本发明提出了一种激光通信测距一体化系统的同步装置、同步方法以及使用该同步装置的高速接收机。高速接收机接收到高速信号，首先使用模数转换器(ADC)对其进行采样，再将采样数据送入吉比特收发器(GTH)进行串并转换，高速串行数据转换为速率较低的多路并行数据。随后并行数据被送入同步装置中进行信号同步，在同步装置中并行数据将进行并行数据帧捕获、动态校正和高速锁相环跟踪等步骤，由此，接收机完成对高速信号的精确同步。在信号精确同步的基础上，接收机的测距支路和通信支路将解算出测距结果和通信数据。本发明在保证信号精确同步、测距和通信结果准确的同时，减轻了时钟负担，并有效降低了硬件实现的复杂度。
并行捕获电路：采用并行计算方式搜索信号到达时刻，获得捕获结果，实现信号的粗同步；所述并行捕获电路包括用于存储接收数据的寄存器组Reg0和存储数据帧帧同步字采样值的本地码序列寄存器Reg1，Reg1中存储的数据与Reg0中存储的数据采用n级流水线结构进行相关运算和比较运算，通过比较一组相关运算的峰值与预设的判决门限大小，确定当前时钟周期内的捕获结果；所述捕获结果为捕获成功或者捕获失败，当比较运算出现的相关峰值大于预设判决门限时，捕获结果为捕获成功，同时记录下相关峰出现的位置，当比较运算出现的相关峰值不大于预设判决门限时，捕获结果为捕获失败；
动态校正电路：通过FFT算法修正多普勒效应带来的频率偏移，输出动态校正的标志和结果；所述动态校正电路对加在数据帧的N1bit帧同步字与N3bit数据域之间一段由二进制数“1”、“0”循环组成的N2bit周期序列进行FFT，在FFT运算结果中找到峰值点的位置m，测量所述频率偏移；所述动态校正电路在并行捕获完成后，对N2bit周期序列抽取固定值为间隔的采样点后，再进行FFT运算，在运算结果中找到峰值点的位置m，测量得到所述频率偏移所述计算码速率由于动态影响造成的速率偏差为 其中，fclk表示时钟频率为，p表示抽样间隔点数，q表示FFT运算点数，RS表示符号速率，％表示取余运算，将结果△RS送入高速跟踪电路可对偏移频率进行补偿，进而使用 对目标相对运动速率进行估计，其中c表示真空下光速；
高速跟踪电路：用积分清除运算在并行捕获的基础上进一步缩小本地码序列与接收序列的码相位差，实现信号的精确同步；所述高速跟踪电路根据所述并行捕获电路粗同步得到的捕获位置，利用本周期到本周期前3个周期接收到的数据，提取超前支路E、即时支路I和滞后支路L的数据，与本地码表产生的本地码序列进行积分清除运算；所述即时支路I的提取位置刚好与捕获位置对齐，所述超前支路E较即时支路I超前一个码元长度，所述滞后支路L较即时支路I滞后一个码元长度，所述本地码表存储数据帧的帧同步字；所述高速跟踪电路将超前支路E、即时支路I和滞后支路L的积分清除结果CE、CI、CL输入鉴相器，计算得到鉴相值eck，eck经滤波器滤波后得到码相位控制增量ΔFTW，计算下一帧的相关参数，包括码相位控制字、码初始相位、数据帧长以及数据帧同步字长，将计算得到的码相位控制字、码初始相位以及数据帧同步字送入本地码表，本地码表产生新的码序列；将计算得到的数据帧长进行延时计算，计算下一帧帧同步字出现时刻所需延时周期数后，等待下一帧到来，本地码表产生的新的码序列与下一帧的帧同步字数据做积分清除运算，开启下一轮信号跟踪；
所述并行捕获电路将捕获结果送至所述动态校正电路和高速跟踪电路，所述动态校正电路将动态校正的标志输出给并行捕获电路，将动态校正的结果输出到高速跟踪电路。
2.如权利要求1所述的同步装置，其特征在于，所述Reg0至少存储2M×N1个接收数据，每个时钟周期将高地址的M×N1个数据移出Reg0；低M×N1个数据向高M×N1地址补齐；新到来的M×N1个数据存入低M×N1个地址中；其中，M是采样频率与信号速率之比，N1是数据帧帧头的帧同步字位数。
3.如权利要求1所述的同步装置，其特征在于，所述相关运算中，每个周期进行M×N1组相关运算，每组相关运算首先会产生M×N1个点乘结果，再使用n级流水线结构将点乘结果累加起来；所述比较运算中，采用n级流水线结构对M×N1组相关运算的结果进行大小比较，输出最大的那个相关结果及其对应的位置；其中，M是采样频率与信号速率之比，N1是数据帧帧头的帧同步字位数，M×N1＝2n。
4.如权利要求1所述的同步装置，其特征在于，所述高速跟踪电路实时跟踪即时支路I的相位变化，并调整本地码表的输出，使其输出码序列的相位逐步向即时支路逼近，直至锁定。
5.一种激光通信测距一体化系统的同步方法，包括以下步骤：
步骤一：将并行数据送入至并行捕获电路，进行信号捕获，本地码序列与接收的并行数据做并行相关运算，得到相关运算结果，若相关运算结果中的最大值大于预设判决门限，则捕获成功，记录捕获位置，输出“第一次捕获成功”标志，停止捕获并进行步骤二，若相关运算结果中的最大值不大于预设判决门限，则捕获失败，则更新输入的接收信号，继续进行步骤一直至捕获成功；
步骤二：动态校正电路检测到“第一次捕获成功”标志，开始进行动态校正，通过对数据帧中帧同步字与数据区之间有由“1”，“0”循环组成的周期序列进行FFT或者对数据帧中帧同步字与数据区之间有由“1”，“0”循环组成的周期序列进行采样之后再进行FFT，修正多普勒效应带来的频率偏移fd，发出“动态校正完成”标志给并行捕获电路，输出动态校正结果到高速跟踪电路，进行步骤三；
步骤三：并行捕获电路检测到“动态校正完成”标志后，将再次启动捕获操作，当捕获成功时，记录捕获位置，输出“捕获完成”标志，停止捕获并进行步骤四；若捕获失败，则继续进行步骤三直至捕获完成；
步骤四：高速跟踪电路根据接收到动态校正电路的动态校正结果，修正本地码表的初始码速率控制字；检测到并行捕获电路输出的“捕获完成”标志后，再用积分清除运算在并行捕获的基础上进一步缩小本地码序列与接收序列的码相位差，进行信号跟踪，一个循环周期的信号跟踪完成后，继续进行步骤四，实时地对接收信号进行跟踪，直到跟踪出现异常失锁导致接收系统复位，重新回到步骤一再次进行信号捕获。
6.一种激光通信测距一体化系统中的高速接收机，包括模数转换器：将接收到的模拟信号转换为数字信号；吉比特收发器：将模数转换器的数字信号进行串并转换；同步装置：将吉比特收发器输出的并行信号进行并行数据帧捕获、动态校正和高速锁相环跟踪，完成信号同步；测距支路：通过同步装置得到的同步信号实现距离测量；以及通信支路：通过同步装置得到的同步信号实现通信数据解算；所述高速接收机采用的是如权利要求1～4中任一权利要求所述的同步装置。
同步装置、同步方法及使用该同步装置的高速接收机
技术领域
[0001] 本发明涉及激光通信测距一体化系统中的一种同步装置、同步方法以及使用该同步装置的高速接收机，属于电子通信和雷达技术领域。
背景技术
[0002] 激光通信测距一体化系统要求天基终端(卫星)与地面站之间、天基终端(卫星)与天基终端(卫星)之间采用激光实现高速数据传输与高精度测距一体化功能。也就是使用同一通道的信号同时完成通信与测距两种功能，需要从两种功能的异同点入手，尽可能合并二者的运算步骤，节约资源与功耗，构造集约型系统。
[0003] 以激光作为媒介进行信号传输的一个优点是频谱资源大，信号传输速率高。但相应而生的一个问题是接收机处理速率也要随之大幅度提升。本发明设计的系统码元速率可以达到Gbps级别，模数转换器(ADC)的采样速率需要满足奈奎斯特定理(即ADC的采样频率至少为信号频率的2倍)才可对传输码元进行采样，采样后的信号即使经过串并转换，每一路信号的处理时钟也达上百兆赫兹，传统的同步方法难以对如此高速率的信号进行同步；另外，当卫星与地面站之间的相对运动速率(动态速率)大到一定程度时，其引发的多普勒效应将带来大的频率偏移，也无法对信号进行同步，这也使得接收机无法完成测距和通信，因此提出了一种高速接收机和接收方法来解决这一难题，其中信号高速同步是这种高速接收机和接收方法的核心技术。
发明内容
[0004] 针对以上问题，本发明提出了激光通信测距一体化系统中的一种高速接收机及其方法。本发明设计的激光通信测距一体化系统高速接收机的思路是使用高速ADC对光电转换后的接收信号进行采样，采样数据通过高速串并转换接口转为多路并行数据(降低每路数据处理速度，减轻时钟负担)，高速接收机中的同步装置对并行数据进行精确同步，进而可以计算出接收信号延时，从而计算出测距值；同时以锁相环数控振荡器输出的码相位作为依据对接收信号做内插、解调，提取通信信息，自此完成了激光通信测距一体化系统高速接收机的设计。具体的，一种激光通信测距一体化系统的同步装置，包括
[0005] 并行捕获电路：采用并行计算方式搜索信号到达时刻，获得捕获结果，实现信号的粗同步；动态校正电路：通过快速傅立叶变换(FFT)算法修正多普勒效应带来的频率偏移，输出动态校正的标志和结果；以及高速跟踪电路：用积分清除运算在并行捕获的基础上进一步缩小本地码序列与接收序列的码相位差，实现信号的精确同步；所述并行捕获电路将捕获结果送至所述动态校正电路和高速跟踪电路，所述动态校正电路将动态校正的标志输给并行捕获电路，将动态校正的结果输出到高速跟踪电路。
[0006] 进一步的，所述并行捕获电路包括用于存储接收数据的寄存器组(Reg0)和存储数据帧帧同步字采样值的本地码序列寄存器(Reg1)，Reg1中存储的数据与Reg0中存储的数据采用n级流水线结构进行相关运算和比较运算，通过比较一组相关运算的峰值与预设的判决门限大小，确定该时钟周期内的捕获结果。
[0007] 进一步的，所述动态校正电路对加在数据帧的帧同步字(N1bit)与数据域(N3bit)之间一段由二进制数“1”、“0”循环组成的周期序列(N2bit)进行FFT，在FFT运算结果中找到峰值点的位置m，测量所述频率偏移。
[0008] 进一步的，所述高速跟踪电路根据所述并行捕获电路粗同步得到的捕获位置，利用本周期到本周期前3个周期接收到的数据，提取提取超前支路E、即时支路I和滞后支路L的数据，与本地码表产生的本地码序列进行积分清除运算；所述即时支路I的提取位置刚好与捕获位置对齐，所述超前支路E较即时支路I超前一个码元长度，所述滞后支路L较即时支路I滞后一个码元长度，所述本地码表存储数据帧的帧同步字。
[0009] 进一步的，所述并行捕获电路的捕获结果为捕获成功或者捕获失败，当比较运算出现的相关峰值大于预设判决门限时，捕获结果为捕获成功，同时记录下相关峰出现的位置，当比较运算出现的相关峰值不大于预设判决门限时，捕获结果为捕获失败。
[0010] 进一步的，所述并行捕获电路中的Reg0至少存储2M×N1个接收数据，每个时钟周期将高地址的M×N1个数据移出Reg0；低M×N1个数据向高M×N1地址补齐；新到来的M×N1个数据存入低M×N1个地址中；其中，M是采样频率与信号速率之比，N1是数据帧帧头的帧同步字位数。
[0011] 进一步的，所述并行捕获电路的相关运算中，每个周期进行M×N1组相关运算，每组相关运算首先会产生M×N1个点乘结果，再使用n级流水线结构将点乘结果累加起来；所述比较运算中，采用n级流水线结构对M×N1组相关运算的结果进行大小比较，输出最大的那个相关结果及其对应的位置；其中，M是采样频率与信号速率之比，N1是数据帧帧头的帧同步字位数，M×N1＝2n。
[0012] 进一步的，所述动态校正电路在并行捕获完成后，对N2bit周期序列抽取固定值为间隔的采样点后，再进行FFT运算，在运算结果中找到峰值点的位置m，测量得到所述频率偏移 所述计算码速率由于动态影响造成的速率偏差为 其中，fclk表示时钟频率为，p表示抽样间隔点数，q表示FFT运算点数，RS表示符号速率，％表示取余运算，将结果ΔRS送入高速跟踪电路可对偏移频率进行补偿。进而使用 对目标相对运动速率进行估计，其中c表示真空下光速。
[0013] 进一步的，所述高速跟踪电路将超前支路E、即时支路I和滞后支路L的积分清除结果CE、CI、CL输入鉴相器，计算得到鉴相值eck，eck经滤波器滤波后得到码相位控制增量ΔFTW，计算下一帧的相关参数，包括码相位控制字、码初始相位、数据帧长以及数据帧同步字长，将计算得到的码相位控制字、码初始相位以及数据帧同步字送入本地码表，本地码表产生新的码序列；将计算得到的数据帧长进行延时计算，计算下一帧帧同步字出现时刻所需延时周期数后，等待下一帧到来，本地码表产生的新的码序列与下一帧的帧同步字数据做积分清除运算，开启下一轮信号跟踪。
[0014] 进一步的，所述高速跟踪电路实时跟踪即时支路I的相位变化，并调整本地码表的输出，使其输出码序列的相位逐步向即时支路逼近，直至锁定。
[0015] 本发明还提出了一种激光通信测距一体化系统的同步方法，包括以下步骤：
[0016] 步骤一：将并行数据送入至并行捕获电路，进行信号捕获，本地码序列与接收的并行数据做并行相关运算，得到相关运算结果，若相关运算结果中的最大值大于预设判决门限，则捕获成功，记录捕获位置，输出“第一次捕获成功”标志，停止捕获并进行步骤二，若相关运算结果中的最大值不大于预设判决门限，则捕获失败，则更新输入的接收信号，继续进行步骤一直至捕获成功；
[0017] 步骤二：动态校正电路检测到“第一次捕获成功”标志，开始进行动态校正，通过对数据帧中帧同步字与数据区之间有由“1”，“0”循环组成的周期序列进行快速傅立叶变换(FFT)或者对对数据帧中帧同步字与数据区之间有由“1”，“0”循环组成的周期序列进行采样之后再进行FFT，修正多普勒效应带来的频率偏移fd，发出“动态校正完成”标志给并行捕获电路，输出动态校正结果到高速跟踪电路，进行步骤三；
[0018] 步骤三：并行捕获电路检测到“动态校正完成”标志后，将再次启动捕获操作，当捕获成功时，记录捕获位置，输出“捕获完成”标志，停止捕获并进行步骤四；若捕获失败，则继续进行步骤三直至捕获完成；
[0019] 步骤四：高速跟踪电路根据接收到动态校正电路的动态校正结果，修正本地码表的初始码速率控制字；检测到并行捕获电路输出的“捕获完成”标志后，再用积分清除运算在并行捕获的基础上进一步缩小本地码序列与接收序列的码相位差，进行信号跟踪，一个循环周期的信号跟踪完成后，继续进行步骤四，实时地对接收信号进行跟踪，直到跟踪出现异常失锁导致接收系统复位，重新回到步骤一再次进行信号捕获。
[0020] 本发明还提出了一种激光通信测距一体化系统中的高速接收机，包括模数转换器(ADC)：将接收到的模拟信号转换为数字信号；吉比特收发器(GTH)：将ADC的数字信号进行串并转换；同步装置：将GTH输出的并行信号进行并行数据帧捕获、动态校正和高速锁相环跟踪，完成信号同步；测距支路：通过同步装置得到的同步信号实现距离测量；以及通信支路：通过同步装置得到的同步信号实现通信数据解算。
[0021] 进一步的，所述的激光通信测距一体化系统中的高速接收机中采用了前述特征的同步装置。
[0022] 本发明有益的技术效果如下：
[0023] 1.在同步装置的并行捕获电路中，采用n级流水线结构，可以减轻时钟的处理负担，同时降低了系统对硬件电路时序的要求。
[0024] 2.同步装置中的动态校正电路可以消除大的动态速率带来的多普勒效应的影响，有效提高了信号同步的精度。
[0025] 3.高速跟踪电路中的本地码表，其可调整的最小相位为Ts/2wid_NCO(Ts为一个码元长度，wid_NCO为本地码表量化位宽)，这也有效保证了信号同步的精度。
附图说明
[0026] 图1是高速接收机结构图；
[0027] 图2是并行捕获处理方法示意图；
[0028] 图3是相关运算的流水线结构图；
[0029] 图4是比较运算的流水线结构；
[0030] 图5是动态校正的处理流程图；
[0031] 图6是高速跟踪的处理流程图；
[0032] 图7是信号同步的Matlab仿真跟踪曲线；
[0033] 图8是Modelsim抓取的FPGA实现的信号同步跟踪曲线。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步说明。
[0035] 本发明提出的高速接收机结构如图1所示。一种激光通信测距一体化系统中的高速接收机，包括模数转换器(ADC)：将接收到的模拟信号转换为数字信号；吉比特收发器(GTH)：将ADC的数字信号进行串并转换；同步装置：将GTH输出的并行信号进行并行数据帧捕获、动态校正和高速锁相环跟踪，完成信号同步；测距支路：通过同步装置得到的同步信号实现距离测量；以及通信支路：通过同步装置得到的同步信号实现通信数据解算。接收信号的处理过程为：接收到的模拟信号经ADC采样，得到数字信号；采样的数字信号送入吉比特收发器(GTH)中进行串并转换；GTH串并转换后得到的并行数据在同步装置中完成信号同步；同步后的信号送入测距支路和通信支路完成距离测量和通信数据解算。
[0036] 信号的精确同步是测距和通信的基础，因此同步装置和同步方法是本发明提出激光通信测距一体化系统中的接收机和接收方法的核心。同步装置对输入并行信号进行并行数据帧捕获、动态校正和高速锁相环跟踪，当输入信号被锁相环跟踪锁定时，接收机便完成了对接收信号的精确同步。为了达到好的同步效果，本发明还设计了一种数据帧数据格式，具体为：帧同步字(N1bit)+“1”、“0”交替数据(N2bit)+数据域(N3bit)，其中N2bit“1”、“0”交替数据是为了测量多普勒频偏而加入的。在高速接收机中，同步装置由并行捕获电路、动态校正电路和高速跟踪电路三部分组成，下面分别对这三个电路进行详细说明。
[0037] 并行捕获电路采用并行计算方式搜索信号到达时刻，实现信号的粗同步。每个数据帧头部使用N1bit(在M倍采样的条件下，M是采样频率与信号速率之比，相当于M×N1个采样点)同步字，只要能够准确定位同步字位置即可完成对信号到达时刻的搜索。并行捕获的处理流程如图2所示，首先设置一个可以存储2M×N1(为方便运算，限定M×N1＝2n，n为正整数)个数据的寄存器组(Reg0)，用来存储接收数据，地址编为(2M×N1-1)～0，初值全为0。接收数据存入Reg0的方式为先入先出，即每个时钟周期将高地址的M×N1个数据移出Reg0；低M×N1个数据向高M×N1地址补齐；新到来的M×N1个数据存入低M×N1个地址中。本地码序列寄存器(Reg1)存储数据帧帧同步字的采样值，用于与接收信号进行相关运算，由于每个时钟周期Reg0中会更新M×N1个数据，因此一个时钟周期内将会完成M×N1个数据位置的捕获，也就是M×N1组相关运算。
[0038] 为降低大量运算对系统速率的影响，相关运算(图3)及比较运算(图4)流程均采用n级流水线结构。在图3所示的相关运算中，每个周期进行M×N1组相关运算，每组相关运算首先会产生M×N1个点乘结果，再使用n级流水线结构将点乘结果累加起来。第一级流水线操作中，Reg0中每相邻的两个数与Reg1的数逐位点乘，结果相加，M×N1/2组加法运算产生M×N1/2个累加结果，将其传送给第二级流水线；第二级流水线以第一级流水线的运算结果为输入，使每相邻的两个累加结果相加，M×N1/4组加法运算产生M×N1/4个累加结果，并将其传送给第三级流水线；以此类推，直到第n级流水线仅剩两个累加结果作为输入，将这两个累加结果相加，得到这一组相关运算的最终结果。同理，在图4所示的比较运算中，也采用n级流水线结构对M×N1组相关结果的大小进行比较，每一级流水线中对相邻的相关结果比较大小，将更大的那个相关结果输送至下一级，直到第n级仅剩两个相关结果，将更大的那个相关结果及其对应的位置输出。使用n级流水线结构可以保证对接收信号进行不间断地捕获，实时反馈捕获结果。当一组运算出现的相关峰值大于预设判决门限时，证明捕获成功并记录相关峰出现的位置；反之，则证明捕获失败，将使用新的数据继续进行捕获运算。
[0039] 动态校正电路用于修正多普勒效应带来的频率偏移。动态校正电路的处理流程如图5所示，在数据帧格式中，在帧同步字与数据域之间加入一段由二进制数“1”、“0”循环组成的周期序列(101010……10)，由于这段序列具有良好的周期性，在频域中对应频点处聚集性好，可使用快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)的方法测量其频偏。由于采样频率很高，要想获得较高的频偏测量精度，需要取很长的序列做FFT，但是长序列FFT十分消耗资源，且会占用大量数据域，所以采取以下办法完成频率偏移运算：在并行捕获完成后，动态校正电路开始在这段序列中抽取采样点，抽取间隔为固定值。当抽取到足够多的采样点后，对这些采样点进行FFT运算，在运算结果频谱中找到峰值点的位置m。假设采样时钟频率为fclk，抽样间隔点数为p，FFT运算点数为q，则频率偏移 码速率由于动态影响造成的速率偏差 RS表示符号速率，％表示取余运算，将结果ΔRS
送入高速跟踪电路可对偏移频率进行补偿。进而使用 对目标相对运动速率进行
估计，其中c表示真空下光速。
[0040] 高速跟踪电路实现信号的精确同步，在并行捕获的基础上进一步缩小本地码序列与接收序列的码相位差。高速跟踪电路的处理流程如图6所示，高速跟踪电路每个周期从前级接收到M×N1个数据，使用移位寄存器以先入先出的方式存储本周期到本周期前3个周期接收到的数据，然后根据粗同步的捕获位置从寄存器中同时提取超前支路E、即时支路I和滞后支路L(即时支路I的提取位置刚好与捕获位置对齐，而超前支路E和滞后支路L分别较即时支路I超前和滞后一个码元长度)的数据与本地码表(本地码表存储数据帧的帧同步字)产生的本地码序列进行积分清除运算。
[0041] 数据帧只有帧同步字部分用于进行积分清除运算，故积分清除的时间只是帧同步字序列持续时间，其余时间可以用来进行后续运算处理。由于每帧剩余时间较为充裕，从节省资源角度出发，后续运算可采用顺序执行的方式：首先将3路积分清除结果CE、CI、CL输入鉴相器，计算得到鉴相值eck，eck经滤波器滤波后得到码相位控制增量ΔFTW，对其进行参数计算，计算下一帧的相关参数，包括码相位控制字、码初始相位、数据帧长以及数据帧同步字长。将计算得到的码相位控制字、码初始相位以及数据帧同步字送入本地码表，本地码表产生新的码序列；将计算得到的数据帧长进行延时计算，计算下一帧帧同步字出现时刻所需延时周期数后，等待下一帧到来，本地码表产生的新的码序列与下一帧的帧同步字数据做积分清除运算，开启下一轮信号跟踪。如此循环往复，高速跟踪电路实时跟踪即时支路的相位变化，并调整本地码表的输出，使其输出码序列的相位逐步向即时支路逼近，直至锁定。
[0042] 设定激光通信测距一体系统传输数据的码元速率为4.976Gbps，目标相对径向运动速度达到4km/s。高速接收机ADC采样速率为10Gsps，采样后的数据经过GTH进行串并转换，转换为64路并行数据，同时时钟频率降为原时钟的1/64，即156.25MHz。由于ADC采样速率约等于码元速率的2倍，故本地码序列长度设置为64个采样点。每一路数据的数据速率为77.75Mbps。数据帧的数据格式为：帧同步字(32bit)+“1”、“0”交替数据(832bit)+数据域(7328bit)，帧同步字选用0x1ACFFC1D。为了获得准确的测距结果以及提取通信信息，现要求对ADC采集的高速信号进行精确同步。高速同步方法通过以下步骤实现：
[0043] 步骤一：将64路并行数据送入并行捕获电路，搜索帧同步字到达时刻，进行信号捕获。本地码序列与每个周期更新的64路并行数据做并行相关运算，得到相关运算结果，若这64个相关运算结果中的最大值大于预设判决门限，则认为捕获成功，记录相关峰值位置，输出“第一次捕获成功”标志，并进行步骤二，否则，捕获失败，更新输入的接收信号，继续进行步骤一直至捕获成功。
[0044] 步骤二：动态校正电路检测到“第一次捕获成功”标志，将会开启动态校正。在数据帧结构中，位于帧同步字与数据区之间有832bit由“1”，“0”循环组成的序列，动态校正电路将会对数据帧的这段序列进行抽样，每帧抽1个点，连续从2048个数据帧中抽取2048个点，补零至8192点，做FFT，得到动态频率偏移fd，其分辨率约为74.2Hz。然后动态校正电路发出“动态校正完成”标志，并将动态校正结果送入高速跟踪电路，修正本地码表的初始码速率控制字(FTW0)，以便跟踪时对信号更快锁定，进行步骤三。
[0045] 步骤三：并行捕获电路检测到“动态补偿完成”标志后，将会再次开启捕获操作。由于动态补偿过程较长，第一次捕获成功时的捕获位置对于高速跟踪电路来说已经失去意义，因此在动态补偿后要进行第二次信号捕获。当捕获成功时，记录捕获位置，输出“捕获完成”标志，停止捕获并进行步骤四；否则，继续进行步骤三直至捕获完成。
[0046] 步骤四：高速跟踪电路检测到“捕获完成”标志后，将开始对信号进行跟踪。首先根据捕获位置提取出即时支路I、超前支路E和滞后支路L，本地码表由经过校正的初始码相位控制字(FTW0)控制产生本地码序列，本地码序列分别与三条支路的数据进行积分清除，并对三路积分清除结果进行鉴相，将鉴相结果送入环路滤波器，采用二阶Jaffe-Rechtin滤波算法对其滤波，得到最终的码相位控制增量(ΔFTW)。码相位控制增量(ΔFTW)与初始码相位控制字(FTW0)叠加起来，得到新的码相位控制字(FTWn)。在新的码相位控制字的基础上，继续解算出对下一帧码初始相位、数据帧长和数据帧头长的预测，其中码相位控制字、码初始相位及数据帧同步字将指导本地码表产生新的本地码序列；而数据帧长将被用来预测下一帧的起始位置，指导在下一循环周期提取新的即时支路I、超前支路E和滞后支路L。继续进行步骤四，并由此循环下去，直到跟踪出现异常失锁导致接收系统复位，重新回到步骤一再次进行信号捕获，从而实现跟踪环路对信号相位的实时跟踪与同步。
[0047] 如图7和图8所示，这是在系统传输数据的码元速率为4.976Gbps，系统高速接收机ADC采样速率为10Gsps的情况下，对信号进行同步得到的Matlab仿真跟踪曲线(图7)以及基于FPGA中实现的跟踪曲线(图8)。图中的方块、菱形和五角星分别表示超前、即时和滞后三条支路的积分清除结果曲线.由图可见，在经过一段时间的跟踪后，三路积分清除结果将会趋于稳定，超前、滞后两路结果趋近于相同，且即时支路将会远远大于超前、滞后两路积分清除结果，这说明环路已经入锁。
[0048] 表1是对动态校正电路功能的验证。表中分别列出了有无动态校正时，同步装置对高速信号进行同步的偏差值，由表1可以看出，当目标相对径向速度达到一定数值时，多普勒效应带来的频率偏移会对信号的同步带来影响，如果不做动态校正，信号无法稳定入锁。动态校正电路可以修正多普勒效应带来的频率偏移，即使在动态速度很大时，也可以根据目标的运动速率进行调整，使得同步偏差量维持在很小的范围内。
[0049] 表1有无动态校正对同步偏差影响对比
[0050]
[0051] 由此可以验证本发明设计的包含动态校正电路的激光通信测距一体化系统高速接收机可以在高动态环境下对高传输速率信号进行精确同步和接收，为激光通信测距一体化系统提供了有力保障。
