一种相位固定的数字本振方法及通信系统与流程

本发明涉及移动通信波束形成领域，特别是一种相位固定的数字本振方法，可应用在星上或地面多通道大规模波束形成或者阵列信号处理。

背景技术：

1、dbf(数字波束形成)是现今低轨卫星的重要技术，其可充分利用相控阵天线各阵元获得的空间信息，通过阵列信号处理技术实现波束形成、目标跟踪等功能。dbf技术可以通过在轨波束形成权值实时刷新实现任意的波束形状，并且不需要额外的硬件支持，具有精度高、实现成本低及波束指向灵活可变等优点。

2、现有的基于dbf的通信系统主要包括相控阵天线和与天线相匹配的数字单机两大部分，其中，天线射频通道和数字单机的adc、dac一一对应，这种实现结构所需数字单机中频通道数较多，随着dbf系统规模增大，数字单机的尺寸和功耗急剧增加，且不能有效利用adc、dac器件的宽带特性，局限性非常明显。基于此，为了降低硬件规模和复杂度，提升adc、dac带宽效率，发展出了中频通道聚合技术，以接收系统为例对中频通道聚合技术原理简要概述如下(发射系统为与接收系统相对应的逆过程)，如图1所示，天线的n个射频通道接收到的射频信号分别为rf(1)、rf(2)、…、rf(n)，各射频信号的频点相同，均为frf；接下来，需要在天线内部将n个射频信号转为中频信号，这时使用对应的n个通道的本振分别为flo1flo2…flon，n个通道的本振频点不同，采用低本振方案，与接收的射频信号进行混频和滤波后输出n个中频信号的频点分别为：

3、if1＝frf-flo1

4、if2＝frf-flo2

5、…

6、ifn＝frf-flon

7、经过了不同本振对接收的射频信号进行变频，得到中频信号if1、if2、…、ifn的频点不同，实现了中频信号频点的分离，各中频信号可通过一路adc进行采样(可能限于单个adc处理带宽能力，合成多路，由多个adc共同进行模数转换)。相较于传统天线射频通道和数字单机的adc和dac一一对应的实现方式，采用中频通道聚合技术后，数字单机的adc和dac的数量大大减小。

8、为了应用中频通道聚合技术，相控阵天线就需要使用不同的模拟本振将相同的射频信号变频到不同的中频频点，目前的实现方案如图2所示(仍以接收系统为例)，相控阵天线的天线单元1、天线单元2到天线单元n的射频信号分别与对应的模拟本振频点1、模拟本振频点2到模拟本振频点n混频滤波及合路后聚合为1路中频信号；数字单机对该中频信号采样后，分路为n个支路，各支路信号分别与数字本振频点1、数字本振频点2和数字本振频点n变频，得到n路频点相同的基带信号。

9、由于模拟本振的特性，n个模拟本振的初相无法固定，同时模拟本振与数字本振之间的相位没有相关性，这种不确定的模拟本振相位差会导致n个射频信号相关性降低，影响dbf的功能和性能，并且需要每次开机后进行校准，将校准得到的相位差补偿到后级数字波束形成的权值中，实现模拟本振相位差的修正。该流程复杂，且耗时较长，降低了载荷在轨使用效率。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种相位固定的数字本振方法及通信系统，实现了模拟本振信号的相位固定。

2、本发明的技术解决方案是：一种相位固定的数字本振方法，包括：

3、通过同步控制生成n路相差固定、频率不同的中频数字本振信号；其中n为所需处理的接收射频信号数量；

4、将n路所述中频数字本振信号合路成中频聚合信号，经数模转换后，与一个模拟本振信号进行混频滤波，分路得到n路相差固定的模拟本振信号；

5、将n路所述模拟本振信号与接收的n路射频信号进行混频滤波，合路得到待处理中频信号，经模数转换后，处理得到数字基带信号。

6、进一步，通过周期性的同步信号，间隔固定的周期将各中频数字本振信号的相位同时置为预设的定值，间隔的周期为各中频数字本振信号周期的最小公倍数。

7、进一步，将中频数字本振信号的相位同时置为0°。

8、进一步，n路所述模拟本振信号与接收的频率相同的n路射频信号进行混频滤波，合路得到待处理中频信号，经模数转换后，分路为n个支路，各支路信号仍然利用生成的n路初始相位的相差固定、频率不同的中频数字本振信号分别进行变频，得到n路频率相同的数字基带信号。

9、进一步，n路所述中频数字本振信号进行合路，得到一路中频聚合信号，进行数模转换；n路所述模拟本振信号与接收的n路射频信号进行混频滤波，合路得到一路待处理中频信号，进行模数转换。

10、本发明还提供一种基于相位固定数字本振方法的通信系统，包括数字处理单元和相控阵天线，所述数字处理单元包括数字本振信号模块、数模转换模块、模数转换模块、数字基带信号处理模块；所述相控阵天线包括公共模拟本振模块、接收处理模块；

11、数字本振信号模块，用于生成n路初始相位的相差固定、频率不同的中频数字本振信号，合路成中频聚合信号；

12、数模转换模块，用于对中频聚合信号进行数模转换；

13、公共模拟本振模块，用于生成一路模拟本振信号，并利用该公共模拟本振信号与数模转换后的中频聚合信号进行混频滤波，分路得到n路相差固定的模拟本振信号；

14、接收处理模块，用于接收天线单元传输的n路射频信号，将n路相差固定的模拟本振信号与n路射频信号进行混频滤波，合路得到待处理中频信号；

15、模数转换模块，用于对待处理中频信号进行模数转换；

16、数字基带信号处理模块，用于对模数转换后的待处理中频信号进行处理，得到数字基带信号。

17、进一步，数字本振信号模块基于fpga实现，fpga生成n路初始相位的相差固定、频率各不相同的中频数字本振信号；在fpga内部加入周期性的同步信号，同步信号间隔固定的周期同时清空n路dds的相位累加器，使n路相位累加器同时从预设的固定相位开始工作，间隔的周期为各频数字本振信号周期的最小公倍数。

18、进一步，同步信号间隔固定的周期同时清空n路dds的相位累加器，使n路相位累加器同时从0°相位开始工作。

19、进一步，接收处理模块，接收天线单元传输的n路频率相同的射频信号；数字基带信号处理模块，将模数转换后的待处理中频信号分路为n个支路，各支路信号分别与数字本振信号模块生成的n路初始相位的相差固定、频率各不相同的中频数字本振信号进行变频，得到n路频率相同的数字基带信号。

20、进一步，数字本振信号模块将n路所述中频数字本振信号进行合路，得到一路中频聚合信号；接收处理模块将n路所述模拟本振信号与接收的n路射频信号进行混频滤波，合路得到一路待处理中频信号。

21、本发明与现有技术相比的优点在于：

22、(1)本发明采用中频数字本振加模拟射频本振相结合的新型实现方法，通过同步控制生成相差固定的中频数字本振信号组，合路成数字中频聚合信号；将该数字中频聚合信号和一路模拟本振信号进行混频和滤波，再分路得到相差固定的模拟本振信号组；使用这种相差固定的模拟本振信号组和接收的射频信号进行混频和滤波，合路后得到频点不同的待处理中频信号组，送入数字单机进行处理，可实现接收射频信号的固定相位处理，解决了dbf采用中频聚合技术后使用模拟本振初相的不固定问题，从根本上解决了系统每次开机需要校准的问题，为后续波束形成信号处理提供相位确定的基带信号，保证了波束形成功能的正确性，进而提高载荷在轨使用效率。

23、(2)本发明将待处理中频信号进行分路后，各支路信号仍然利用中频数字本振信号组分别进行变频，得到多路频率相同的数字基带信号，由于与接收的射频信号进行混频和滤波的模拟本振信号原本就是基于中频数字本振信号组生成的，使模拟本振与数字本振之间的相位具有了相关性，从而实现了射频信号的固定相位处理，提高了dbf的功能和性能。

24、(3)本发明通过同步控制机制及数字本振加模拟本振相结合的方法，提高利用中频数字本振信号组得到模拟本振信号组的灵活性和精确性，可根据需求灵活更改本振信号频点。

25、(4)本发明提出的基于相位固定数字本振方法的通信系统，减小了产品的重量、功耗和尺寸，提高了产品的使用效率，同时提升了产品的灵活性和可靠性。