多路宽带接收信号射频采样下的时延调整方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及相控阵数字多波束形成与深空天线组阵系统中多路宽带接收信号在射频采样下的时延调整方法。
【背景技术】
[0002]在通常的相控阵数字多波束形成系统中，天线阵元接收卫星或飞行器所发射的信号为窄带信号；系统中进行接收波束形成时采用的天线阵元数量少，整个阵列分布的空间尺度也较小，接收信号到达各个阵元的时延差异不大。这种情况下，归一化时延差(时延差除以基带符号周期)较小，因此由时延差引起的各路窄带信号中基带波形差异可以忽略，各阵元接收信号的差异主要体现在载波相位上。所以大部分相控阵接收多波束形成算法可以只基于接收信号的载波相位进行校正合成。但是在大规模宽带数字相控阵多波束形成系统中，不仅合成信号的带宽较大，而且整个阵列的空间尺度较大，阵元数目可以多达几万个。卫星或飞行器发射的宽带信号到达阵元的时延差较大，不仅影响各给阵元接收信号载波相位差，而且由于归一化时延差较大导致时延差对宽带信号基带波形影响不能忽略。此时如果仅对将接收信号的载波相位进行校正而不对齐各路信号基带波形是无法精确实现接收信号波束形成。此外从节约系统资源角度考虑，基带信号部分的采样率不会很高。如果只在基带部分进行时延调整，时间分辨率不够，需要设计相应的高精度基带波形对齐方式。
[0003]在宽带天线组阵系统中同样存在多路宽带信号基带波形大范围与高精度时延差调整问题。宽带天线组阵系统中各个天线独立部署于不同的位置处，如平方公里阵就是多达几十个抛物面天线独立安装在一平方公里的地面上，天线间距离多达千米以上。卫星或飞行器信号到达各天线的时延差要比相控阵系统大得多。天线组阵信号处理技术需要实现多路基带信号波形时间对齐，才能提高多天线接收的宽带信号在合成后的信号信噪比。因此，大范围与高精度时延调整是相控阵数字多波束形成系统和天线组阵系统要完成宽带信号接收波形合成的关键技术手段。
[0004]目前针对相控阵数字多波束形成系统和宽带天线组阵系统中的宽带信号时延对齐问题，一种途径是使用分数时延的Farrow滤器。分数时延Farrow滤器是基于重采样理论的内插滤波器，需要在现场可编程阵列FPGA器件中使用若干个乘法器及一些逻辑单元来实现。在大规模相控阵系统和天线组阵系统中，由于阵元数目和天线数目的增多，使用Farrow内插滤波器需要大量的FPGA乘法器资源。目前虽然随着集成电路的工艺技术进步，FPGA器件集成度越来越高，但乘法器资源也是有限的，而且乘法器在运算中消耗功率也比较大。
[0005]射频采样是软件无线电的一项核心技术。随着模数转换(ADC)器件的发展，作为ADC的主要指标的采样率越来越高。目前ADC器件的采样率已经可以达到每秒上千兆样点(kMsps)甚至每秒几十吉样点(Gsps)。随着ADC采样率的提高，一方面可以适应越来越的信号带宽，另一方面使得射频采样得以实现。在射频采样技术出现以前，卫星信号的接收通常需要经过信道链路的多次变频，将卫星射频信号变频至合适的中频，然后使用低采样率的ADC进行低通或带通采样。信道链路多次变频需要使用复杂的模拟信号处理电路，如模拟混频电路、模拟滤波电路、模拟增益补偿电路等。这些模拟信号处理电路不仅在复杂性和稳定性方面上对系统提出了较高要求，而且电路成本在系统成本中占大部分比重。
【发明内容】
[0006]本发明目的是针对上述大规模宽带数字相控阵多波束形成和大规模宽带天线组阵系统存在不足之处，提供一种结构简单，资源耗费少，节约电路运行功耗，无需使用FPGA中宝贵乘法器资源就可以解决大时延条件下宽带信号基带波形的高精度时间对齐问题，基于射频采样的高精度和大范围时延调整方法。
[0007]本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种多路宽带接收信号时延的调整方法，其特征在于包括如下步骤:在宽带信号射频采样时延电路中，将来自天线的射频输入信号和射频采样时钟的时延差分解为粗细两级，分别对数字下变频后的基带信号与模数转换AD采样信号实施粗细时延差调整；先将来自天线或阵元1、阵元2的射频输入信号X1 (t) ,X2 (t)和射频采样时钟Clk_R通过模数转换器ADC进行模数转换，再把输出的射频采样信号X1 (η) Nχ2(η)送入现场可编程阵列FPGA中的串并行转换ISerdes模块，两个ISerdes模块分别将射频采样率为&的高速率串行的射频采样信号X Jn)和X2(η)转换成D路并行的基带采样率为fs= f r/D的低速率数字信号χ1ρ (η)、χ2ρ (η);设置在FPGA中的精时延调整模块采用三级并行缓冲寄存器，使用基带采样率为fs的时钟Clk_div依次对上述D路并行数字信号延迟，从三级并行缓冲寄存器中输出按fR速率采样得到的信号序列的3*D个数据；在两路3*D个数据中分别选择第MpM2A数据，按顺序对低速率数字信号X 1ρ (η)、χ2ρ (η)进行精时延，得到相对于Xip (η)、χ2ρ(η)分别延迟了 Mp M2个射频采样时钟周期T R= 1/f R的D路并行数据ylp(n)、y2p(n);再用两个多相下变频滤波抽取模块分别对输入的D路并行数据ylp(n)、y2p(n)进行多相滤波求和，将两路并行数据变为基带采样率为fs的数字信号Z1OihZ2 (η);最后通过两个粗时延调整模块分别对Z1OihZ2 (η)延时NpN/h基带采样时钟周期Ts，输出第一、第二天线或阵元经过延时调整后的信号S1 (η)和&(11);时延估计模块对输入的S1 (n) ,S2 (η)进行信号相关，求出的天线或阵元I和2之间的时延差τ，经时延分解模块分解成控制两个粗时延调整模块调整粗时延周期Ts的个数N n N2,以及控制精时延调整模块调整精时延周期Tr的个数M 1、M2，通过调整补偿上述多个天线或阵元接收的宽带信号的时延差，使多路宽带接收信号基带波形在时域对齐；经过精时延、粗时延调整后的信号S1 (n)、S2 (η)送后继信号处理模块继续处理，其中，D、M0M2, Nn N2为自然数。
[0008]本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
[0009]本发明将来自天线的射频输入信号的时延差分解为粗细两级，分别对数字下变频后的基带信号与AD采样信号实施粗细时延差调整。无需使用FPGA中宝贵的乘法器资源就可以解决大时延条件下宽带信号基带波形的高精度时间对齐问题，从而实现宽带接收信号波束形成与合成。
[0010]本发明采用采样率高达上Gsps的ADC器件射频采样，充分利用射频采样的高时间分辨率对模拟信号采样的时间分辨率达纳秒(ns)甚至更高量级，可以实现高精度的时延调整。
[0011]本发明将时延差分解为粗细两级，分别对数字下变频后的基带信号与AD采样信号实施粗细时延差调整，达到了纳秒级时延调整精度及微秒级时延调整范围。通过粗时延调整模块和细时延调整模块对多路宽带接收信号时延进行调整，补偿多个接收相控阵阵元或天线上信号时延差，使多路宽带接收信号基带波形时域对齐，提高了多阵元与多天线宽带信号合成后的信噪比。
[0012]本发明采用两路ISerdes模块分别将ADC输入采样率为fR的高速率串行数字信号转换成D路并行采样率为匕的低速率数字信号X lp(n) ,x2p (η);并行低速率数字信号仍然保留了高的时间分辨率，通过简单的并行信号缓冲和抽头选择，实现了射频采样周期量级的精时延调整，并结合在低采样率下的缓冲时延实现信号的大时延调整。
[0013]本发明采用三级并行缓冲寄存器，使用基带采样率为fs时钟依次将D路并行数字信号延迟，从三级输出的3*D个数据中按fR速率采样得到的信号序列；使用FPGA中的延时控制选择模块从三级输出的3*D个数据中选择D个数据对