CN108988928A - 一种在频域进行双通道单脉冲角误差检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在频域进行双通道单脉冲角误差检测的方法，属于射频天线自跟踪的技术领域。本发明包括和信号与差信号接收通道的FFT处理、和差信号的相关、累加、FFT帧间的滤波、归一化等处理步骤，实现了高性能的单脉冲角误差的检测。本发明基于频域进行角误差的数字解调，具有可工作的信号种类多、响应速度快、集成化程度高、可工作信噪比低、延时校正方便、校相精度高等的优点，是对现有技术的一种重要改进。

Description

一种在频域进行双通道单脉冲角误差检测的方法

技术领域

本发明涉及射频天线自跟踪技术领域，尤其涉及卫星通信使用的抛物面多模馈源天线的单脉冲跟踪技术，特别是指一种在频域进行双通道单脉冲角误差检测的方法。

背景技术

在当前，大多数的单脉冲跟踪接收机采用单通道的角误差检测方法，例如，各种调制后的包络检测法或相关检测法等。但是，单通道造成了跟踪接收机需要在较高的信噪比下工作，有些单脉冲跟踪接收机采用双通道的基于时域角误差检测方法，而时域的角误差解调只能实现较低的延时校正精度与校相精度，对信号带宽与信号类型的适应性也不强。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种在频域进行双通道单脉冲角误差检测的方法，该方法能够在较低的信噪比下工作，可以方便地进行高精度的延时校正与相位校正，可以适应于各种带宽的连续信号，如：单频信号、各种带宽的调制信号，甚至是宽带的噪声信号(如太阳、射电星等信号源)；通过增加相应的功能模块，还可以适应于TDMA、跳频、脉冲调制等断续的信号。

基于上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种在频域进行双通道单脉冲角误差检测的方法，其应用于如下场景：

天线馈源产生的和信号与差信号分别经过相同的低噪声放大、模拟下变频、增益放大，然后和信号与差信号分别经过相同且同步的A/D变换、数字零中频的正交处理、采样率抽取变换，再分别进行相同的2^N点的加窗FFT处理；信号的有效带宽对应于FFT输出频点的区间[-m,m]，m为正整数；

包括以下步骤：

(1)对和信号FFT的输出有效区间内的所有点取复数共轭，和信号第n点的复数共轭与差信号FFT的输出有效区间内对应的第n点Δ_n进行复数相乘，得到相关频谱

(2)对信号有效带宽内的所有点的相关频谱进行的时延差校正，其中时延差为τ、FFT输出的相邻谱线的频率间隔为ω，e为自然常数，j为虚数单位；

(3)对时延校正后的有效带宽内所有的相关频谱进行累加，累加结果为

(4)对和信号FFT的输出进行有效带宽内所有频点的能量谱计算并累加，累加结果为

(5)对连续时间内不同的FFT帧计算出的能量谱累加与相关频谱累加分别进行帧间的滤波并降低采样率，分别得到采样率适合输出的和信号能量Σ与相关值Δ；

(6)计算帧间滤波结果的归一化值

(7)根据Σ计算出和信号的功率，根据计算出天线的角误差。

从上面的叙述可以看出，本发明的有益效果在于：

1、本发明能够实现频域的单脉冲数字解调，可以方便地完成通道的延时校正与相位校正。相对于传统的单脉冲时域解调的实现方案，本方法对信号带宽的适应性、校正参数的精度都有了较大的改善；

2、本发明使用了双通道解调模式，对累加后的结果再进行和差信号的归一化。相对于传统的单通道、时域解调的实现方案，本方法可以在更低的信号信噪比下工作(改善了6dB以上)；

3、本发明可以适应各种连续信号的单脉冲解调，如单频信号、各种带宽的调制信号，甚至是宽带信号中的一段频率内的信号、噪声信号等；通过增加相应的功能模块，还可以适应于TDMA、跳频、脉冲调制等断续的信号；

4、本发明可以采用高速FPGA(现场可编程门阵列)、DSP(数字信号处理)芯片或GPU(图形处理器)等高速数字芯片为硬件核心，以此原理制造的设备具有集成化程度高、体积小、结构简单、可靠性高、容易升级等优点。

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，下面将对实施例或现有技术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是本发明实施例中的双通道单脉冲跟踪接收机在频域进行角误差检测的原理框图；

图2是本发明实施例中的非单频的和信号与差信号分别经过2^N点FFT处理后的幅度频谱图；在图2中，非单频信号的3dB带宽对应FFT处理后的[-m，m]范围，第n点是[-m，m]范围内的任意一点，m和n均为正整数；当信号的带宽大于[-m，m]范围时，[-m，m]则取FFT处理数字可实现的不造成混叠的最大带宽；

图3是本发明实施例中的单频的和信号与差信号分别经过2^N点FFT处理后的幅度频谱图；在图3中，单频信号加汉宁(Hanning)窗并FFT处理后的主瓣内对应n-1、n、n+1等三点，第n点是幅度最大点，[-m，m]是FFT处理的不造成混叠的最大带宽。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的详细说明。

一种在频域进行双通道单脉冲角误差检测的方法，假定和信号处理通道与差信号处理通道的信号处理过程依次是：

1、接收的射频信号经过两路完全相同的低噪声放大、模拟下变频器后，转换接收信号的频率到合适的中心频率并调整到合适的幅度，假定模拟下变频器处理后的和信号与差信号分别为：

其中ω₁是和信号的中心频率，θ(·)为零均值的接收信号的相位函数，a(·)是接收信号的幅度包络函数，μ为当前的归一化差斜率，φ为天线偏开卫星轴向的角度，为合成误差角，γ为差信号相对于和信号的相位，τ是和差接收通道的延时差。

2.信号经过相同采样速率且同步的高速A/D转换为数字信号。

3.使用同步的数字下变频器将数字信号转换为零中频的复数信号。

4.两路复数信号经过同步的采样率抽取变换转换到合适的采样速率，假定经过上述处理后的和信号与差信号分别为：

其中，ω₀是和信号残留的足够小的中心频率，γ′为差信号相对于和信号的固定相位，e为自然常数(约等于2.71828)，j为虚数单位。

5.将复数信号经过同步的加窗函数处理后再进行2^N点的FFT(快速傅立叶变换)处理。

6.对两路FFT处理的结果再进行后续的单脉冲解调处理。根据频域变换的时移性质，和信号与差信号分别FFT处理后的信号带宽[-m，m]内任意的第n点频谱表达为：

其中，a_n为和信号FFT处理后的第n点频谱的幅度，θ_n为和信号FFT处理后的第n点频谱的相位，ω为和信号FFT处理后的相邻谱线的频率差，m为对应信号有效带宽(通常为3dB带宽)的FFT的频点，m与n均为正整数。

本方法针对于上述处理后的两个接收通道的信号，对它们进行单脉冲的角误差解调，如图1所示，本方法包括以下步骤：

(1)对和信号FFT的输出有效区间内的所有点取复数共轭，将和信号第n点的复数共轭与差信号FFT的输出有效区间内对应的第n点Δ_n进行复数相乘，得到相关频谱具体来说，分为以下情况：

(101)对于宽带信号，完成有效带宽内所有对应点的

根据公式(3)，如图2所示的和信号FFT处理后频谱图，信号带宽[-m，m]内任意的第n点频谱的共轭为因此和差相关频谱为：

(102)对于单频率的信号，依据所加窗函数的不同选取不同的点数，如汉宁窗取3个点，矩形窗取5或7个点。

如图3所示的单频率信号经过FFT处理后频谱图，和信号的第n点频谱对应最大幅度的频谱，在FFT处理前加汉宁窗时取n-1、n、n+1三点的频谱进行计算，其中n点可以选取位于FFT能够处理最大带宽[-m，m]内的任意一点。

(2)对信号带宽内的所有点的相关频谱进行的时延差校正，其中时延差为τ、FFT输出的相邻谱线的频率间隔为ω。

具体来说，分为以下情况：

(201)对于宽带信号的时延校正，可以选择在和信号FFT输出的有效区间内进行，其中的第n点乘以e^jnωτ；也可选择在差信号FFT输出的有效区间内进行，其中的第n点乘以e^-jnωτ；在时延较大时还可选择在时域配合频域进行。

必须进行时延校正的条件是信号满足即满足即可认为是宽带信号。

(202)对于单频信号或满足的窄带信号，可以不进行时延校正。

不进行时延校正的条件是即延时τ造成的影响足够小即可认为是窄带信号。

对于处于的信号，最好进行时延校正。

对于单频信号的时延可以通过校相消除，所以不需要进行时延校正。

(3)对时延校正后的有效带宽[-m，m]内所有的相关频谱进行复数累加，累加结果为

(4)对和信号FFT的输出进行有效带宽内所有频点的能量谱计算并累加，累加结果为

对有效带宽内频点n的能量谱进行计算，即将实部的平方与虚部的平方相加，得到由此，可得和信号频谱的能量累加为：

(5)对连续时间内不同的FFT帧计算出的能量谱累加与相关频谱累加分别进行帧间的滤波并降低采样率，分别得到采样率适合输出的和信号能量Σ与相关值Δ。

每一帧FFT得到一个直流形式的和信号能量值与相关值对于宽带信号的FFT帧速率可能高达1M次/秒，高的采样率包含的噪声带宽太宽，因此需要滤除噪声并将输出的采样率降低。可以使用最简单的平均降采样、级连的CIC(Cascaded integrator–comb，积分-梳状级联)降采样，或FIR(Finite Impulse Response，有限长单位冲激响应)降采样、半带滤波降采样、FORROW滤波降采样等等滤波降采样方式，经过FFT帧间输出值的滤波降采样后，可以滤除和信号能量与相关值中包含的噪声。

(6)计算帧间滤波结果的归一化值

归一化值的计算可以在FFT的帧间滤波前，也可以在FFT的帧间滤波后。对于信噪比较低的宽带信号，在FFT的帧间滤波后计算归一化值可以更好的滤除和信号能量中包含的噪声，从而降低输出误差信号的波动。

(7)根据Σ计算出和信号的功率，根据计算出天线的角误差。

公式(8)就是标准的复数形式的角误差，在数字处理中可以高精度的校正掉通道相移γ′，然后得到天线的角误差。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子。凡在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种在频域进行双通道单脉冲角误差检测的方法，其特征在于，应用于如下场景：

天线馈源产生的和信号与差信号分别经过相同的低噪声放大、模拟下变频、增益放大，然后和信号与差信号分别经过相同且同步的A/D变换、数字零中频的正交处理、采样率抽取变换，再分别进行相同的2^N点的加窗FFT处理；信号的有效带宽对应于FFT输出频点的区间〔-m,m〕，m为正整数；

包括以下步骤：

(1)对和信号FFT的输出有效区间内的所有点取复数共轭，和信号第n点的复数共轭与差信号FFT的输出有效区间内对应的第n点Δ_n进行复数相乘，得到相关频谱

(2)对信号有效带宽内的所有点的相关频谱进行的时延差校正，其中时延差为τ、FFT输出的相邻谱线的频率间隔为ω，e为自然常数，j为虚数单位；

(3)对时延校正后的有效带宽内所有的相关频谱进行累加，累加结果为

(4)对和信号FFT的输出进行有效带宽内所有频点的能量谱计算并累加，累加结果为

(5)对连续时间内不同的FFT帧计算出的能量谱累加与相关频谱累加分别进行帧间的滤波并降低采样率，分别得到采样率适合输出的和信号能量Σ与相关值Δ；

(6)计算帧间滤波结果的归一化值

(7)根据Σ计算出和信号的功率，根据计算出天线的角误差。