CN1006517B - 适用于频带展宽信号的接收机 - Google Patents

Abstract

用于频带展宽信号的接收机中存储的伪随机码，与所接收的调制信号的伪随机码同步，然后调制信号被解调。为此目的而提供的装置包括多个控制回路。在接收机中，随后将替换成(3)中频值的调制载波信号被数字化(4)，然后与存储(7)的伪随机码相乘(5)。按这种方法产生的信号，以两倍于从存储器(7)读出的频率被取样(6)，取样信号提供给一个计数器(10)，由计数器的输出值形成I信号和Q信号。对于同步和解调所需的控制变量，由控制回路的I信号和Q信号决定。

Description

本发明涉及一种适用于频带展宽信号的接收机。频带展宽信号是一种用伪随机码进行编码的高频载波信号（下文中称之为PRC）。该频谱展宽码又被一个用于数据传输的调制信号来调制，这个调制信号时常也是数字信号。在这种情况下，为了数据传输，将另外一种数字信号叠加在第一种数字信号一伪随机码-之上。一般来说，两个数字信号的时钟频率彼此差别很大。

为频带展宽之目的而被发射机采用的伪随机编码，存储在接收机之中，此外，接收机还包括一个时钟脉冲发生器，由它产生时钟脉冲信号，用以控制存储器中编码的读出。时钟脉冲信号的相位必须按如下的方式控制，即在存储在接收机中的伪随机码与所接收信号的伪随机码之间造成时间的一致。发射台到接收机的距离可以依据接收的伪随机码和存储在接收机之中的伪随机码之间的相位移来加以确定。

采用频带展宽信号的系统，例如有，联合战术信息分配系统，缩写为JTIDS和全球定位系统，缩写为GPS。

全球定位系统（GPS，下同）已由J;J，小斯庇尔科（J，J    Spilker，Jr）。在1978年夏季出版的，导航协会杂志-“导航”的第25卷，第2期，第121～146页“GPS信号结构和 运行特性”一文之中描述过。

适用于频带展宽信号的接收机也在上面引证过的全球定位系统的出版物的第139页～146页之中阐述过。但是这种接收装置非常复杂。也非常昂贵。

本发明的目的，就是为提供一个可以采用一简单方法使之得以实现，又适用于频带展宽信号的接收机。

本发明的这一目的是通过在权利要求第一项中指明的方法达到的。有益的进一步的改进方案，包括在从属权利要求之中。

这种新型接收机可以具有很高的集成度。

大部分功能可以由一个处理装置来完成。按照新的解决方案，为实现射频部分，只要求少量电路。特别是不需要频率和幅度控制装置。以一种简单的方法即可以扩展接收机，使之能够按时分制多路复用方式，同多个卫星建立联系，具体地说，假如它是按照全球定位系统的接收机形式加以实现的话，这点更是必要的。所要求的附加的复杂性则是非常次要的。

现在，根据特例及附图，将本发明详细说明如下，其中

图1a至c表示频带展宽信号的各种波形图。

图2表示新型接收机的方框图。

图3a到b表示接收机工作的各种信号的波形图。

为了产生频带展宪信号，例如具有1千兆赫频率的高频载波（图1a），被由0状态和1状态信号组成的，例如具有1兆赫时钟频率的伪随机码PRC（图1b）调制。根据伪随机码是处于0状态还是处于1 状态，载波的相位或保持不变，或相移180°，采用这种方法产生的信号（图1c）在下文中将称之为载波信号。

全球定位系统可以用这种信号来测量距离。

假如存储在接收机之中的伪随机码的相位，按照为再一次使两个伪随机码在时间上保持一致的方法来加以控制的话，发射台到接收机的距离就可以采用已知方法来确定。

假如，想借助频带展宽信号传输数据，就可以通过用包含该数据的信号去调制载波信号来实现。这种调制信号也可以是数字信号。在这种情况下，另一个数字信号叠加在数字伪随机码之上。两个数字信号的时钟频率最好互相有明显的差别，时钟频率以1兆赫和50赫为宜。

正如上面已经指出的，采用频带展宽信号的全球定位系统是一个公知的系统，其测距和数据传输两者皆借助于全球定位系统GPS来完成。

在全球定位系统接收机-像从所引证的文献中得知的接收机-的现有技术中，存储的伪随机码的相位是被控制的。例如，采用所谓的π型高频脉动控制回路，或超前/滞后控制回路来加以控制。还提供了科塔（Costas）控制回路。在这个回路中，形成了调制载波信号的I分量和Q分量（遵循适合的信号处理，例如变换成中频值），并将调制信号解调。

在新型接收机中，控制标准与已知的接收机的相同，但是，它是用与已知的接收机全然不同的方法来实现的。由于控制标准是公知的，在以下的说明中，将不予详细的讨论。

现在，根据图2和图3，做出如下的说明：信号由天线1接收，并提供给射频部分2，在设置于射频部分2之后的中频部分3中，把频率变换成5千赫。中频频率是按这样的方法选择的，即可出现所期望的多 普勒频移最大值时，使中频维持不等于0。中频信号在数字转换器4中，按如下这种方法被数字化，即在超过门限值时，数字信号处于1状态;而在低于门限值时，数字信号处于0状态。适当的门限值为零。

幅度比调制载波信号大接近20分贝的噪声信号叠加在被数据调制的接收载波信号之上。假如没有载波信号，在数字信号中的0信号和1信号的数量是相等的。这个数字化的信号在乘法器5中，与伪随机码相乘，在采样电路6中，以两倍于从储存器7读出的伪随机码的频率，对所产生的信号取样。通过取样程序的信号示于图3C。

在乘法器5之后，如果出现载波信号（无论其被传输数据的调制信号所调制或未被调制），在整个信号期间，0和1的数量将也不再均等分配。出现0和1的频率的分配，将随载波信号的中频频率变化（图3a和图3b），如果所接收的信号未受多普勒频移影响时，以5千赫频率变化;而所接收的信号有所期望的多普勒频率时，以500赫和9.54赫的频率变化。

由取样处理所产生的信号被提供给计数器10。假如没有载波信号，计数以线性方式增加，如图3d中虚线所示。但在有载波信号存在时，无论其是否有调制信号计数曲线将形成一条其斜率有时大于或有时小于虚线斜率的曲线，如图3d中实线所示。这些计数连续地提供给两个乘法器12和13，每个乘法器都接收一个由时钟脉冲发生器15产生的有规则的“+1”和“-1”序列的信号。时钟频率与中频频率相同，也包括有任一可能出现的多普勒频移。乘法器13的信号相对于乘法器12的信号偏移一个相当于 1/4 中频信号周期的时间间隔。两个乘法器的输出信号对应于未滤波的I分量和Q分量。按照相同的方法，在已知的接收机中也产生这些信号。在新型接收机中，仍用它们产生控制信号。

求和电路16和17中的每一个，在由时钟脉冲发生器15产生的时钟脉冲的每个周期，求和一次。

I＝-Z（O）+2Z（π）-Z（2π）

Q＝-Z（O）+2Z（ (π)/2 ）-2Z（ (3π)/2 ）+Z（2π）

每个被加数按括号中给定的时刻分别计数。确保计数在所期望的时间内得到进一步处理的控制线，在图2之中未予示出，对于那些本领域内的熟练人员，如果它们知道它的功能，将能在图2的电路中作出适当的补充。

求和分量I和Q在乘法器19中相乘，所产生的数值作为乘法处理的积，提供给数字低通滤波器32。低通滤波器32的输出信号按照以下的方法控制时钟脉冲发生器的频率和相位，即，使低通滤波器32的输出信号，与变换成中频值的载波信号有相同的频率和相同的相位。乘法器12，13，19求和电路16，17，低通滤波器32，时钟脉冲发生器15和相移装置14构成科斯塔（Costas）回路。在控制状态下，由求和电路16输出的数字值I序列代表调制信号，借助这个调制信号所发射的数据，按已知的方法，在图中未示出的计算装置中被还原。

I值和Q值不仅提供给乘法器19，而且还提供给平方电路18和20。在平方电路中，每个值都被自乘，这些值的平方加到求和电路21，这些代表载波信号幅值的求和值，交替地（22）提供给第一数字低通滤波器（23）和第二数字低通滤波器（24）。对两个低通滤波器来说替换速率相同，伪随机码就是以这个速率从存储器7中读出的 （脉动频率，125赫）。低通滤波器23和24的输出信号提供给处理装置25，在处理装置中，计算这些值的和与差。按已知的方法，可以确定控制信号，以控制在时钟脉冲发生器9产生的时钟脉冲信号的相位，这个时钟脉冲信号在分频器8中被二分频之后控制从存储器7读出伪随机码。另外，由时钟脉冲发生器9产生的时钟脉冲信号，还用作取样电路6的时钟脉冲信号。相位控制是按照以下分式进行，即，使接收机存储的伪随机码与所接收信号的伪随机码具有相同相位。相对于一个参考周期，伪随机码的时间位置与接收机到发射台之间的距离成正比，因此，也把伪随机码的时间位置提供给图中未予示出的计算装置。

时钟脉冲发生器9，分频器8，存储器7，取样装置6，计数器10，乘法器12，求和电路16和17，平方电路18和20，求和电路21，低通滤波器23和24，以及处理装置25构成了一已知的超前/滞后控制回路。由时钟脉冲发生器9输出的时钟信号-除了上面已指出的方式之外-还周期性地（时钟频率125赫）超前或滞一个时钟周期，如在所引证的全球定位系统文献中所知。这是由处理装置来控制的。

涉及到科斯塔（Costas）回路所做的陈述，也适用于其方框图已示于图2之中的超前/滞后控制回路。也即，理所当然可以产生上述功能的各时钟信号未在图中示出，因为本领域内的熟练人员将可以作出适当的补充。

实现单个的组合也是熟练人员力所能及的。例如，乘法器5可以是一个异-或门;采样电路6可以采用J-K触发器这一明显有利的方式来实现，J-K触发器从时钟脉冲发生器9接收所需要的时钟脉冲。此外当数字值采用许多单元加以处理时，借助于处理装置，上述若干组合皆可实现。

在以上说明之中，对伪随机码使用了不同的参考。而在全球定位系 统之中，每个卫星（即发射台）均有特定的伪随机码。出于导航之目的，必需同时测量，至少必需迅速地连续测量出到各个卫星的距离。采用新型接收机就可以按分时制多路复用的有利方式来完成测量。为此，必需把所需要的各卫星的伪随机码存储在接收机中，每一毫秒进行一次从一个伪随机码到下一个伪随机码的替换，而上述的控制运算皆在这些周期内完成。控制电路继续锁定到所需的全部卫星上，而从所有卫星接收到信号的数据还原可以不中断。

Claims (6)

1、一个适用于频带展宽调制载波信号的接收机，在该接收机中，为频带展宽目的被发射机采用的存储于该接收机中的编码，与所接收信号的频带展宽编码相同步，所接收信号的调制在该接收机中解调，该接收机包含有几个控制回路，为控制之目的，在控制回路中产生了调制载波信号的I分量和Q分量，其特征在于：

用于量化中频信号的一个量化器(4)；

第一乘法装置5，用于将存贮装置(7)中存贮的伪随机码与一位量化器(4)的输出相乘；

采样装置(6)，用于对第一乘法装置(5)的输出采样；

计数器(10)，对采样装置(6)的输出脉冲计数，并把计数输出供给第二乘法装置(12)和第三乘法装置(13)；

第一和第二加法装置(16)和(17)，分别接在第二乘法装置(12)和第三乘法装置(13)之后，并在它们的输出端分别给出滤波正交分量：

I=-Z(0)+2Z(π)-Z(2π)和

Q=-Z(0)+2Z( (π)/2 )-2Z( (3π)/2 )+Z(2π)

或是它们的几倍或几分之一；

相对于信号的一个周期2π，各个加数按括号中给定的间隔分别计数；

装置(19，18，20，21)，为控制之目的进一步处理正交分量I和Q。

2、按照权利要求1的接收机，其特征在于，数字信号由“0”值和“1”值，或由“+1”值和“-1”值组成。

3、按照权利要求1或2中的接收机，其特征在于，所接收的调制载波信号，在数字化之前，就转换到中频值。

4、按照权利要求1至3中的任一个的接收机，其特征在于，计数器周期地复位。

5、按照权利要求3或4中的任一个的接收机，其特征在于，计数器输出值与由“+1”和“-1”组成的脉冲序列相乘（12，13）并且一个相对另一个偏移一个中频信号1/4周期的时间间隔。

6、按照权利要求1至5中的任一个的接收机，其特征在于，取样电路（6）是一个J-K触发器。

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