一種陣列天線逐通道相關(guān)在線標(biāo)校法

劉漢超 梁昊

(1 北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心，北京 100094)(2 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230026)

一種陣列天線逐通道相關(guān)在線標(biāo)校法

劉漢超1,2梁昊2

(1 北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心，北京 100094)(2 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230026)

由于發(fā)送端和接收端時(shí)鐘的不一致性，導(dǎo)致低信噪比下陣列天線衛(wèi)星移動(dòng)通信的逐通道相關(guān)標(biāo)校有很大的難度。在考慮易實(shí)現(xiàn)性和簡(jiǎn)易性基礎(chǔ)上，提出了一種可以解決低信噪比下通道校正的多周期長(zhǎng)時(shí)累積方法。該校準(zhǔn)信號(hào)為由地面標(biāo)校站產(chǎn)生的BPSK調(diào)制擴(kuò)頻信號(hào)，可以減少衛(wèi)星設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，且在不中斷用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)上實(shí)現(xiàn)在線標(biāo)校。該方法通過(guò)對(duì)接收信號(hào)打標(biāo)、速率匹配等措施來(lái)解決收發(fā)時(shí)鐘不一致導(dǎo)致的碼偏和頻偏問(wèn)題。研究結(jié)果可以為陣列天線衛(wèi)星通信技術(shù)提供支持。

陣列信號(hào)；標(biāo)校；頻偏；碼偏；多周期累積

1 引言

陣列天線衛(wèi)星通信技術(shù)是近年來(lái)智能天線應(yīng)用到通信領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，對(duì)陣列信號(hào)的研究極大地豐富了衛(wèi)星通信的多樣性和領(lǐng)先性。對(duì)于陣列天線衛(wèi)星通信的返向信號(hào)流來(lái)說(shuō)，波束合成是其實(shí)現(xiàn)通信的前提。隨著近年來(lái)集成芯片的快速發(fā)展及其計(jì)算能力的顯著提高，波束合成多在數(shù)字上實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，絕大多數(shù)數(shù)字波束合成算法是在陣列信號(hào)沒(méi)有通道間幅度差、時(shí)延差、相位差的基礎(chǔ)上才能正常工作的，為了保證合成的有效性和合成增益的最優(yōu)化，陣列天線信號(hào)的返向標(biāo)校研究成為智能天線的一個(gè)重要部分[1-2]，但陣列天線通道的不一致性原因是很多的，陣元間的互耦、制作工藝上影響到的陣元位置誤差、多徑等都會(huì)對(duì)通道一致性產(chǎn)生影響[3-4]。文獻(xiàn)[5]結(jié)合模擬退火算法，提出了一種估計(jì)陣元間互耦系數(shù)的方法，應(yīng)用在雷達(dá)中，該標(biāo)校信號(hào)源不止一個(gè)，且未考慮影響陣列不一致性的其他因素，因此在通信系統(tǒng)中不適用。文獻(xiàn)[6]提出了一種內(nèi)置信號(hào)源注入校正的方法，在返向校正中，使用導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行通道一致性校正，但是導(dǎo)頻信號(hào)與期望信號(hào)使用的是同一個(gè)信道進(jìn)行傳輸，不能節(jié)約信號(hào)帶寬，對(duì)期望信號(hào)質(zhì)量也有一定的影響，且對(duì)標(biāo)校時(shí)間的限制很大。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信道零值標(biāo)校方法，并達(dá)到了亞納秒的時(shí)延精度量級(jí)。由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)架構(gòu)不同于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在對(duì)時(shí)延精度要求沒(méi)那么嚴(yán)格的前提下，還需要對(duì)幅度和相位進(jìn)行補(bǔ)償。

本文通過(guò)對(duì)陣列信號(hào)返向標(biāo)校技術(shù)的深入研究，提出了逐通道相關(guān)標(biāo)校法，采用地面標(biāo)校站發(fā)送標(biāo)校信號(hào)，由衛(wèi)星上的陣列單元透明轉(zhuǎn)發(fā)，在地面基帶上進(jìn)行標(biāo)校信號(hào)處理。通過(guò)該種方法，考慮了大部分對(duì)通道不一致性有影響的因素，并且減少了衛(wèi)星的冗余設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)期望用戶信號(hào)質(zhì)量的影響減小。首先探討了逐通道標(biāo)校法的原理，然后對(duì)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行考慮，并提出解決辦法，最后通過(guò)Matlab仿真工具在低信噪比前提下，對(duì)不一致的通道情況進(jìn)行校準(zhǔn)。

2 逐通道相關(guān)標(biāo)校法原理

逐通道相關(guān)標(biāo)校法是利用地面標(biāo)校站發(fā)送無(wú)信息的BPSK擴(kuò)頻信號(hào)，星上若干路天線單元接收，并透明轉(zhuǎn)發(fā)給地面站，地面站標(biāo)校單元在數(shù)字域上對(duì)本地產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼信號(hào)與接收的若干路信號(hào)逐一相關(guān)，根據(jù)相關(guān)峰的大小、相位、位置來(lái)確定各路通道的幅度、相位和時(shí)延的不一致性。下面首先對(duì)單個(gè)通道的情況進(jìn)行理論分析,由于逐通道相關(guān)采用的是BPSK調(diào)制的擴(kuò)頻信號(hào)，設(shè)校正站發(fā)射信號(hào)的PN碼的形式為

(1)

根據(jù)BPSK調(diào)制的特點(diǎn)：載波受數(shù)據(jù)的控制發(fā)生瞬間的π相位跳變，發(fā)射信號(hào)在脈沖成型前可以表示為

(2)

設(shè)g(t)為脈沖成型濾波器沖擊響應(yīng)函數(shù)，則標(biāo)校站的發(fā)射信號(hào)可以表示為

(3)

接收信號(hào)為

(4)

式中Ai為第i個(gè)通道的通道增益；n(t)為噪聲?？紤]到發(fā)射端和接收端的載波相位不同步的問(wèn)題，則有

Ai((sI(t-τ)+nI(t))cosφi-nQ(t)sinφi)+j·Ai((sI(t-τ)+nI(t))sinφi+nQ(t)cosφi)

(5)

將I、Q通道分開(kāi)表示成如下格式：

(6)

(7)

有sI(t)=a(t)·g(t)，則

(8)

(9)

(10)

式中τ為估計(jì)值；φi可看作常數(shù)。在設(shè)計(jì)中，為了消除φi對(duì)系統(tǒng)運(yùn)算的影響，數(shù)字匹配濾波器(DMF)的輸出為

(11)

依據(jù)上述理論分析，首先對(duì)單個(gè)通道標(biāo)校實(shí)現(xiàn)的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，單個(gè)通道標(biāo)校實(shí)現(xiàn)的原理框圖如圖1所示。多周期累積后的I路和Q路相關(guān)峰送回計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行取模運(yùn)算，最大值對(duì)應(yīng)的相位就視為該通道相位。接著對(duì)相關(guān)峰模值進(jìn)行插值處理，尋找插值后最大相關(guān)峰位置，該最大值所對(duì)應(yīng)的碼偏乘以碼片長(zhǎng)度就得到該通道時(shí)延，對(duì)應(yīng)的模值為通道幅度。

圖1 單通道標(biāo)校處理的實(shí)現(xiàn)框圖

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

根據(jù)第2節(jié)給出的單通道標(biāo)校處理的原理框圖可以看出，在實(shí)現(xiàn)中，對(duì)于接收端來(lái)說(shuō)，首先要使用發(fā)送端同樣的成型濾波方式進(jìn)行濾波，濾波處理后的信號(hào)與本地PN碼一同送入相關(guān)器(DMF)模塊，得到I、Q路相關(guān)峰值后進(jìn)行多周期相干累積，累積之后還要去除波程差的影響，最后進(jìn)入計(jì)算模塊進(jìn)行時(shí)延、幅度、相位的估計(jì)。在接收端有3個(gè)關(guān)鍵模塊，分別是在低信噪比下多周期長(zhǎng)時(shí)累積、去除波程差及平滑處理。下面將分別對(duì)3個(gè)關(guān)鍵模塊進(jìn)行分析。

3.1 多周期累積

對(duì)于在低信噪比下的通信來(lái)說(shuō)，采用多周期累積的方式能夠累積足夠的信號(hào)能量，解決信號(hào)信噪比低的問(wèn)題[8]。因此，多周期累積的目的是在低信噪比的場(chǎng)合下，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的相干累積，使匹配濾波器輸出端能夠累積到足夠的信號(hào)能量完成捕獲，但對(duì)于空間傳輸回的信號(hào)將勢(shì)必含有殘余的多普勒頻偏和由于收發(fā)端時(shí)鐘不能完全一致導(dǎo)致的碼偏[9-10]。多普勒頻偏會(huì)導(dǎo)致相關(guān)峰值的下降，碼偏會(huì)導(dǎo)致相關(guān)峰平頂，這些都會(huì)影響到返向通道校正的結(jié)果。因此在計(jì)算相關(guān)峰的時(shí)候，需要將多普勒頻偏和碼偏補(bǔ)償?shù)簟?/p>

1)多普勒頻偏補(bǔ)償

AI((sI(t-τ)+nI(t))cos(2πfdt+φ)-AQ((sQ(t-τ)+nQ(t))sin(2πfdt+φ)=

(12)

AI((sQ(t-τ)+nQ(t))cos(2πfdt+φ)+AQ((sI(t-τ)+nI(t))sin(2πfdt+φ)=

(13)

式中Sreal(t)=AI(sI(t-τ)+nI(t)) ,Simag(t)=AQ(sQ(t-τ)+nQ(t))?；鶐盘?hào)中殘余的載波多普勒頻偏會(huì)對(duì)輸出相關(guān)峰值造成“去相關(guān)”效應(yīng)，從而影響到PN碼的準(zhǔn)確捕獲，尤其是在低信噪比的場(chǎng)合，隨著累積時(shí)間的增加，將對(duì)相關(guān)峰值造成嚴(yán)重的衰減。

為了解決對(duì)多普勒頻偏的補(bǔ)償，在設(shè)計(jì)碼捕獲模塊時(shí)，需要對(duì)目標(biāo)頻率范圍進(jìn)行切割，分成若干頻率區(qū)間依次進(jìn)行搜索，通過(guò)對(duì)比相關(guān)峰值，完成殘余載波頻偏的補(bǔ)償。

2)碼偏補(bǔ)償

由于產(chǎn)品工藝存在不能完全一致的差異，在設(shè)置同一時(shí)鐘頻率f時(shí)，發(fā)送端真實(shí)的時(shí)鐘頻率為f+Δf1，而接收端實(shí)際時(shí)鐘頻率為f+Δf2。于是，在一段時(shí)間之后，會(huì)發(fā)現(xiàn)發(fā)送端發(fā)送了M個(gè)碼片，而接收端PN碼產(chǎn)生模塊只產(chǎn)生了N個(gè)碼片(M與N不相等)，因此在相關(guān)累積的時(shí)候，本地PN碼和發(fā)送端發(fā)送的碼片進(jìn)行對(duì)應(yīng)位置相乘的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生位置偏移，尤其是低信噪比場(chǎng)合下，需要長(zhǎng)時(shí)間累積的時(shí)候，相關(guān)峰值會(huì)出現(xiàn)平頂。因此，存在碼偏時(shí)，多周期累積后，將無(wú)法進(jìn)行正常的捕獲，即標(biāo)校失敗。所以去除碼偏是返向標(biāo)校的前提條件。

為了解決對(duì)碼偏的補(bǔ)償，本文采用了一種新型的可實(shí)現(xiàn)方法，即在數(shù)字上根據(jù)基帶碼環(huán)捕獲的結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)打標(biāo)，將數(shù)據(jù)流通過(guò)信號(hào)分離以及內(nèi)插數(shù)據(jù)速率，然后通過(guò)基帶模塊給出的數(shù)據(jù)有效標(biāo)志來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)速率調(diào)整。主要步驟可描述如下：

1)基帶碼捕獲后，根據(jù)碼偏生成信號(hào)標(biāo)志strobe，采樣偏移量μk。

2)多個(gè)通道信號(hào)進(jìn)行低速率向高速率轉(zhuǎn)換。若信號(hào)速率為R，則對(duì)其進(jìn)行復(fù)用，轉(zhuǎn)換為2R。從而方便與本地PN速率匹配(假設(shè)本地PN碼速率為C)。

3)根據(jù)strobe和μk對(duì)轉(zhuǎn)換為2R的接收信號(hào)進(jìn)行采樣位置偏移以及速率調(diào)整，從而使得接收信號(hào)速率轉(zhuǎn)換為本地PN速率C。

4)在積分累積模塊中，將速率一致的接收信號(hào)與本地PN碼進(jìn)行相關(guān)累積，從而消除碼偏對(duì)累積結(jié)果的影響。

3.2 去除波程差

對(duì)于陣列天線來(lái)說(shuō)，多根天線的位置是固定的，由于天線位置不同，信號(hào)到達(dá)不同天線的時(shí)間也就不同，而且對(duì)于衛(wèi)星通信來(lái)說(shuō)，這部分時(shí)延較小，在信號(hào)上表現(xiàn)為相位的差異，而且這部分差異與期望用戶和天線之間的位置有關(guān)。由于天線位置固定，當(dāng)用戶與天線之間的方位、俯仰角固定時(shí)，各個(gè)天線單元接收到信號(hào)的這部分相差也就固定。由于校正站與用戶的位置不同，如果不去除這部分波程差，會(huì)導(dǎo)致使用標(biāo)校信號(hào)進(jìn)行通道校正時(shí)，將這部分相差也計(jì)算在通道相位里，從而引入相位差異，同樣無(wú)法正常進(jìn)行數(shù)字波束合成。因此，在進(jìn)行通道校正時(shí)，需要去除通道的波程差。此處，所有的相位差都是相對(duì)于第一通道，即中心陣元而言。

根據(jù)以上分析，采取如下的方法去除波程差：

1)在存在波程差的情況下，使用上述方法直接計(jì)算各個(gè)通道的相位差θi。

2)根據(jù)校正站位置計(jì)算出校正站到不同天線陣元的相位差異φi。

3)θi-φi就得到第i個(gè)通道去除波程差后的相位，以此作為最終校正的結(jié)果。

3.3 平滑處理

在最終進(jìn)行標(biāo)校數(shù)據(jù)處理時(shí)，由于系統(tǒng)噪聲的影響，數(shù)字域上難免造成結(jié)果的波動(dòng)[11-12]。由于衛(wèi)星信號(hào)時(shí)短時(shí)平穩(wěn)，采用多組計(jì)算結(jié)果做統(tǒng)計(jì)平均的方法不僅可以消除超低信噪比下噪聲對(duì)結(jié)果的影響，而且不會(huì)占用太多的系統(tǒng)資源。測(cè)試結(jié)果顯示，平滑處理對(duì)標(biāo)校時(shí)間幾乎沒(méi)有影響。

4 仿真結(jié)果

本節(jié)首先對(duì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證在有頻偏和碼偏的時(shí)候，它對(duì)相關(guān)峰值的影響。通過(guò)調(diào)整相關(guān)累積的周期及平滑窗口可以使得標(biāo)校滿足不同信噪比條件，即當(dāng)信噪比較高時(shí)，可以選取較少的累積周期和較短的平滑窗以降低標(biāo)校時(shí)間及計(jì)算量；而當(dāng)信噪比較低時(shí)，可以選取較大的累積周期和較長(zhǎng)的平滑窗以提高標(biāo)校的精確度。在累積周期和平滑窗口一定的情況下，信噪比越高，標(biāo)校的精度越高。為了平衡計(jì)算量以及更好地適應(yīng)低信噪比條件下的標(biāo)校性能，選擇適當(dāng)?shù)睦鄯e周期和平滑窗口的長(zhǎng)度，在通道間時(shí)延、幅度和相位不一致的情況下，驗(yàn)證逐通道相關(guān)標(biāo)校方法的可行性和有效性。同時(shí)，由于本文使用的擴(kuò)頻序列的碼片長(zhǎng)度為1 023，因此引入的擴(kuò)頻增益為30.1 dB，在偽碼完成捕獲的前提下通過(guò)驗(yàn)證，在信噪比低至-30 dB的條件下，仍能完成標(biāo)校。

圖2中曲線為不同殘余載波頻偏下多周期累積的結(jié)果?？梢钥闯觯S著殘余頻偏的增加，相關(guān)峰值會(huì)惡化，并在部分頻偏值處會(huì)得到零點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，最大可容忍峰值衰減為3 dB，因此，必須保證殘余載波頻偏消除誤差在±100 Hz以內(nèi)。

圖3為碼偏對(duì)多周期累積計(jì)算結(jié)果的影響。條件設(shè)置為發(fā)送端發(fā)送了401個(gè)碼片，而接收端只產(chǎn)生了400個(gè)碼片。實(shí)曲線為沒(méi)有碼偏時(shí)2個(gè)周期累積的結(jié)果，峰值在4 092處。其他曲線分別為第1個(gè)累積周期、第2個(gè)累積周期、第3個(gè)累積周期、第4個(gè)累積周期下積分的結(jié)果，星號(hào)曲線為4個(gè)累積周期的積分結(jié)果。由此可以看出，當(dāng)存在碼偏的情況下，不同的累積周期，積分峰值位置不同，當(dāng)多個(gè)累積周期加載一起時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致積分結(jié)果出現(xiàn)平頂，即無(wú)法準(zhǔn)確找到相關(guān)峰值，從而無(wú)法進(jìn)行正確的通道校正。

圖4是對(duì)逐通道相關(guān)標(biāo)校方法的驗(yàn)證，設(shè)置信噪比為-30 dB，假設(shè)有20個(gè)天線單元，傳輸?shù)?0路返向信號(hào)為無(wú)數(shù)據(jù)BPSK調(diào)制的擴(kuò)頻信號(hào)。人為及設(shè)備共同引入的幅度、相位、時(shí)延差由圖4(a)反映出來(lái)，其中相位差和時(shí)延差都是相對(duì)于第一通道的差值，幅度差是在監(jiān)測(cè)出第10通道最大值，并相對(duì)第10通道對(duì)其他通道進(jìn)行歸一化處理的結(jié)果。采用逐通道標(biāo)校的方式進(jìn)行Matlab處理，得到圖4(b)，可以看出，3個(gè)要素都完成了補(bǔ)償，通道一致性得到了實(shí)現(xiàn)。在信噪比高于-30 dB的情況下，標(biāo)校結(jié)果與圖4(b)類似，信噪比低于-30 dB的情況下，則標(biāo)校失敗。

圖2 不同頻偏條件下的多周期累積結(jié)果

圖3 不同碼偏條件下的多周期累積結(jié)果

圖4 標(biāo)校前和標(biāo)校后通道情況

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)逐通道相關(guān)標(biāo)校法進(jìn)行了原理分析，在此基礎(chǔ)上給出了實(shí)現(xiàn)框圖，并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，給出了解決辦法。對(duì)于陣列天線的衛(wèi)星移動(dòng)通信來(lái)說(shuō)，返向標(biāo)校是保證陣列信號(hào)能正確、高效合成的重要前提，是對(duì)于CDMA系統(tǒng)的碼捕獲的重要補(bǔ)充。通過(guò)逐通道相關(guān)標(biāo)校法的提出，為陣列信號(hào)的合成提供了關(guān)鍵的技術(shù)支持，對(duì)于陣列信號(hào)處理有重要的借鑒意義。

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(編輯：楊嬋，范真真)

An On-line Individual Channel Interrelation Method Study of Antenna Array Calibration

LIU Hanchao1,2LIANG Hao2

(1 Beijing Space Information Relay and Transmission Technology Research Center, Beijing 100094)(2 State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics (IHEP-USTC),University of Science and Technology of China, Hefei 230026)

Due to the clock-frequency difference between the transmitter and the receiver, it is difficult for the multi-antenna satellite mobile communication channel-calibration in low signal noise ratiol(SNR). An on-line individual channel multi-cycle inter-accumulation method was proposed, which could solve the difficulty of channel-calibration in low SNR.This calibration spread-spectrum signal was produced from ground calibration-station, which could reduce the complexity of satellite design and realize on-line calibration without interrupting the communication for users. This method solves the problem of code offset and frequency offset through marking the valid data, matching rate,and so on. The results show that the SNR is -30 dB under the spreading radio of 1 023,which is 0.3 dB worse than that of the theory SNR. The study can provide technical support for the multi-antenna satellite mobile communication.

Array signal; Calibration; Frequency offset; PN code offset; Multi-cycle accumulation

2015-03-27。收修改稿日期：2015-07-17。

10.3780/j.issn.1000-758X.2015.06.009

劉漢超 1988生，2015年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理電子學(xué)專業(yè)，碩士研究生。研究方向?yàn)殛嚵行盘?hào)處理。