[发明专利]面向深空通信的载波同步方法及装置

说明书

技术领域

本发明是一种载波同步实现方法，属于通信技术领域，尤其涉及深空通信领域中通信系统的同步技术。

背景技术

载波同步技术是接收机的关键技术之一，当接收的信号采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波，这个载波的获取就称为载波提取或称为载波同步。由于信号在传播过程中，受到信道特性和振荡器不稳定的影响，通信系统接收到的调制信号与本地载波会存在一定的频偏和相位误差。这就需要进行载波同步，消除本地载波与接收到的信号的频率、相位误差，以保证解调的正确性。载波同步的方法一般有两种：插入导频法和直接法。本文设计的方法属于一种直接法的同步方式。

目前，载波恢复电路有多种，其中最常用的有锁相环、平方环、Costas环(同相-正交环)、判决反馈环等。这些环路设计中由于都采用了相位较小情况下，正弦与实际相位近似的思想，因此都不可避免的引入相应的相位模糊问题。例如如果鉴相结果为sinθ，当θ较小时，可近似认为sinθ≈θ。当sinθ＝0时，θ＝0或π，这意味着恢复出载波可能与理想载波同相，也可能反相。一般的设计在后级的信号处理中，利用已知的用户信息，对解调信号相位正反进行判决，来纠正相位模糊。但前提是接收端必须知道并准确提取出固定的已知信息。

在深空通信中，邻近空间链路指的是短距离、双向、固定或移动的无线链路，广泛用于探测器、着陆器、巡视器、低轨环绕卫星以及轨道中继卫星之间的通信。考虑到深空通信中接收信号非常微弱，传统载波同步方法难以保证同步性能。空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)推荐的邻近空间链路协议中规定，在每次建立通信链路过程中，均先有一段仅发射载波的过程，因而接收机可以利用该信息进行辅助载波同步。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有载波同步方案中的相位模糊问题，提出一种针对深空通信特有的不携带用户信息的光载波阶段，通过分阶段的鉴相 过程，实现无相位模糊的同步捕获与跟踪过程。与此同时，提出一种简化的鉴相实现装置，在提高系统性能的基础上降低系统设计的复杂度。

本发明根据先捕获再跟踪的载波同步综合设计思路，首先提出免相位模糊的载波捕获方法，利用仅存在载波信息这一过程，先将接收的单音信号进行正交解调，若此刻接收信号与本地载波存在的相位偏差，正交支路匹配滤波后可分别得到该相位偏差的正余弦近似值。利用前级电路的功率估计结果，将I/Q支路通过长度可变的移位寄存器电路，做近似的归一化处理。然后，通过反正余弦的三角函数查找表得到较为准确的相位偏差值。由于分别根据相位偏差的反余弦及反正弦值进行查找，可以在0～2π范围内较为准确的定位此刻的载波相位偏差，从而解决相位模糊问题。最后，将相位偏差值经过环路滤波，获得本地振荡器相应的控制字，并对本地产生的正交信号实时的调整，从而实现载波捕获过程。

当载波上调制有用信息后，受随机起伏振荡的解调信号影响，上述查表鉴相方案性能将下降。因此，当捕获完成后，载波开始携带有用信息之前，系统将自动切换为极性判决鉴相的方案进行载波跟踪。由于捕获阶段已在0～2π范围内定位，此时的相位偏差已经较小，利用正弦值近似不会带来±π的相位模糊。在此，本发明提出了一种简单高效的鉴相电路，通过判别正交支路匹配滤波后的两支路信号正负极性，对两支路信号做相应的加或减的运算，从而得到此刻载波相位偏差。然后，将鉴相结果通过环路滤波器，滤除环路噪声以及随机起伏的用户信息对载波的影响，并对本地产生的正交信号实时调整。在同步闭环实时调整下，相位偏差被约束在较小的范围内，从而锁定载波，实现同步。

具体技术方案如下：