一种扩频信号发射设备时延稳定性控制方法及装置与流程
本发明涉及时频，具体而言，涉及一种扩频信号发射设备时延稳定性控制方法及装置。
背景技术：
1、在时频技术领域，常使用扩频信号传递时间和频率信息。时频传递的本质就是测量发射端与接收端之间的钟差。图1为时频单向传递原理图，a为发射端，b为接收端，图1中各符号对应的物理意义如下：
2、ta0为发射端时间系统的起始点；
3、ta1为发射端时间系统下扩频信号的发射时刻读数；
4、δtt为发射端设备时延；
5、tb0为接收端时间系统的起始点；
6、tb1为接收端时间系统下扩频信号的接收时刻读数；
7、δtr为接收端设备时延；
8、δt0为接收端与发射端之间的钟差；
9、δts为传输信道的时延；
10、接收端利用本地复现的测距码与接收到的扩频信号进行相关运算得到时差测量值δt'，该时差测量值的时延组成如下式所示：
11、δt'＝tb1-ta1＝δtt+δts+δtr+δt0
12、进而可以计算发射端与接收端的钟差，其表达式如下式所示：
13、δt0＝δt'-(δtt+δts+δtr)
14、由上式可知，发射端设备时延是钟差测量误差的重要组成部分，直接影响到钟差测量精度，如果发射端设备时延为固定值，则可以通过事先标定消除其对钟差测量的影响，而实际上重新开关机、温度变化、功放功率回退、电子元器件老化漂移等因素均有可能导致发射端设备时延变化，从而带来钟差测量误差。
15、为保证发射端设备时延的稳定性，一般采取以下措施：
16、a)避免选用时延稳定性差的电子元器件(如声表滤波器)；
17、b)在满足带外抑制的前提下，尽量选用宽带射频器件；
18、c)选用具有确定性时延的数字器件；
19、d)对发射设备的环境温度进行精确控制；
20、e)通过合理的开机同步时序设计，避免设备重开机时延零值不确定，例如专利cn112187262b《一种dbbc的同步采集时延控制方法》所述；
21、f)通过额外的校准环路测量设备时延，以便在实际测量结果中扣除设备时延，例如文献《双向时间同步系统的设备时延校准技术研究》所述。
22、以上措施a)、b)、c)对电子元器件选用存在较多约束，并且，在采取以上措施后，仍无法彻底解决温度变化、功放功率回退、电子元器件老化漂移等因素带来的设备时延快速或慢速变化。对于设计良好的l频段发射端设备，其温度变化带来的时延变化大致为1ns/30℃，功放功率回退3db带来的时延变化大致为0.5ns。措施d)可以较好解决温度变化引起的设备时延变化，但会增加设备使用成本，增大设备体积、重量和功耗，从而限制设备适用的场所或平台。措施f)可以准实时地测量设备时延，从而在后续实际测量中扣除设备时延消除误差，但测量设备时延的过程会中断设备正常工作流程，并且无法实时跟踪温度变化引起的时延快速变化。
23、因此，当需要在较低的成本、较低的复杂度、高实时性且不改变正常工作流程的前提下将钟差测量精度提高到0.1ns以上时，上述措施难以满足需求。
技术实现思路
1、针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种扩频信号发射设备时延稳定性控制方法及装置，该方法及装置利用发射设备正常工作时的原有扩频信号经高速射频直接采集后反馈到信号处理单元，实现对发射设备时延的实时闭环跟踪及控制，当环境温度、电子元器件漂移老化、功放功率回退引起的时延快速波动或慢速波动时，均可保证发射设备时延稳定性波动小于0.1ns。
2、本发明提供的一种扩频信号发射设备时延稳定性控制方法，包括如下步骤：
3、步骤s1：在信号处理单元中通过基带信号生成单元产生测距基带扩频信号；
4、步骤s2：在信号处理单元中使用farrow滤波器控制测距基带扩频信号时延；
5、步骤s3：在功率放大单元输出端通过耦合器耦合一路射频信号经高速adc完成射频直采，采样信号输出到信号处理单元；
6、步骤s4：在信号处理单元中通过伪距测量单元对采集后的数字化信号完成捕获、跟踪，得到实时伪距测量值；
7、步骤s5：以实时伪距测量值和时延设定值为输入经时延控制器计算得到时延控制码；
8、步骤s6：时延控制码输出到farrow滤波器控制端，farrow滤波器时延随时延控制码设定数值线性变化。
9、进一步地，步骤s5的计算步骤如下：
10、步骤s51：时刻0时初始化变量，使x[0]＝0，y[0]＝0，control[0]＝2n-1，delay_out[0]＝0；
11、步骤s52：从时刻t开始第1次迭代计算，之后每隔时间t完成1次迭代，迭代计算公式及计算顺序如下：
12、x[i]＝(delay_set-delay_out[i-1])/kf
13、y[i]＝y[i-1]+k1×(x[i]-x[i-1])+k2×x[i]×t
14、delay_control[i]＝delay_control[i-1]+y[i]×t
15、其中：
16、n为farrow滤波器控制码位数，无量纲；
17、t为迭代计算时间间隔，单位为秒；
18、delay_set为时延设定值，单位为ns；
19、delay_out[i]为伪距测量单元第i次的伪距测量值，单位为ns；
20、delay_control[i]为第i次输出到farrow滤波器控制端的时延控制码，无量纲；
21、x[i]、y[i]为计算过程中间变量；
22、k1、k2为适应具体应用场景选定的计算因子；
23、kf为farrow滤波器时延调整量与时延控制码的比例系数，单位为ns。
24、进一步地，farrow滤波器时延调整量与时延控制码的比例系数kf的计算公式如下：
25、
26、式中，fclk为farrow滤波器工作时钟频率，单位为hz。
27、进一步地，基带信号生成单元所产生的测距基带扩频信号为典型qpsk扩频信号，其数学表达式为：
28、s(t)＝a·(ci(t)·cos(2πfif)+cq(t)·dq(t)·sin(2πfif))
29、式中，s表示基带信号生成单元输出信号，a表示信号幅度，ci(t)、cq(t)表示i支路和q支路的测距码，dq(t)表示q支路调制的符号，fif为中频载波频率。
30、进一步地，伪距测量单元基于通用的扩频信号测距原理，在本地复现测距码，通过与采集后的数字化信号进行互相关运算得到实时伪距测量值。
31、本发明还提供一种扩频信号发射设备时延稳定性控制装置，用于实现上述的扩频信号发射设备时延稳定性控制方法，所述扩频信号发射设备时延稳定性控制装置包括：
32、依次连接的本地时钟源、信号处理单元、dac、低通滤波器、上变频单元、功率放大单元、耦合器和天线单元，以及连接耦合器和信号处理单元的adc；所述信号处理单元包括基带信号生成单元、farrow滤波器、时延控制器和伪距测量单元；本地时钟源依次经基带信号生成单元和farrow滤波器连接dac；adc依次经伪距测量单元和时延控制器连接farrow滤波器。
33、进一步地，基带信号生成单元、farrow滤波器、时延控制器和伪距测量单元由可编程逻辑器件实现。
34、进一步地，所述farrow滤波器包括fir滤波器1、fir滤波器2、fir滤波器3、fir滤波器4、乘法器1、乘法器2、乘法器3、加法器1、加法器2和加法器3；测距基带扩频信号分别输入fir滤波器1、fir滤波器2、fir滤波器3、fir滤波器4；fir滤波器1输出端连接乘法器1、fir滤波器2输出端连接加法器1、fir滤波器3输出端连接加法器2、fir滤波器4输出端连接加法器3；时延控制码分别输入乘法器1、乘法器2和乘法器3；乘法器1、加法器1、乘法器2、加法器2、乘法器3和加法器4依次连接。
35、进一步地，所述fir滤波器1、fir滤波器2、fir滤波器3和fir滤波器4均为4阶fir滤波器。
36、进一步地，设fir滤波器1、fir滤波器2、fir滤波器3、fir滤波器4的输入信号序列为x(n)，输出序列为y(n)，则4阶fir滤波器输入与输出关系式为：
37、
38、其中，h(k)为各fir滤波器系数。
39、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
40、1、本发明可实时自动跟踪并补偿工作环境温度变化导致的扩频信号发射设备时延波动。
41、2、本发明可实时自动跟踪并补偿电子元器件漂移老化导致的扩频信号发射设备时延波动。
42、3、本发明可实时自动跟踪并补偿重新开关电导致的扩频信号发射设备时延跳变。
43、4、本发明可实时自动跟踪并补偿功率放大器功率回退导致的扩频信号发射设备时延波动。
44、5、本发明发射设备时延自动跟踪及补偿过程利用现有扩频信号，不影响系统正常工作流程。
技术特征：
1.一种扩频信号发射设备时延稳定性控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的扩频信号发射设备时延稳定性控制方法，其特征在于，步骤s5的计算步骤如下：
3.根据权利要求2所述的扩频信号发射设备时延稳定性控制方法，其特征在于，farrow滤波器时延调整量与时延控制码的比例系数kf的计算公式如下：
4.根据权利要求1所述的扩频信号发射设备时延稳定性控制方法，其特征在于，伪距测量单元基于通用的扩频信号测距原理，在本地复现测距码，通过与采集后的数字化信号进行互相关运算得到实时伪距测量值。
5.一种扩频信号发射设备时延稳定性控制装置，用于实现如权利要求1-4任一项所述的扩频信号发射设备时延稳定性控制方法，其特征在于，所述扩频信号发射设备时延稳定性控制装置包括：
6.根据权利要求5所述的扩频信号发射设备时延稳定性控制装置，其特征在于，基带信号生成单元、farrow滤波器、时延控制器和伪距测量单元由可编程逻辑器件实现。
7.根据权利要求5所述的扩频信号发射设备时延稳定性控制装置，其特征在于，所述farrow滤波器包括fir滤波器1、fir滤波器2、fir滤波器3、fir滤波器4、乘法器1、乘法器2、乘法器3、加法器1、加法器2和加法器3；测距基带扩频信号分别输入fir滤波器1、fir滤波器2、fir滤波器3、fir滤波器4；fir滤波器1输出端连接乘法器1、fir滤波器2输出端连接加法器1、fir滤波器3输出端连接加法器2、fir滤波器4输出端连接加法器3；时延控制码分别输入乘法器1、乘法器2和乘法器3；乘法器1、加法器1、乘法器2、加法器2、乘法器3和加法器4依次连接。
8.根据权利要求7所述的扩频信号发射设备时延稳定性控制装置，其特征在于，所述fir滤波器1、fir滤波器2、fir滤波器3和fir滤波器4均为4阶fir滤波器。
技术总结
本发明提供一种扩频信号发射设备时延稳定性控制方法及装置，所述方法包括：通过基带信号生成单元产生测距基带扩频信号；使用Farrow滤波器控制测距基带扩频信号时延；通过耦合器耦合一路射频信号经ADC采集；通过伪距测量单元对采集的数字化信号完成捕获、跟踪，得到实时伪距测量值；以实时伪距测量值和时延设定值计算时延控制码并输出到Farrow滤波器控制端，Farrow滤波器时延随时延控制码设定数值线性变化。本发明利用发射设备正常工作时的原有扩频信号经高速射频直接采集后反馈到信号处理单元，实现对发射设备时延的实时闭环跟踪及控制，当时延快速波动或慢速波动时，均可保证发射设备时延稳定性波动小于0.1ns。
技术研发人员：何仁伦,于雷,余洋,沈秉祥,刘敏,易云清,吕飞仁,李佳伟,陈兴,龙杰锋,刘建高,刘俊杰
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第二十九研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23