一种用于太赫兹通信的伪码辅助载波同步实现方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一，发送端在数据基带信号中插入低功率扩频码伪随机(Pseudo-NoiseCode,PN)序列导频信号；发送端在信息速率为Rb的数据基带信号m(t)中插入速率为Rc的低功率扩频码伪随机(Pseudo-NoiseCode,PN)序列导频信号c(t)，即，基带信号m1(t)是数据基带信号m(t)与扩频码伪随机序列导频信号c(t)的组合信号，表示为：m1(t)＝m(t)+c(t)(1)所述的扩频码伪随机序列导频信号c(t)为经过直接序列扩频的伪随机序列；扩频码伪随机序列导频信号c(t)的带宽需远窄于数据基带信号m(t)的带宽，扩频码伪随机序列导频信号c(t)的功率远低于数据基带信号m(t)的功率；步骤二，将插入了低功率扩频码伪随机序列导频c(t)的基带信号m1(t)输入至数模转换器DAC，数模转换器DAC输出的模拟信号与频率为fTHz的太赫兹载波进行模拟混频，使DAC输出的模拟信号的频谱搬移至太赫兹频段，再经过功率放大器由天线发送到无线信道；发送至无线信道的信号msend(t)表示为：msend(t)＝m1(t)cos(2πfTHzt+θ0)(2)其中，fTHz为太赫兹载波的频率，θ0为太赫兹载波的初始相位；步骤三，接收端将天线收到的无线信号通过低噪声放大器后，利用本地两路频率为fTHz的正交载波分别与低噪声放大器输出的信号相乘进行正交混频，得到I,Q两路基带信号i(t)和q(t)；步骤四，利用窄带低通滤波器对正交混频之后的I,Q两路信号i(t),q(t)进行滤波，滤除高频部分；经过窄带低通滤波器后的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率，将步骤四所得i0(t)和q0(t)信号通过低采样率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I,Q两路信号i0(n),q0(n)合成为复数数字基带扩频码伪随机序列导频信号x(n)＝i0(n)+j·q0(n)，通过x(n)进行捕获、跟踪，实现对扩频码伪随机序列导频信号c(t)频率偏移量Δf的实时精确计算；而扩频码伪随机序列导频信号c(t)与数据基带信号m(t)共用同一载波，所以扩频码伪随机序列导频信号c(t)的频率偏移量即是数据基带信号m(t)的频率偏移量；将实时精确计算出的导频序列频率偏移量Δf反馈至步骤三中所述的接收端混频部分的本地正交载波发生器，通过载波频率补偿，使接收端本地载波频率和接收端天线收到的信号mrece(t)的载波频率保持动态同步，即实现在太赫兹通信中低信噪比、低采样率条件下的载波同步；将载波同步之后，接收端模拟正交混频后得到的I,Q两路信号分别记为i′(t),q′(t)。2.如权利要求1所述的一种用于太赫兹通信的伪码辅助载波同步实现方法，其特征在于：还包括步骤七，将步骤六中得到的I,Q两路信号i′(t),q′(t)通过宽带低通滤波器进行滤波，滤波后的I路信号即是频率偏移量已被修正的数据基带信号。3.如权利要求1或2所述的一种用于太赫兹通信的伪码辅助载波同步实现方法，其特征在于：步骤三具体实现方法为，由于信道噪声以及接收机启动时间随机性的影响，接收端信号mrece(t)表示为：其中，n(t)表示信道噪声，m′send(t)表示接收信号中的有用信号，Δf载波频率偏移，Δθ为载波相位偏移，载波频率偏移Δf和载波相位偏移Δθ引入因素包括由于收发信机的时钟不同步和接收机启动时间的随机性；收发信机相对运动产生的多普勒效应以及收发时钟频率的固有偏差都会导致载波频率的偏移；由于收发时钟频率的固有偏差与多普勒频偏fd相比小至可忽略，所以在分析时，将多普勒频偏fd与载波频率偏移Δf做等效近似，即Δf≈fd；多普勒频偏fd计算公式为：其中，v为收发信机的相对运动速度，c为光速；接收端将天线收到的无线信号通过低噪声放大器后，利用本地两路频率为fTHz的正交载波分别与低噪声放大器输出的信号相乘进行混频；将本地正弦载波表示为-sin(2πfTHzt+θ0)，余弦载波表示为cos(2πfTHzt+θ0)；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：4.如权利要求3所述的一种用于太赫兹通信的伪码辅助载波同步实现方法，其特征在于：步骤四具体实现方法为，利用窄带低通滤波器对正交混频之后的I,Q两路信号i(t),q(t)滤波，滤除高频部分，得到有偏移量的基带扩频码伪随机序列导频信号；发送端扩频码伪随机序列导频信号c(t)的带宽为BPN＝Rc；由于收发信机之间相对运动的速度v不确定，导致无法确定频率偏移量Δf，所以将i(t),q(t)分别通过带宽为B的窄带低通滤波器，所述的窄带低通滤波器带宽B不小于Δf+BPN，以确保频偏信息得以保留；因为扩频码伪随机序列导频信号c(t)的带宽远窄于数据基带信号m(t)的带宽，所以此窄带低通滤波器滤除大部分的数据基带信号，而剩余的位于窄带低通滤波器通带内的残余数据基带信号被认为是噪声；将经过窄带低通滤波器后的I,Q路信号分别记为i0(t)和q0(t)：其中，和分别为I,Q路的噪声信号，噪声信号包括信道噪声以及频谱位于窄带低通滤波器通带内的数据基带信号；式(7)、(8)中i0(t)和q0(t)相当于有噪声和频率偏移量Δf的基带扩频码伪随机序列导频信号；对频率偏移Δf和相位偏移量Δθ的估计即是对i0(t)与q0(t)中正余弦信号的频率估计和相位估计。5.如权利要求4所述的一种用于太赫兹通信的伪码辅助载波同步实现方法，其特征在于：步骤五具体实现方法为，依据奈奎斯特采样定律，为了防止信号频偏发生混叠，采样率fs需不小于窄带低通滤波器带宽B的两倍；将I,Q两路信号i0(t)和q0(t)通过采样率为fs≥2B的低采样率模数转换器ADC进行采样，变为数字信号进行处理；将采样之后的I,Q两路数字信号分别记为i0(n)和q0(n)，表示如下：i0(n),...

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