[发明专利]面向深空通信的载波同步方法及装置

权利要求书

1.一种面向深空通信的载波同步系统，其特征在于：包括第一乘法器(1)、第二乘法器(2)、第一匹配滤波器(3)、第二匹配滤波器(4)、功率估计器、反三角函数映射模块、极性判决鉴相器、捕获跟踪状态切换模块、环路滤波器、数控振荡器；所述第一乘法器(1)的两输入端分别与接收信号和数控振荡器的一路输出端相连，输出端与第一匹配滤波器(3)的输入端相连；所述第二乘法器(2)的两输入端分别与接收信号和所述数控振荡器的另一路输出端相连，输出端与第二匹配滤波器(4)输入端相连；所述的第一匹配滤波器(3)输出I信号，其输出端与反三角函数映射模块的第一输入端及极性判决鉴相器的第一输入端相连，所述的第二匹配滤波器(4)输出Q信号，其输出端与反三角函数映射模块的第二输入端及极性判决鉴相器的第二输入端相连；所述功率估计器输入为接收信号，输出端与所述反三角函数映射模块的第三输入端相连；所述反三角函数映射模块和极性判决鉴相器分别与捕获跟踪状态切换模块的第一输入端和第二输入端相连；所述捕获跟踪状态切换模块的输出端与环路滤波器的输入端相连；所述环路滤波器输出的门限判决信号与捕获跟踪状态切换模块第三输入端相连，输出的频率控制字信号与所述数控振荡器的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的深空通信的载波同步系统，其特征在于：

所述的第一乘法器(1)及第二乘法器(2)用于将数控振荡器产生的两路本地正交参考信号分别与接收信号相乘，实现频谱搬移；

所述的第一匹配滤波器(3)及第二匹配滤波器(4)用于滤除高频镜像和带外噪声；

功率估计器，用于计算估测接收信号的功率；

反三角函数映射模块，用于对滤波后的正交支路信号进行查表映射鉴相；

极性判决鉴相器，用于根据正交支路信号的极性进行鉴相处理；

捕获跟踪状态切换模块，用于根据环路滤波器的误差门限切换同步环路的捕获和跟踪状态；

环路滤波器，用于滤除环路噪声，抑制随机起伏干扰，生成频率控制字，同时输出累积误差是否溢出门限信号；

数控振荡器，用于根据频率控制字，生成相应的本地正交载波信号。

3.根据权利要求1或2所述的深空通信的载波同步系统，其特征在于：

所述反三角函数映射模块包括移位寄存器、反余弦表、反正弦表、求均值模块；所述的反三角函数映射模块的第一输入端、第二输入端及第三输入端设于移位寄存器上，移位寄存器的两个输出端分别与反正弦表及反余弦表连接，反正弦表及反余弦表的输出端与求均值模块连接，所述的移位寄存器用于根据功率估计器的输入结果，通过长度可变的移位运算等效除法运算，实现对输入的I、Q信号增益自动近似“归一化”调整，将处理后的I、Q信号分别通过反余弦表和反正弦表，通过两表的相位比对和求均值模块的求平均计算，得到此刻对应的载波相位偏差结果。

4.根据权利要求1或2所述的深空通信的载波同步系统，其特征在于：

所述极性判决鉴相器包括加减组合运算电路及与其连接的极性判决选择模块；所述的加减组合运算电路用于将输入滤波后的I、Q信号通过加减组合运算电路分别得到-(I+Q)、(I+Q)、(I-Q)、(Q-I)后输入极性判决选择模块，所述的极性判决选择模块用于根据当前I、Q信号的符号极性组合，决定输出-(I+Q)、(I+Q)、(I-Q)、(Q-I)其中的一个结果作为近似的鉴相结果。

5.根据权利要求4所述的深空通信的载波同步系统，其特征在于：加减组合运算电路包括加法电路、第一减法电路、第二减法电路及第三减法电路，所述的加法电路及第一减法电路均输入I、Q信号，所述的加法电路输出信号至第二减法电路及极性判决选择模块，所述的第一减法电路输出信号至第三减法电路及极性判决选择模块，所述的第二减法电路及第三减法电路均输出信号至极性判决选择模块。

6.一种面向深空通信的载波同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：在接收信号仅存在载波信息这一阶段，假设接收前端接收到的信号为

其中ω₀、分别为接收载波的角频率和初始相位，K₀为幅值；

假设数控振荡器产生的本地载波信号为和K_n为数控振荡器增益，与接收信号通过第一乘法器(1)及第二乘法器(2)分别相乘后得到I、Q两支路信号

步骤二：I₀(t)和Q₀(t)通过第一匹配滤波器(3)及第二匹配滤波器(4)后得

其中K₂为第一匹配滤波器(3)及第二匹配滤波器(4)的增益；

步骤三：利用功率估计器计算估测接收信号的功率，可以得到K₁的对应大小，通过K₁、K_n和K₂这些增益值的大小调整长度可变的移位寄存器，对I/Q支路信号做近似的归一化处理；

步骤四：通过查找映射过程得到K₃为查找表的自带固定增益，即为鉴相增益；

步骤五：将鉴相结果通过环路滤波器，得到本地振荡器相应的控制字，调整本地载波相位，使

步骤六：当足够小达到捕获门限后，捕获跟踪状态切换模块将环路切换为跟踪工作模式，此时极性判决鉴相器得到的鉴相结果有效；

此时极性判决鉴相器实现的功能是

1)当I₁(t)≥0且Q₁(t)≥0时，输出为ΔΦ(t)＝Q₁(t)-I₁(t)；

2)当I₁(t)≥0且Q₁(t)＜0时，输出为ΔΦ(t)＝I₁(t)+Q₁(t)；

3)当I₁(t)＜0且Q₁(t)≥0时，输出为ΔΦ(t)＝-I₁(t)-Q₁(t)；

4)当I₁(t)＜0且Q₁(t)＜0时，输出为ΔΦ(t)＝I₁(t)-Q₁(t)；

此时接收信号仍仅为载波，由于于是令K＝K₁K_nK₂，则极性判决鉴相器输出的鉴相结果为这里K＝K₃，使两种鉴相方式都有相同的鉴相增益；

步骤七：当接收载波上调制有有用信息时，当调制信号为QPSK调制信号，假设发射端正交调制信号为S(t)＝m_I(t)cosω₀t+m_Q(t)sinω₀t，m_I(t)、m_Q(t)为用户信息，幅值为1；此时I₁(t)与Q₁(t)表示形式：

极性判决鉴相器输出的鉴相结果为

1)当I₁(t)≥0且Q₁(t)≥0时，输出为

2)当I₁(t)≥0且Q₁(t)＜0时，输出为

3)当I₁(t)＜0且Q₁(t)≥0时，输出为

4)当I₁(t)＜0且Q₁(t)＜0时，输出为ΔΦ(t)＝I₁(t)-Q₁(t)