群时延失真的修正方法及其装置与流程

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种群时延滤波器失真的修正方法及其装置。

背景技术：

宽带卫星通信系统的高速数据传输达到了几百Mbit/s，在高速数据传输的过程中，群时延(系统在某频率处的相位对于频率的变化率)在宽带卫星通信的通道(以下简称信道)中的传播会影响宽带卫星通信的传输，例如，若群时延波动过大，会使传输信号产生畸变，进一步地，以数字信号为例，由于数字信号相邻码元之间不同频率分量之间的时延不同，导致接收信号会在相邻码元之间产生串扰，增加误码率。群时延的理想状态为一条水平直线，其值理想状态下为一个常数。

目前，对于群时延造成的传输的高速数据的失真(以下简称群时延失真)可通过群时延滤波器进行调整。高速数据通过群时延滤波器后允许有一定的时域延时，但不希望产生在频域上产生波形的失真。为了保持波形，可在群时延滤波器中添加时延均衡器。时延均衡器虽然能够使群时延波动相对变小，但是时延均衡器的参数是固定的,只能被动地相对减小群时延波动，对于波动较大的波形则效果不显著。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种群时延失真的修正方法及其装置，用于有效地缩短群时延波动范围。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一方面提供一种群时延失真的修正方法，该群时延失真的修正方法包括：

步骤一、接收训练序列h’。

步骤二、对接收到的训练序列h’进行计算，得到群时延的频率特性grf_f。

步骤三、对频率特性grf_f进行计算，得到群时延系数grpts_est。

步骤四、对群时延系数grpts_est进行逆函数计算，得到修正后的群时延系数grpts_est_INV。

步骤五、根据修正后的群时延系数Grpts_est_INV对输入信号进行卷积，完成群时延失真的修正。

本发明的第一方面的有益效果如下：根据群时延失真的修正方法，通过训练序列h’得到所有需要频率点的群时延信息，与现有技术中通过单个频率点扫描相比，一次训练就可得到训练序列h’，操作简单快捷，并且节省资源。接着，将收集到训练序列h’，经过三步计算，即可得到修正后的群时延系数。另外，该群时延失真的修正方法可周期性的修正群时延系数，通过不断修正最佳值，将群时延限制在一定范围内，进一步地，可将群时延波动范围控制在0.5ns。

群时延失真的修正方法还包括：在步骤一之前，对原始训练序列h进行信号转换生成训练序列h’。

对原始训练序列h进行信号转换生成训练序列h’包括：采集原始训练序列h；将采集到的原始训练序列h进行数模转换，转换成模拟信号；将转换成模拟信号的原始训练序列h依次进行射频转换和信号放大；将经过射频转换和信号放大后的原始训练序列h进行模数转换，生成训练序列h’。

原始训练序列h和训练序列h均为数字信号，该数字信号包括：多音信号、时域脉冲信号、以及经过逆傅里叶变换之后的信号。

步骤二包括，根据频率相除法对接收到的训练序列h’进行计算，得到频率特性grf_f；频率相除法的计算公式为其中，DFT为离散傅里叶变换，n为测试点，n的取值范围为1至N的正整数，h’为训练序列。

步骤二包括，根据相位相关法对接收到的训练序列h’进行计算，得到频率特性grf_f；相位相关法包括：

S21、根据群时延测试公式得到群时延有效测试值

S22、对N-1个测试点的群时延有效测试值进行频域平滑，

S23、根据信道内的带宽BW以及有效相位测试点的个数N，计算有效相位测试点之间的间距，有效相位测试点之间的间距bw＝BW/(N-1)。

S24、设参考相位点为根据参考相位点运用参考相位平均微分法，计算出参考相位点的群时延测试值参考相位点的群时延测试值为

S25、根据以下公式计算频率特性grf_f，

上述公式中，群时延的孔径Δω＝BW/(N-1)；BW为信道带宽，用Hz表示；i为信道带宽BW内有效相位测试点，i的取值范围为1到N的正整数；参考相位点的取值范围为2到N-1的正整数；为相位移；ω为群时延的角频率。

步骤三包括，根据公式grpts_est＝IFFT(H(ω))＝IFFT(H(ω)|·exp(jθ))对频率特性grf_f进行计算，得到群时延系数grpts_est；其中，|H(ω)|为快速傅里叶变换后的幅频特性的值，θ为群时延滤波器系数的相位信息，ω为角频率，j为虚部表示符号，IFFT为逆傅里叶变换。

步骤四包括，根据系数倒序法对对群时延系数grpts_est进行逆函数计算，得到修正后的群时延系数grpts_est_INV；系数倒序法的计算公式为grpts_est_INV＝grpts_est(end:-1:1)。

本发明的第二方面提供一种群时延失真的修正装置，该群时延失真的修正装置用于对群时延失真的修正，群时延失真的修正装置适用通过上述本发明的第一方面所述的群时延失真的修正方法计算得到的修正后的群时延系数。群时延失真的修正装置包括：

接收模块，用于接收训练序列h’；与接收模块相连的频率特性计算模块，用于对接收到的训练序列h’进行计算，得到群时延的频率特性grf_f；与频率特性计算模块相连的群时延系数计算模块，用于对频率特性grf_f进行计算，得到群时延系数grpts_est；与群时延系数计算模块相连的逆函数计算模块，用于对群时延系数grpts_est进行逆函数计算，得到修正后的群时延系数grpts_est_INV，其中，逆函数计算模块通过高速群时延滤波模块与数模转换模块相连。

该群时延失真的修正装置还包括：

采集模块，用于采集原始训练序列h；与采集模块相连的数模转换模块，用于将采集到的原始训练序列h进行数模转换，转换成模拟信号；与数模转换模块相连的射频转换模块，用于将转换成模拟信号的原始训练序列h进行射频转换，转换成射频信号；与射频转换模块相连的功率放大模块，用于将转换成射频信号的原始训练序列h进行信号放大；与功率放大模块相连的射频转换接收模块，用于接收信号放大后的原始训练序列h；与射频转换接收模块相连的模数转换模块，用于将经过射频转换和信号放大后的原始训练序列h转换成训练序列h’，其中，模数转换模块还与接收计算模块相连。

根据本发明的第二方面所述的群时延失真的修正装置，可得到修正后的群时延系数，操作简单，实时性强，该群时延失真的修正装置可周期性的修正群时延系数，通过不断修正最佳值，将群时延限制在一定范围内，进一步地，可将群时延波动范围控制在0.5ns。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的群时延-频率曲线图；

图2为本发明实施例中群时延失真的修正方法流程图；

图3为本发明实施例中群时延失真的修正装置示意图；

图4为本发明实施例中修正后的群时延系数波动图；

图5为本发明实施例中群时延-载波信号频率曲线图一；

图6为本发明实施例中群时延-载波信号频率曲线图二；

图7为本发明实施例中群时延-载波信号频率曲线图三；

图8为本发明实施例中群时延-载波信号频率曲线图四；

图9为本发明实施例中群时延-载波信号频率曲线图五；

图10为本发明实施例中群时延-载波信号频率曲线图六。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了本领域技术人员更好的理解“群时延”，以举例的方式给出群时延的定义：

宽带卫星通信系统中电离层的充电粒子的减缓了无线电信号在信道中的传播，超过自由空间传播时间的时间延迟可称为群时延，通常以t表示。当频率不同时，时延不同，此时一群频率的延时就是群时延。在MSS系统中，它是必须考虑的重要因素。现有技术中可通过以下公式计算群时延的数量：t＝1.345N_T/f₂×10^-7，其中，t表示与真空中传播相比的时延，单位为s；f表示频率，单位为Hz；N_T表示总电子含量(以下简称TEC)，单位为e/m²，TEC可由倾斜的传播路径决定。

示例性地，当TEC在10¹⁶～10¹⁹e/m²区间变化时，在1600MHz频带附近，信号的群时延大概在0.5ns到500ns区间变化。

示例性地，如图1所示，当TEC在10¹⁷e/m²，频带在1.6GHz～1.8GHz时，群时延随着频率的增大而减小。

实施例一

本实施例提供一种群时延失真的修正方法，如图2所示，该群时延失真的修正方法包括：

步骤一、接收训练序列h’。

步骤二、对接收到的训练序列h’进行计算，得到群时延的频率特性grf_f。

步骤三、对频率特性grf_f进行计算，得到群时延系数grpts_est。

步骤四、对群时延系数grpts_est进行逆函数计算，得到修正后的群时延系数grpts_est_INV。

步骤五、根据修正后的群时延系数Grpts_est_INV对输入信号进行卷积，完成群时延失真的修正。

示例性地，输入信号可为用户的业务数据信号。

根据群时延失真的修正方法，通过训练序列h’得到所有需要频率点的群时延信息，与现有技术中通过单个频率点扫描相比，一次训练就可得到训练序列h’，操作简单快捷，并且节省资源。接着，将收集到训练序列h’，经过三步计算，即可得到修正后的群时延系数。另外，该群时延失真的修正方法可周期性的修正群时延系数，通过不断修正最佳值，将群时延限制在一定范围内，进一步地，可将群时延波动范围控制在0.5ns。

群时延失真的修正方法还包括：在步骤一之前，对原始训练序列h进行信号转换生成训练序列h’。

进一步地，对原始训练序列h进行信号转换生成训练序列h’包括：

采集原始训练序列h；

将采集到的原始训练序列h进行数模转换，转换成模拟信号；

将转换成模拟信号的原始训练序列h依次进行射频转换和信号放大；

将经过射频转换和信号放大后的原始训练序列h进行模数转换，生成训练序列h’。

另外，本实施例中涉及到的原始训练序列h和训练序列h均为数字信号，示例性地，该数字信号可包括：多音信号、时域脉冲信号、以及经过逆傅里叶变换之后的信号。

值得一提的是，本实施例中的原始训练序列h是群时延时域上的一个脉冲，可以发送时域脉冲信号，其代表的频率为全通带。

为了得到频率特性grf_f，示例性地，可通过如下两种方式：

第一种方式，步骤二包括，根据频率相除法对接收到的训练序列h’进行计算，得到频率特性grf_f；频率相除法的计算公式为其中，DFT为离散傅里叶变换，n为测试点，n的取值范围为1至N的正整数，h’为训练序列。

第二种方式步骤二包括，根据相位相关法对接收到的训练序列h’进行计算，得到频率特性grf_f。

利用该相位相关法计算得到频率特性grf_f的步骤包括：

S21、根据群时延测试公式得到群时延有效测试值

S22、对N-1个测试点的群时延有效测试值进行频域平滑，

S23、根据信道内的带宽BW以及有效相位测试点的个数N，计算有效相位测试点之间的间距，有效相位测试点之间的间距bw＝BW/(N-1)。

S24、设参考相位点为根据参考相位点运用参考相位平均微分法，计算出参考相位点的群时延测试值参考相位点的群时延测试值为

S25、根据以下公式计算频率特性grf_f，频率特性

上述公式中，群时延的孔径Δω＝BW/(N-1)；BW为信道带宽，用Hz表示；i为信道带宽BW内有效相位测试点，i的取值范围为1到N的正整数；参考相位点的取值范围为2到N-1的正整数；为相位移；ω为群时延的角频率。

步骤三包括，根据公式grpts_est＝IFFT(H(ω))＝IFFT(H(ω)|·exp(jθ))对频率特性grf_f进行计算，得到群时延系数grpts_est；其中，|H(ω)|为快速傅里叶变换后的幅频特性的值，θ为群时延滤波器系数的相位信息，ω为角频率，j为虚部表示符号，IFFT为逆傅里叶变换。

进一步地，为了更好的理解群时延系数的计算过程，下面将对群时延系数的计算过程做详细的描述：

首先，对幅频特性|H(ω)|以及相频特性θ(ω)分别进行快速傅里叶变换变换，具体如下：

对幅频特性进行快速傅里叶变换包括：使用公式对幅频特性进行快速傅里叶变换，其中，|H(ω)|为快速傅里叶变换后的幅频特性的值，n的取值范围为1至N的正整数，N为快速傅里叶变换的长度，τ_S为群时延在各个频率点的时延值。

对相频特性进行快速傅里叶变换包括：使用公式对相频特性进行快速傅里叶变换，其中，θ(ω)为快速傅里叶变换后的相频特性的值，n的取值范围为1至N的正整数，N为快速傅里叶变换的长度，τ_S为群时延在各个频率点的时延值。

更进一步地，根据计算得到的幅频特性的值以及相频特性的值，得出群时延系数。

步骤四包括，根据系数倒序法对对群时延系数grpts_est进行逆函数计算，得到修正后的群时延系数grpts_est_INV；系数倒序法的计算公式为grpts_est_INV＝grpts_est(end:-1:1)。

实施例二

本实施例提供一种群时延失真的修正装置，如图3所示，该群时延失真的修正装置用于对群时延失真的修正，群时延失真的修正装置适用上述实施例一中通过群时延失真的修正方法计算得到的修正后的群时延系数。群时延失真的修正装置包括：

接收模块7，用于接收训练序列h’。

与接收模块7相连的频率特性计算模块8，用于对接收到的训练序列h’进行计算，得到群时延的频率特性grf_f。

与频率特性计算模块8相连的群时延系数计算模块9，用于对频率特性grf_f进行计算，得到群时延系数grpts_est。

与群时延系数计算模块9相连的逆函数计算模块10，用于对群时延系数grpts_est进行逆函数计算，得到修正后的群时延系数grpts_est_INV，其中，逆函数计算模块10通过高速群时延滤波模块11与数模转换模块2相连。

继续参见图3，该群时延失真的修正装置还包括：

采集模块1，用于采集原始训练序列h。

与采集模块1相连的数模转换模块2，用于将采集到的原始训练序列h进行数模转换，转换成模拟信号。

与数模转换模块2相连的射频转换模块3，用于将转换成模拟信号的原始训练序列h进行射频转换，转换成射频信号。

与射频转换模块3相连的功率放大模块4，用于将转换成射频信号的原始训练序列h进行信号放大。

与功率放大模块4相连的射频转换接收模块5，用于接收信号放大后的原始训练序列h。

与射频转换接收模块3相连的模数转换模块6，与射频转换接收模块相连的模数转换模块，用于将经过射频转换和信号放大后的原始训练序列h转换成训练序列h’，其中，模数转换模块还与接收计算模块相连。

需要说明的是，上述各模块具体执行其功能的方式参见实施例一即可，此处不再进行赘述。

根据本实施例中的群时延失真的修正装置，可得到修正后的群时延系数，操作简单，实时性强，该群时延失真的修正装置可周期性的修正群时延系数，通过不断修正最佳值，将群时延限制在一定范围内，进一步地，可将群时延波动范围控制在0.5ns。

实施例三

为了更好的阐述上述实施例一的群时延失真的修正方法以及实施例二中群时延失真的修正装置，本实施例提供一种验证方法，下面对验证方法进行详细的描述：

本实施例中采用MATLAB进行验证，首先对信道中的群时延进行模拟，在信道中设置参数如下：

开始参数为：frf＝1.6*10⁹；1.6GHz。

扫描带宽参数为：BW＝200*10⁶；200MHz。

扫频间隔参数为：detf＝1*10⁶；1MHz。

带宽参数为：f＝[frf+(detf:detf:bw)]；160MHz，精度为1MHz，扫频为200MHz。

其中，Nt＝[10¹⁷]，表示总电子含量(TEC，m^-2)。垂直柱状体的TEC在10¹⁶到10¹⁸el/m²的范围内变化；群时延的单位是秒(s)，本实施例用用纳秒(ns)表示；tao_freq＝1.345*Nt/f²*10^-7；tao_ns＝tao.*10^-9。

接着，设置训练序列h，训练序列h是群时延时域上的一个脉冲，可以发送时域脉冲信号，代表的频率为全通带。如图4所示，全通道(信道)信号中，不同频率点之间波动限制在0.002DBC之间。进一步地，从图4可知，根据群时延失真的修正方法对群时延失真进行修正后，群时延从原来的+-4ns，限制到+-0.15ns，提高了约27倍。

参见图5，可从中直观的得出，通过MATLAB仿真计算得到的群时延(仿真设置频率下的群时延)与通过群时延失真的修正方法得到的群时延(采集反馈信号h分析得到的群时延)，彼此重叠在一起，说明利用上述群时延失真的修正方法得到的修正后的群时延系数是真实有效的。

进一步地，对上述图5做进一步地放大得到图6，如图6所示，利用群时延失真的修正方法得到的修正后的群时延系数的波动较小。

上述图5以及图6中采集反馈信号h即为本实施例中所述的训练序列h’。

参见图7，利用群时延失真的修正方法得到的修正后的群时延系数，与不经过修正的群时延系数的对比图，从图7中可直观的得知，修正后的群时延系数接近一条笔直的横线，上下波动范围在0.2ns，而不经过修正的群时延系数(修正前的群时延)是一条斜率较大的线，这样的斜线，容易造成较大的误码率。

本发明中提供的群时延失真的修正方法，不仅适用于波形较为平整群时延信号，也适用波形较复杂的群时延信号，如图8所示，选取任意波形的群时延信号，从而利用MATLAB模拟计算得到的群时延系数(仿真设置频率下的群时延)与利用群时延失真的修正方法计算得到的修正后的群时延系数，彼此重叠，说明群时延失真的修正方法同样适用于任意波形。

需要说明的是，图8中的采集反馈信号h即为本实施例中所述的训练序列h’。

参见图9，对任意波形的群时延信号，利用群时延失真的修正方法得到的修正后的群时延系数(修正后的群时延)为一条比较平直的水平线。而没有经过修正的群时延系数(修正前的群时延)斜率较大，且波动较大，这样的曲线会使信道中传输信号失真，增大误码率。

进一步地，对图9进行放大得到图10，从图10中可直接看出，利用群时延失真的修正方法修正的群时延系数(修正后的群时延)波动在0.02ns之间，约为一条直线。而没有修正的群时延系数(修正前的群时延)波动范围很大，呈现出两条竖直线，说明误码率大。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。