天线组阵中基于循环互相关的信号相位差估计装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种天线组阵中基于循环互相关的信号相位差估计装置，所述天线组阵包括多个接收天线单元，该装置用于对天线组阵的循环平稳的天线信号的相位差进行计算，该装置包括：一个或两个匹配滤波器，用于对经过时延、幅值加权和相位调整后的天线信号进行匹配滤波并且对经过时延、幅值加权和相位调整后的信号与参考信号的二者的差信号进行匹配滤波；循环互相关模块，用于计算经过匹配滤波的所述信号和经过匹配滤波的所述差信号的循环互相关函数；相位差求解模块，根据所述循环互相关函数计算所述天线信号的相位差。还提供了一种天线组阵中基于循环互相关的信号相位差估计方法，一种信号合成装置、一种信号合成方法、一种天线组阵信号接收系统、和一种天线组阵信号接收方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及深空探测领域，特别涉及深空信号接收中的计算信号的相位差从而进 行天线组阵信号合成的技术。
技术介绍
深空探测中远距离的通信与导航以及射电天文科学的迅猛发展，对射电望远镜的 性能提出了新的需求。由于开发成本的提高和技术的限制，单个天线G/T值的提高已经到 了停滞状态。美国深空网(DSN)战略计划已经明确了可能的增长途径采用射频频段，通过 大量小天线组阵的方法获得更高的天线增益。天线组阵所提供的优点是，能以比用单个天 线所接收的更高数据率接收数据，它具有许多令人渴望的优势更好的性能、更强的工作稳 健性、更低的建造费用、更好的计划灵活性和对射电天文科学研究更广泛的支持。天线组阵 可以降低对单天线指向精度等指标的要求，采用大规模的小天线可以大大降低建设成本。由于距离遥远，深空通信中到达地面的信号功率非常微弱，天线阵每个单元的输 出信噪比通常很低。当天线距离较近，接收到的其他航天器信号或者其他射电干扰相关时， 传统的相位残差估计方法(如SIMPLE和SUMPLE相关)将会产生很大的误差，甚至完全失 效，极大降低天线组阵的信号合成性能。C. H. Lee等采用MUSIC和EIGEN方法实现对干扰信号的辨识和抑制，但计算量很 大，实时处理实现困难；同时对BPSK(二进制相移键控)信号的理论研究和对比仿真发现， 当天线单元之间存在相关的干扰信号时，对载波相位进行重建的预处理技术能大大提高组 阵的性能，尤其是当干扰信号较强时这一效果更加明显。M. K. Simon和V. Vilnrotter等人 提出了低信噪比条件下BPSK信号载波相位的同步方法，通过对接收到的二进制数据进行 预估，依据统计理论减少状态转移的数量，从而实现信号载波相位跟踪性能的提高。这一方 法在一定程度上可以实现较低信噪比情况下的载波相位估计，但算法过于复杂，并且信噪 比条件也受到一定程度的限制。循环平稳信号广泛存在于通信、遥测、雷达和声呐系统中，W. A. Gardner指出信号 的循环平稳特性在信号检测和估计方面较传统方法具有明显的优势。循环互相关已成功的 应用到了信号子空间拟合DOA估计方法中。
技术实现思路
为了解决深空探测天线组阵中信号合成相位差估计时的干扰问题，本专利技术提出了 一种基于天线组阵中基于循环互相关的信号相位差估计装置和方法，以及包括该相位差估 计装置的信号合成系统和包括该相位差估计方法的信号合成方法，以及一种天线组阵信号 接收系统和方法。各天线中频信号经采样后，通过相位差估计模块获得相位差，通过时延和加权幅 值计算模块获得时延和加权幅值，对各路数字信号进行时延调整、相位调整和幅值加权后， 经由信号合成器获得合成信号并送往接收机进行解调等后续处理。其中，相位差估计模块中的相位差求解采用循环互相关方法。基于循环互相关的信号相位差估计法对于任何的循环平稳信号都是适用的，对于 BPSK信号其循环频率α可以选择为0、士 2fQ和k/Tc(k = 0，士 1，士2，...)。本专利技术提出一种天线组阵中基于循环互相关的信号相位差估计装置，所述天线组 阵包括多个接收天线单元，该装置用于对天线组阵的循环平稳的天线信号的相位差进行计 算，该装置包括一个或两个匹配滤波器，用于对经过时延、幅值加权和相位调整后的天线信号进 行匹配滤波并且对经过时延、幅值加权和相位调整后的信号与参考信号的二者的差信号进 行匹配滤波；循环互相关模块，用于计算经过匹配滤波的所述信号和经过匹配滤波的所述差信 号的循环互相关函数；相位差求解模块，根据所述循环互相关函数计算所述天线信号的相位差。本专利技术提出一种天线组阵中基于循环互相关的信号相位差估计方法，所述天线组 阵包括多个接收天线单元，该方法用于对天线组阵的循环平稳的天线信号的相位差进行计 算，该方法包括步骤匹配滤波步骤，用于对经过时延、幅值加权和相位调整后的天线信号进行匹配滤 波并且对经过时延、幅值加权和相位调整后的信号与参考信号的二者的差信号进行匹配滤 波；循环互相关步骤，用于计算经过匹配滤波的所述经过时延、幅值加权和相位调整 后的天线信号和经过匹配滤波的所述差信号的循环互相关函数；相位差求解步骤，根据所述循环互相关函数计算所述天线信号的相位差。本专利技术提出一种天线组阵的信号合成装置，所述天线组阵包括多个接收天线单 元，该信号合成装置包括本专利技术的天线组阵中基于循环互相关的信号相位差估计装置；时延和加权幅值计算模块，用于为时延和相位调整模块提供时延和加权幅值；时延和相位调整模块，用于对天线组阵的循环平稳的天线信号的时延、幅值加权 和相位差进行调整，并将经过时延、幅值加权和相位调整后的天线信号提供给所述的信号 相位差估计装置，并根据所述的信号相位差估计装置计算出的相位差调整所述天线信号的 相位；减法器，用于对经过时延、幅值加权和相位调整后的信号与所述参考信号二者求 差以得到所述差信号，并将所述差信号提供给所述信号相位差估计装置；以及信号合成器，用于对天线组阵的所有经过时延、幅值加权和相位调整的信号进行 合成，并将合成的信号作为所述参考信号输入到所述减法器。本专利技术提出一种天线组阵中的信号合成方法，所述天线组阵包括多个接收天线单 元，该信号合成方法包括本专利技术的天线组阵中基于循环互相关的信号相位差估计方法；时延和加权幅值计算步骤，用于为时延和相位调整模块提供时延和加权幅值；时延和相位调整步骤，用于对天线组阵的循环平稳的天线信号的时延、幅值加权 和相位差进行调整，通过所述的信号相位差估计方法对经过时延、幅值加权和相位调整的天线信号进行相位差计算，并根据通过所述信号相位差估计方法计算出的相位差调整所述 天线信号的相位；求差步骤，用于对经过时延、幅值加权和相位调整后的信号与所述参考信号二者 求差以得到所述差信号；以及信号合成步骤，用于对天线组阵中的所有经过时延、幅值加权和相位调整的信号 进行合成，并且将合成的信号作为所述求差步骤中的所述参考信号。本专利技术提出一种天线组阵信号接收系统，所述天线组阵包括多个接收天线单元， 该系统包括多个低噪声放大器，每个低噪声放大器均用于放大对应的接收天线单元接收到的 信号；多个下变频器，每个下变频器均用于将经过对应的低噪声放大器放大的信号下变 频为中频信号；多个模数转换器，每个模/数转换器均用于将从对应的下变频器获得的中频信号 转换为数字信号；频率和时统模块，为下变频器和模数转换器提供频标和时间信息；本专利技术的天线组阵的信号合成装置，每个信号合成装置均将对应的模数转换器转 换的数字信号作为天线信号进行处理，所述多个信号合成装置共用一个信号合成器；以及解调接收机，用于对该信号合成器合成的信号进行解调。本专利技术提出一种天线组阵信号接收方法，所述天线组阵包括多个接收天线单元， 该方法包括低噪声放大步骤，用于放大对应的接收天线单元接收到的信号；下变频步骤，用于将经过放大的信号下变频为中频信号；模数转换步骤，用于将中频信号转换为数字信号；为所述下变频步骤和所述模数转换步骤提供频标和时间信息；本专利技术的天线组阵的信号合成方法，将所述数字信号作为天线信号进行处理以合 成信号；以及对合成的信号进行解调。本专利技术的有益效果在不增加额外计算量的基础上，基于循环互相关的信号相位 差估计装置和方法、以及信号合成装置和方法、以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种天线组阵中基于循环互相关的信号相位差估计装置，所述天线组阵包括多个接收天线单元，该装置用于对天线组阵的循环平稳的天线信号的相位差进行计算，该装置包括：至少一个匹配滤波器，用于对经过时延、幅值加权和相位调整后的天线信号进行匹配滤波并且对经过时延、幅值加权和相位调整后的信号与参考信号的二者的差信号进行匹配滤波；循环互相关模块，用于计算经过匹配滤波的所述信号和经过匹配滤波的所述差信号的循环互相关函数；相位差求解模块，根据所述循环互相关函数计算所述天线信号的相位差。

【技术特征摘要】
一种天线组阵中基于循环互相关的信号相位差估计装置，所述天线组阵包括多个接收天线单元，该装置用于对天线组阵的循环平稳的天线信号的相位差进行计算，该装置包括至少一个匹配滤波器，用于对经过时延、幅值加权和相位调整后的天线信号进行匹配滤波并且对经过时延、幅值加权和相位调整后的信号与参考信号的二者的差信号进行匹配滤波；循环互相关模块，用于计算经过匹配滤波的所述信号和经过匹配滤波的所述差信号的循环互相关函数；相位差求解模块，根据所述循环互相关函数计算所述天线信号的相位差。2.如权利要求1所述的天线组阵中基于循环互相关的信号相位差估计装置，其中，设 经过匹配滤波的所述信号为复变量并且经过匹配滤波的所述差信号为复变量，循 环互相关模块计算:P,. ( )和义⑷在循环频率α处的循环互相关函数(O，得Rk ⑷=C λ +Φ) y ^ - 响a其中，T是积分的时间长度，τ是延迟变量，j是虚数单位。3.如权利要求2所述的天线组阵中基于循环互相关的信号相位差估计装置，其中，将 延迟变量τ表示成数字形式，由最小二乘法得‘ =iMlMS mIm^式中，为由/^ 组成的列向量，Mh为由巧( )组成的列向量，是 .λ.的估 计值， λ是由信号和λ (0的幅值比和相位差组成的变量，且Ky,h =XeMRk μ … )]TMλ ^[RKm,) Rlim2)…其中，mk(k= 1，2...K)为相关值信噪比大于给定阈值的时延，相位差求解模块根据循环互相关模块计算获得的、Λ求解相位差Δ φ,的估计值Δ‘ 计算公式为~Imffi ；；)Δ於=arctan Λ(11)LRe( )_当积分时间趋于无穷时，得丑(Δ幻=对於)-五⑷=Δ(4.如权利要求2所述的天线组阵中基于循环互相关的信号相位差估计装置，其中，所 述循环频率α选择为0、士 2fQ和k/%，其中，k = 0，士 1，士 2，...，Tc为码片宽度。5.如权利要求2所述的天线组阵中基于循环互相关的信号相位差估计装置，其中，所 述循环平稳的天线信号是BPSK信号，其循环频率α选择为0、士和k/T。，其中，k = 0， 士 1，士 2，...，T。为码片宽度。6.一种天线组阵中基于循环互相关的信号相位差估计方法，所述天线组阵包括多个接 收天线单元，该方法用于对天线组阵的循环平稳的天线信号的相位差进行计算，该方法包 括步骤匹配滤波步骤，用于对经过时延、幅值加权和相位调整后的天线信号进行匹配滤波并 且对经过时延、幅值加权和相位调整后的信号与参考信号的二者的差信号进行匹配滤波；循环互相关步骤，用于计算经过匹配滤波的所述经过时延、幅值加权和相位调整后的 天线信号和经过匹配滤波的所述差信号的循环互相关函数；相位差求解步骤，根据所述循环互相关函数计算所述天线信号的相位差。7.如权利要求6所述的天线组阵中基于循环互相关的信号相位差估计方法，其中，设 经过匹配滤波的所述信号为复变量λ (O并且经过匹配滤波的所述差信号为复变量λW，在 循环互相关步骤中，计算:P,⑴和λ⑴在循环频率α处的循环互相关函数《i) ，得4 ⑷ 二 Ss+C λ +“2)夕:G -其中，T是是积分的时间长度，τ是延迟变量，j是虚数单位。8.如权利要求7所述的天线组阵中基于循环互相关的信号相位差估计方法，其中，将 延迟变量τ表示成数字形式，由最小二乘法得式中，M从为由/^ (%)组成的列向量，巧为由《( )组成的列向量，&的估计 值，。λ是由信号λ (O和λ.⑷的幅值比和相位差组成的变量，且 丨)rIM…《( )]T其中，mk(k= 1，2...Κ)为相关值信噪比大于给定阈值的时延，在相位差求解步骤中，根据在循环互相...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔德庆，张洪波，苏彦，朱新颖，郑磊，李俊铎，李春来，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]