频偏补偿方法及系统与流程

本公开涉及通信技术领域，具体地，涉及一种频偏补偿方法及系统。

背景技术：

跟踪与数据中继卫星系统(tracking and data relay satellite，TDRSS)以其高覆盖率、高数据率和多目标测控能力，在空间技术发展中起到了极其重要的作用。

TDRSS由两颗在轨同步中继卫星和一个地面站组成的。TDRSS的反向链路是把遥测数据从目标航天器件(例如，飞行器、用户星等)传输到地面站的信息传输通道，它能同时传输多个目标航天器件的测控信息。为了同时跟踪和转发多个目标，TDRSS的中继卫星上通常采用基于波束形成的相控阵天线。而为了减少中继卫星上数字处理环节，以使中继卫星上设备尽可能简单，同时考虑到以后扩充跟踪目标数的方便，TDRSS通常采用星下DBF(数字波束形成)方案。

基于星下DBF的TDRSS中，中继卫星上有30个独立的螺旋天线(阵元)，每一个阵元接收的信号都被独立传输到地面站用于星下DBF。可采用FDM(频分复用)体制来传输30路阵元信号。根据30路阵元信号的相对相位和幅度，进行地面波束合成，构成相控阵“地面多波束形成”系统。

基于星下DBF的TDRRS系统，由于采用FDM传输体制将中继卫星上的30路天线阵元信号传输到地面，因相控阵有30个阵元天线，对应FDM就有30个独立通道。在FDM的合成与分离过程中的上下变频，各个通道的本地晶振也无法达到完全的一致，将给30路通道信号引入不一致的频偏，因此，很难保证30路通道间频偏的一致性。针对，相关技术中，一般采用两种方法来解决频率偏移对通信系统性能的影响问题，一是采用自动频率跟踪环路(AFC)，使其来跟踪多普勒频移。比如通信系统中，通常在接收机中用锁相环路(PLL)产生与载波同频同相的本地信号进行解调，以消除多普勒频移的影响；另一种是，在发送信号同时发送一组导频，通过导频信号来调整本地载波信号，以校正传输过程中产生的多普勒频移。

但是相关技术中的两种方法，均是针对单路信号的频偏特性，并未考虑多路信号频偏不一致问题。此外，若将TDRSS系统中的每一个通道看作独立通信系统采用常规的锁相环路进行频偏补偿，需要输入的信号有较高的信噪比，否则很难实现相位跟踪锁定。而采用基于导频的频偏估计方法，导频会占用传输信道，降低传输效率，同时严重影响TDRSS系统的安全性。

技术实现要素：

本公开的目的是提供一种频偏补偿方法及系统，以解决TDRSS系统中多路信号频偏不一致的问题。为了实现上述目的，第一方面，本公开提供一种频偏补偿方法，包括：

对接收到的N路阵元信号进行预处理；

对N路经预处理后的阵元信号分别进行数字下变频处理，以获得N路目标信号；

针对每路待补偿信号，获取所述待补偿信号与参考信号之间的相对频差，其中，所述参考信号为所述N路目标信号中的任一路信号，所述待补偿信号为所述N路目标信号中除所述参考信号之外的信号；

针对每路待补偿信号，根据所述待补偿信号与所述参考信号之间的相对频差，对所述待补偿信号进行频偏补偿。

可选的，所述获取所述待补偿信号与参考信号之间的相对频差为：

其中，为相对频差；m为通过所述参考信号与一待补偿信号共轭的复乘得到的采样信号；为所述采样信号的自相关函数，N为采样序列长度，T为采样周期。

可选的，所述针对每路待补偿信号，根据所述待补偿信号与所述参考信号之间的相对频差，对所述待补偿信号进行频偏补偿的步骤包括：

将所述相对频差转换为频率控制字；

根据所述频率控制字控制相对应的数字下变频器的振荡频率，以对所述待补偿信号进行频偏补偿。

可选的，所述将所述相对频差转换为频率控制字为：

其中，K为频率控制字，M为所述数字下变频器的位宽，f_clk为所述数字下变频器的处理时钟，f_Fitz为相对频差。

可选的，所述方法还包括：

对进行了频偏补偿后的每路待补偿信号进行相位补偿。

可选的，所述对进行了频偏补偿后的每路待补偿信号进行相位补偿的步骤包括：

根据预设相差估计值，对每路待补偿信号进行相位差补偿；

根据所述参考信号和相位差补偿后的信号，获取误差；

根据获取的所述误差，对所述预设相差估计值进行更新。

可选的，所述方法还包括：

对所述参考信号，以及进行了频偏补偿和相位补偿后的待补偿信号进行相位恢复。

可选的，所述方法还包括：

根据相控阵天线导向矢量，获取接收到的所述N路阵元信号的每一路信号的初始相位延迟系数；

获取经所述相位恢复后的N路信号的波达方向；

根据用户星的角度信息，获取估计方向和准确方向的平均误差；

根据所述平均误差，更新相位延迟系数；

根据更新的相位延迟系数调整所述相位恢复中的延迟时间。

可选的，所述根据所述平均误差，更新相位延迟系数的步骤包括：

将所述平均误差与预设阈值进行比较；

当所述平均误差大于或等于所述预设阈值时，更新所述相位延迟系数。

第二方面，提供一种频偏补偿系统，包括：

预处理模块，用于对接收到的N路阵元信号进行预处理；

数字下变频器，用于对N路经预处理后的阵元信号分别进行数字下变频处理，以获得N路目标信号；

通道频偏补偿器，用于针对每路待补偿信号，获取所述待补偿信号与参考信号之间的相对频差，其中，所述参考信号为所述N路目标信号中的任一路信号，所述待补偿信号为所述N路目标信号中除所述参考信号之外的信号；以及，

用于针对每路待补偿信号，根据所述待补偿信号与所述参考信号之间的相对频差，对所述待补偿信号进行频偏补偿。

可选的，所述获取所述待补偿信号与参考信号之间的相对频差为：

其中，为相对频差；m为通过所述参考信号与一待补偿信号共轭的复乘得到的采样信号；为所述采样信号的自相关函数，N为采样序列长度，T为采样周期。

可选的，所述通道频偏补偿器，用于将所述相对频差转换为频率控制字；以及根据所述频率控制字控制相对应的数字下变频器的振荡频率，以对所述待补偿信号进行频偏补偿。

可选的，所述将所述相对频差转换为频率控制字为：

其中，K为频率控制字，M为所述数字下变频器的位宽，f_clk为所述数字下变频器的处理时钟，f_Fitz为相对频差。

可选的，所述通道频偏补偿器，还用于对进行了频偏补偿后的每路待补偿信号进行相位补偿。

可选的，所述系统还包括：

相位恢复模块，用于对所述参考信号，以及进行了频偏补偿和相位补偿后的待补偿信号进行相位恢复。

可选的，所述系统还包括：

相位延迟系数优化模块，用于根据相控阵天线导向矢量，获取接收到的所述N路阵元信号的每一路信号的初始相位延迟系数；获取经所述相位恢复模块恢复后的N路信号的波达方向；根据用户星的角度信息，获取估计方向和准确方向的平均误差；根据所述平均误差，更新相位延迟系数；根据更新的相位延迟系数调整所述相位恢复模块的相位恢复中的延迟时间。

通过上述技术方案，通过频偏补偿器和相位恢复模块，其采用任一路信号作为参考信号，对其余通道进行频偏补偿，可改善由相对运动和本振误差产生的N路信号频偏非一致性；采用通道频偏补偿器对多路信号进行频偏补偿，不需要中继星发射导频信号，减少了中继星的发射功耗，提升了频带利用率；通道频偏补偿器利用频偏估计算法和自适应相位补偿技术对通道频偏进行补偿，其中频偏估计算法能粗略估计出被补偿通道与参考通道间的相对频偏，自适应相位补偿技术则能消除残留频偏的影响，能有效降低通道间的相对频偏；采用补偿通道间相对频偏的方式，可以在不影响DBF合成效果的同时降低实现难度；基于指向误差的判决方法，实时估计波达方向与实际方向的误差，动态调整相位延迟系数，使系统具有自适应特性。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本公开实施例的TDRSS系统的结构示意图；

图2是本公开一实施例的频偏补偿系统的结构示意图；

图3是本公开一实施例的相位恢复实现结构示意图；

图4是本公开一实施例的相位恢复实现流程示意图；

图5是本公开另一实施例的频偏补偿系统的结构示意图；

图6是本公开一实施例的相位恢复模块的结构实现示意图；

图7是本公开一实施例的LMS算法流程示意图；

图8是本公开一实施例的频偏补偿方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

针对TDRSS反向链路存在多路阵元信号经过信道存在非一致的频偏问题，本公开提供一种频偏补偿系统及方法，基于多路阵元信号非一致性频偏补偿的自适应联动，以改善多路阵元信号非一致性频偏对星下DBF指向精度的影响。

参见图1，为本公开实施例的TDRSS系统的结构示意图。跟踪与数据中继卫星系统(tracking and data relay satellite，TDRSS)包括中继卫星20和地面站10。中继卫星20把用户星30的遥测数据传输到地面站10。中继卫星20可采用基于波束形成的相控阵天线。中继卫星20上有30个独立的螺旋天线(阵元)，每一个阵元接收的信号都被独立传输到地面站10用于星下DBF。中继卫星20可采用FDM(频分复用)体制来传输30路阵元信号。地面站10根据30路阵元信号的相对相位和幅度，进行地面波束合成。

参见图2，为本公开一实施例的频偏补偿系统的结构示意图。本公开实施例的频偏补偿系统200包括：前级处理模块201、A/D转换器202、数字下变频器203和通道频偏补偿器204。

在本公开的一实施例中，地面站10接收到的阵元信号有N路，则相应的有N个A/D转换器、N个数字下变频器和N-1个通道频偏补偿器204分别对应处理每一路阵元信号。在本公开的实施例中，N为大于2的整数。在一个实施例中，N为30。

参见图2，地面站10的天线接收来自中继星20发射的N路阵元的FDM信号。前级处理模块201用于对接收的N路阵元信号进行低噪声放大、变频、宽带滤波和FDM预分离等处理。

A/D转换器202用于对前级处理模块201处理后的信号进行A/D转换。

在本公开的实施例中，预处理模块即包括前级处理模块201和A/D转换器202，对接收到的N路阵元信号进行预处理，例如，低噪声放大、变频、宽带滤波、FDM预分离以及A/D转换等处理。

数字下变频器203用于对N路经预处理后的阵元信号分别进行数字下变频处理，以获得N路目标信号。数字下变频器203将从A/D转换器202转换得到的数字信号中提取所需的窄带信号，将其下变频为数字基带信号，并转换成较低的数据流即目标信号。数字下变频器203可包括数字混频器、数字控制振荡器(NCO)和低通滤波器(LPF)三部分。

其中，NCO主要由三部分组成：相位累加器、相位加法器和sin/cos表只读存储器。本公开一实施例中，数字控制振荡器(NCO)的基本功能包括：接收频率控制字K进行累加；以相位累加器的输出地址，对存有正(余)弦幅度值的存储器进行寻址；检查该地址上的数值并输出到数字混频器。输出的离散幅度编码即为NCO的输出结果。

数字混频器将NCO输出的信号与信号样本相乘，乘积样本再经低通滤波器后输出，完成数字下变频。

在本公开的一实施例中，选取一路数字下变频器203输出的信号作为参考信号，将其余的N-1路数字下变频器203输出的信号作为待补偿信号进行频偏补偿。在一个实施例中，可将第一路信号作为参考信号。

通道频偏补偿器204针对每路待补偿信号，获取所述待补偿信号与参考信号之间的相对频差，其中，所述参考信号为所述N路目标信号中的任一路信号，所述待补偿信号为所述N路目标信号中除所述参考信号之外的信号；以及，用于针对每路待补偿信号，根据所述待补偿信号与所述参考信号之间的相对频差，对所述待补偿信号进行频偏补偿。在本公开的实施例中，通道频偏补偿器利用预设频偏估计算法获取参考信号与每一待补偿信号间的相对频差，并将相对频差转化成频率控制字K，并反馈给对应的数字下变频器203。数字下变频器203根据反馈的频率控制字调节数字下变频的振荡频率，以实现对待补偿信号进行频偏补偿调整。

在本公开的实施例中，预设频偏估计算法可为Fitz频偏估计算法。首先，根据公式(1)计算出每路待补偿信号与参考信号间的相对频差。

其中，为相对频差，采样信号m为参考信号与待补偿信号共轭的复乘得到的信号。为采样信号的自相关函数，N为采样序列长度，T为采样周期。越长的采样序列对应着越好的估计效果，但较长的采样序列会增加估计时延和算法复杂度。

然后，将根据式(1)得到的相对频差通过公式(2)转换为对应的频率控制字K，以反馈给相应的数字下变频器203。

其中，M为数字下变频器的位宽，f_clk为数字下变频器的处理时钟，f_Fitz即为相对频差。

参见图3，其中，x_i(t)为待补偿信号，x_ref(t)为参考信号。参考信号与待补偿信号共轭的复乘得到的信号经频偏估计得到频率控制字K，以调节NCO的振荡频率。

数字下变频器203根据反馈的频率控制字K调节下变频的本地振荡频率，以实现频偏的补偿。由此，实现对N路阵元信号的频偏补偿。在本公开的实施例中，数字下变频器203可根据通道频偏补偿器204反馈的频率控制字动态的对数字下变频的振荡频率进行调节，例如，根据预设时间进行动态调节。例如，每隔预设时间即根据反馈的频率控制字进行数字下变频振荡频率的调整。

本公开实施例的频偏补偿系统，采用补偿通道间相对频偏的方式，调整各路通道的信号与参考信息之间的频差，可以在不影响DBF合成效果的同时降低实现难度；且采用通道频偏补偿器对多路信号进行频偏补偿，不需要中继星发射导频信号，减少了中继星的发射功耗，提升了频带利用率。

由于频偏补偿时，受信噪比、采样长度非理想等因素的影响，通道间可能会存在残余频差，在本公开的实施例中，通道频偏补偿器204还用于对进行了频偏补偿后的每路待补偿信号进行相位补偿，其通过自适应相位补偿算法补偿两信号间由微小频差引起的相位不一致。参见图3和图4为本公开实施例的自适应相位补偿算法的实现结构，该算法采用最小梯度法搜索最小值，通过循环以下三步估计两信号的相位差，实现相位补偿。

在步骤S41中，根据预设相差估计值，通过式(3)对待补偿信号进行相位差补偿。

其中，x_i(k)为待补偿信号，为预设相差估计值。

在步骤S42中，根据参考信号和经相位差补偿后的信号，获取误差。误差通过式(4)获取。

在步骤S43中，根据获取的误差，更新相差估计值。通过式(5)对相差估计值进行更新。

其中，梯度可以表示为为预设相差估计值，μ为步长因子，可用于调节算法的收敛速度。

由此，本公开实施例的频偏补偿方法可通过频偏补偿和相位补偿，实现待补偿信号与参考信号的频偏补偿，通过N-1个通道频偏补偿器，消除接收到的N路阵元信号间的相对频偏。

参见图5，本公开实施例的频偏补偿系统还包括：相位恢复模块205和相位延迟系数优化模块206。

相位恢复模块205，用于对所述参考信号，以及进行了频偏补偿和相位补偿后的待补偿信号进行相位恢复。

相位延迟系数优化模块206，用于根据相控阵天线导向矢量，获取接收到的所述N路阵元信号的每一路信号的初始相位延迟系数；获取经所述相位恢复模块恢复后的N路信号的波达方向；根据用户星的角度信息，获取估计方向和准确方向的平均误差；根据所述平均误差，更新相位延迟系数；根据更新的相位延迟系数调整所述相位恢复模块的相位恢复中的延迟时间。

由于自适应相位补偿算法会破坏N路信号之间的相位特性，在本公开的一实施例中的相位恢复模块205，采用LMS算法优化N路信号的相位差，以降低由通道频偏补偿器204带来的相位失真。参见图6为本公开一实施例的相位恢复模块的结构实现示意图，针对每一路信号，采用相应的相位延迟系数进行相位恢复。

相位延迟系数优化模块206根据相控阵天线导向矢量计算得到每一路信号的初始相位延迟系数。其中，式(6)所示为相控天线导向矢量，式(7)初始相位延迟系数。

其中，λ为波长，d为阵元间距。

计算相位恢复后输出的30路信号的波达方向其为M个用户星估计角度构成的向量，可采用适当的波达方向估计算法，如MUSIC算法。用户星的角度信息，可根据测控和星历文件得到。

根据用户星的角度信息计算估计方向和准确方向的平均误差以e(k)作为误差函数，采用图7所示的LMS算法流程更新相位延迟系数L，并据此调整相位恢复中N路信号的延迟时间。

相位延迟系数优化模块206检测误差函数e(k)与预设阈值的大小，当误差函数e(k)<ε时(ε为预设阈值)，即为系统允许的指向误差最小值(可在没有非一致频偏情况下获得)，此时说明频偏补偿及相位恢复效果能够满足系统需求，故停止更新相位恢复中相位延迟系数，同时保持通道频偏补偿器204输出的频率控制字K不变，系统进入稳定状态。当e(k)≥ε时，可重新调整相位延迟系数，以及频率控制字K。应理解，调整频率控制字K可通过调整采用系列的长度、采样周期等实现。

在本公开的实施例中，通过相位恢复模块205输出的信号即可进入地面终端站后级处理，完成数字波束形成、解扩和解调等。

本公开实施例的频偏补偿系统，通过频偏补偿器和相位恢复模块，其采用任一路信号作为参考信号，对其余通道进行频偏补偿，不仅能改善由相对运动和本振误差产生的N路信号频偏非一致性问题，消除DBF指向周期性漂移，还能均衡其余通道在传输过程中产生的信号畸变。同时通过观测估计方向和准确方向的误差，实时调整频偏补偿参数，使该补偿方法具有自适应性。

参见图8，本公开实施例的频偏补偿方法的流程示意图。该频偏补偿方法包括以下步骤：

在步骤S81中，对接收到的N路阵元信号进行预处理。

在步骤S82中，对N路经预处理后的阵元信号分别进行数字下变频处理，以获得N路目标信号。

在步骤S83中，针对每路待补偿信号，获取所述待补偿信号与参考信号之间的相对频差，其中，所述参考信号为所述N路目标信号中的任一路信号，所述待补偿信号为所述N路目标信号中除所述参考信号之外的信号。

在一个实施例中，获取所述待补偿信号与参考信号之间的相对频差为：

其中，为相对频差；m为通过所述参考信号与一待补偿信号共轭的复乘得到的采样信号；为所述采样信号的自相关函数，N为采样序列长度，T为采样周期。

在步骤S84中，针对每路待补偿信号，根据所述待补偿信号与所述参考信号之间的相对频差，对所述待补偿信号进行频偏补偿。将所述相对频差转换为频率控制字，频率控制字如下式所示：

其中，K为频率控制字，M为所述数字下变频器的位宽，f_clk为所述数字下变频器的处理时钟，f_Fitz为相对频差。

在一个实施例中，根据所述频率控制字控制相对应的数字下变频器的振荡频率，以对所述待补偿信号进行频偏补偿。

由于频偏补偿受信噪比、采样长度非理想等因素的影响，通道间可能会存在残余频差，在本公开的实施例中，频偏补偿方法还包括：

对进行了频偏补偿后的每路待补偿信号进行相位补偿。

在一个实施例中，对进行了频偏补偿后的每路待补偿信号进行相位补偿的步骤包括：

根据预设相差估计值，对每路待补偿信号进行相位差补偿；

根据所述参考信号和相位差补偿后的信号，获取误差；

根据获取的所述误差，对所述预设相差估计值进行更新。

在一个实施例中，本公开实施例的频偏补偿方法还包括：

对所述参考信号，以及进行了频偏补偿和相位补偿后的待补偿信号进行相位恢复。

在一个实施例中，本公开实施例的频偏补偿方法还包括：

根据相控阵天线导向矢量，获取接收到的所述N路阵元信号的每一路信号的初始相位延迟系数；

获取经所述相位恢复后的N路信号的波达方向；

根据用户星的角度信息，获取估计方向和准确方向的平均误差；

根据所述平均误差，更新相位延迟系数；

根据更新的相位延迟系数调整所述相位恢复中的延迟时间。

在一个实施例中，所述根据所述平均误差，更新相位延迟系数的步骤包括：

将所述平均误差与预设阈值进行比较；

当所述平均误差大于或等于所述预设阈值时，更新所述相位延迟系数。

基于指向误差的判决反馈方法使系统能动态的调整频偏补偿参数，改善多路信号间的相对频偏，从而消除DBF指向周期性漂移，提高星下DBF指向精度。

关于上述实施例中的方法，其中各个步骤执行操作的具体方式已经在有关该系统的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

本公开实施例的频偏补偿系统及方法，通过频偏补偿器和相位恢复模块，其采用任一路信号作为参考信号，对其余通道进行频偏补偿，可改善由相对运动和本振误差产生的N路信号频偏非一致性；采用通道频偏补偿器对多路信号进行频偏补偿，不需要中继星发射导频信号，减少了中继星的发射功耗，提升了频带利用率；通道频偏补偿器利用频偏估计算法和自适应相位补偿技术对通道频偏进行补偿，其中频偏估计算法能粗略估计出被补偿通道与参考通道间的相对频偏，自适应相位补偿技术则能消除残留频偏的影响，能有效降低通道间的相对频偏；采用补偿通道间相对频偏的方式，可以在不影响DBF合成效果的同时降低实现难度；基于指向误差的判决方法，实时估计波达方向与实际方向的误差，动态调整相位延迟系数，使系统具有自适应特性。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。