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) - 全文

　　摘要：基于GPS/BD兼容高靈敏度導(dǎo)航產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，對經(jīng)典載波跟蹤環(huán)進(jìn)行修改，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高靈敏度跟蹤環(huán)路。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。并對高靈敏度跟蹤環(huán)路進(jìn)行仿真分析，證明高靈敏跟蹤環(huán)路對弱信號的跟蹤能力。

　　0 引言

　　全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS（Global Navigation Satel-lite System）在政治、經(jīng)濟(jì)以及軍事等多個(gè)領(lǐng)域都具有重要意義。從飛機(jī)、汽車到個(gè)人手持通信終端，都能看到GNSS定位技術(shù)，GNSS系統(tǒng)在民用領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，對國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)也起到了重要作用。目前全球已經(jīng)使用和公開研制的GNSS 系統(tǒng)一共有以下四個(gè)，美國的GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS 導(dǎo)航系統(tǒng)、歐盟的GALILEO導(dǎo)航系統(tǒng)和中國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。

　　隨著技術(shù)的進(jìn)步、應(yīng)用需求的增加，衛(wèi)星導(dǎo)航以全天候、自動(dòng)化、高效率、高精度等顯著特點(diǎn)及其所獨(dú)具的定位導(dǎo)航、精密測量、授時(shí)校頻等多方面的強(qiáng)大功能，已涉足眾多的應(yīng)用領(lǐng)域，使衛(wèi)星導(dǎo)航成為了繼蜂窩移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)之后的全球第三個(gè)IT經(jīng)濟(jì)新增長點(diǎn)。隨著我國自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)北斗系統(tǒng)建設(shè)的全面展開，北斗的應(yīng)用將迅速推廣，結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航與通信、多媒體等的多方面需求。面向大眾及行業(yè)的導(dǎo)航應(yīng)用，研制高性能多模高靈敏度導(dǎo)航基帶芯片及多模導(dǎo)航基帶IP 核，將對提高我國核心導(dǎo)航產(chǎn)品技術(shù)水平和市場占有率，為重大專項(xiàng)典型示范項(xiàng)目提供自主核心芯片和解決方案。

　　天線接收到的GPS 信號功率一般為-130 dBm，但在室內(nèi)、森林、城市等復(fù)雜環(huán)境下，GPS信號驗(yàn)證衰減可達(dá)20~30 dB，此時(shí)普通GPS 接收機(jī)不能實(shí)現(xiàn)正確的捕獲和跟蹤。本文基于了高靈敏度數(shù)字基帶芯片的研究背景，對經(jīng)典載波跟蹤環(huán)進(jìn)行修改，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高靈敏度跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)，高靈敏跟蹤環(huán)路接收機(jī)實(shí)現(xiàn)了正確的捕獲和跟蹤。

　　1 自主跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)

　　1.1 自主跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)

　　衛(wèi)星信號由3部分組成：導(dǎo)航電文、偽隨機(jī)擴(kuò)頻（C/A）碼和載波?；鶐盘?a target="_blank">處理器同步過程包括捕獲和跟蹤。捕獲是一個(gè)對衛(wèi)星和接收機(jī)相對運(yùn)動(dòng)引起的載波多普勒頻偏和C/A 碼相位偏移進(jìn)行粗略估計(jì)的二維搜索過程，捕獲完成后這兩個(gè)參數(shù)用來初始化跟蹤環(huán)路。

　　跟蹤環(huán)路進(jìn)行了精確地相位同步和跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)了載波的剝離和C/A碼的剝離，最終得到了導(dǎo)航電文用于導(dǎo)航解算。

　　自主捕獲通道所得結(jié)果中的衛(wèi)星號、擴(kuò)頻碼相位這些信息輸入至衛(wèi)星擴(kuò)頻碼產(chǎn)生器，啟動(dòng)了擴(kuò)頻碼序列的產(chǎn)生，包括超前0.5 碼片、即時(shí)碼片和滯后0.5 碼片共3 路序列，然后與本地偽碼信號進(jìn)行相關(guān)處理，通過擴(kuò)頻碼跟蹤環(huán)路與載波跟蹤環(huán)路的有關(guān)運(yùn)算，使載波環(huán)路和碼環(huán)路保持了鎖定狀態(tài)。程序結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　跟蹤環(huán)路包括了載波跟蹤環(huán)和碼跟蹤環(huán)，兩個(gè)環(huán)路相互影響，只有兩個(gè)環(huán)路同時(shí)鎖定時(shí)，才能解調(diào)出導(dǎo)航電文。載波跟蹤環(huán)路對環(huán)境噪聲、晶振的相位噪聲和動(dòng)態(tài)應(yīng)力等更加敏感，比碼跟蹤環(huán)路更容易失鎖，因此成為接收機(jī)的關(guān)鍵和設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

　　1.2 碼跟蹤環(huán)路

　　由于碼跟蹤環(huán)DDLL算法可用軟件實(shí)現(xiàn)，并能保證偽碼延時(shí)精確到1%個(gè)碼片內(nèi)。因此，自主碼跟蹤環(huán)采用了此方法進(jìn)行偽碼相位跟蹤的，即利用本地碼發(fā)生器產(chǎn)生了相位超前、滯后信號并與輸入的信號相關(guān)，比較兩支路結(jié)果以獲取碼相位誤差信號來控制碼DCO并產(chǎn)生與輸入碼相位一致的本地碼信號。

　　碼環(huán)鑒相器的輸入為同相/正交支路碼相位超前/滯后的相關(guān)信號。碼相關(guān)發(fā)生時(shí)環(huán)路進(jìn)入了跟蹤狀態(tài)，假定d = 2δ，d 為相位超前與滯后支路的相位間隔，則超前一滯后型非相干DDLL環(huán)的控制量B（k） 可由式（1）獲得：

　　分別表示鑒相器的增益系數(shù)和鑒相特性函數(shù)。GPS C/A碼的碼長為L = 1 023，BD C/A碼的碼長為L = 2 046，碼元寬度為tc =20 ms，其相關(guān)函數(shù)為：

　　由此可得鑒相器的鑒相特性函數(shù)：

　　鑒相特性函數(shù)為相關(guān)間隔與碼相位偏差的函數(shù)。

　　若定義（-δ，δ） 為鑒相線性范圍，鑒相特性函數(shù)在ε = 0 處的斜率D′（ε，δ） 為DDLL環(huán)的鑒相增益，Dmax （ε，δ） 為跟蹤牽引范圍。

　　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)量測過程中調(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反轉(zhuǎn)的限制，且會(huì)減小頻率搜索的步長，相干積分時(shí)間難以很長，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，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，在弱信號情況下，環(huán)路依舊具備較強(qiáng)的頻率跟蹤能力。

　　3 結(jié)語

　　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)。