載波跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì) - 數(shù)字基帶芯片揭秘：高靈敏度接收機(jī)跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)

　　1.3 載波跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)

　　載波的同步包括了捕獲和跟蹤兩個(gè)過(guò)程，載波捕獲即多普勒頻移的粗略估計(jì)已由快捕通道的捕獲算法完成，而精確的載波相位及多普勒頻移跟蹤則通過(guò)反饋跟蹤控制環(huán)路實(shí)現(xiàn)。本方案采用一種非相干的FLL環(huán)--叉積自動(dòng)頻率跟蹤環(huán)（CPAFC）加鎖相跟蹤算法作為載波跟蹤方法。在通過(guò)捕獲算法進(jìn)行偽碼捕獲后，載波多普勒頻移范圍被“牽引”到了500 Hz，為了使多普勒頻移進(jìn)入叉積鑒頻器的線性工作范圍，算法上首先采用叉積鑒頻器將頻率從幾百赫茲降到幾赫茲，然后利用鎖相環(huán)進(jìn)行精確的頻率跟蹤。

　　叉積自動(dòng)頻率跟蹤環(huán)鑒頻算法為：

　　假定連續(xù)量測(cè)過(guò)程中調(diào)制數(shù)據(jù)位不變，即有D（k）D（k - 1） = 1.在預(yù)檢積分時(shí)間內(nèi)載體機(jī)動(dòng)造成的頻率偏移可視為恒值，則有Δfd ≡ Δfd （k） = Δfd （k - 1） 成立。而由于Φk = Δfd （k） - tk + Φ0 ，則：

　　輸出與單位時(shí)間間隔內(nèi)的相位變化成正比，可以用此輸出量控制載波DCO 以達(dá)到頻率跟蹤的目的。該算法上要求在同一數(shù)據(jù)位內(nèi)計(jì)算，在信噪比較低的情況下仍能取得較好的性能［7］。

　　設(shè)定相干積分時(shí)間為20 ms，載波固定頻偏為2 Hz，環(huán)路帶寬為10 Hz，當(dāng)輸入信號(hào)由-140 dBm 減弱至-160 dBm 時(shí)的仿真效果圖如圖2~圖5所示。

　　由圖2~圖5 可知，當(dāng)輸入信號(hào)功率小于-150 dBm時(shí)，采用傳統(tǒng)的環(huán)路跟蹤策略已經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的跟蹤，必須要設(shè)計(jì)新的跟蹤方法。

　　2 高靈敏的跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)

　　在現(xiàn)有多款GPS、BD、GLONASS接收機(jī)基帶算法和電路基礎(chǔ)上，利用GNSS 研發(fā)平臺(tái)和開發(fā)板，進(jìn)一步試驗(yàn)和驗(yàn)證提高接收機(jī)自主靈敏度的方法。采用共用式匹配濾波器和相關(guān)器等靈活高效的電路結(jié)構(gòu)，匹配濾波器用于搜索和捕獲，相關(guān)器用于跟蹤。不同通道、GPS和北斗二號(hào)分時(shí)共用同一匹配濾波器和相關(guān)器，以電路速度換取電路規(guī)模等手段，提高了系統(tǒng)的處理能力，從而達(dá)到了提高捕捉靈敏度，減小啟動(dòng)時(shí)間，減少偽捕捉現(xiàn)象，減小電路規(guī)模等目的。

　　算法上，采用了相干積分與非相干積分相結(jié)合的辦法實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)捕捉與跟蹤。相干積分的效率高于非相干積分，但相干積分受比特符號(hào)反轉(zhuǎn)的限制，且會(huì)減小頻率搜索的步長(zhǎng)，相干積分時(shí)間難以很長(zhǎng)，所以只能采用相干積分與非相干積分相結(jié)合的辦法，可將總的積分時(shí)間增加到秒級(jí)，以達(dá)到高靈敏度的目的。

　　依照如圖6所示將經(jīng)典載波跟蹤環(huán)做出修改，核心思想是將傳統(tǒng)的單點(diǎn)積分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成一列數(shù)據(jù)，對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換后，可提高載波頻率的估計(jì)精度，從而提高系統(tǒng)的跟蹤靈敏度，基本達(dá)到了高靈敏度跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)的要求。設(shè)定相干積分時(shí)間PIT=20 ms，預(yù)設(shè)頻偏為20 Hz，當(dāng)輸入信號(hào)功率為-150~-160 dBm 時(shí)的仿真圖如圖8~圖9所示。

　　由圖7~圖9可知，在弱信號(hào)情況下，環(huán)路依舊具備較強(qiáng)的頻率跟蹤能力。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　本文基于數(shù)字基帶芯片的研究背景，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了GPS和BD2載波跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)。提供了一種高靈敏的載波跟蹤環(huán)路的仿真與實(shí)現(xiàn)，是高靈敏度接收機(jī)實(shí)現(xiàn)的核心技術(shù)。