CN101813760B - 一种应用于全球定位系统接收器的载波跟踪电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于全球定位系统接收器的载波跟踪电路，其包括接收并存储GPS信号基带待处理数据的输入数据缓冲器、产生与输入GPS信号载波同频的数据的数控振荡器、与输入数据缓冲器和数控振荡器连接的卷积器、与卷积器连接的能量缓冲器、用于判断能量缓冲器输出信号的相位变化或频率和相位变化的判断电路、以及用于滤除判断电路输出误差信号的高频信号的环路滤波器，其中环路滤波器输出控制信号至与数控振荡器连接的控制寄存器，其基于控制信号算出GPS信号载波的多普勒频率，以产生与输入GPS信号载波同频的数据。本发明通过在全球定位系统接收器中采用硬件实现的锁相环跟踪电路，能有效地满足对全球定位系统载波信号的实时性要求。

Description

一种应用于全球定位系统接收器的载波跟踪电路

技术领域

本发明涉及全球定位系统，更具体地说，涉及一种应用于全球定位系统接收器的载波跟踪电路。

背景技术

GPS(全球定位系统)信号分为保密GPS信号和民用GPS信号。民用GPS信号是一个被调制的扩频信号，它既被载波调制(其中L1载波中心频率为1575.42MHz)，又被相位变化速率为1.023MHz的扩频码C/A调制。全球定位系统接收器的任务是通过接收GPS信号，去掉载波信号和扩频信号，提取出GPS信号中的导航数据。然后利用提出的导航数据计算导航卫星的位置，最后用卫星的位置迭代计算用户的位置，从而达到定位用户坐标的目的。

图1示出了一个典型的全球定位系统接收器的工作原理图。天线接收射频GPS信号，射频和模数转换器模块把射频信号的中心频率调节到基带，并采样成数字信号。搜索模块搜寻基带信号中的载波频率和C/A码的相位后，设置为跟踪模块跟踪参数的初始值。载波频率和C/A码的相位为跟踪模块需要跟踪的参数。跟踪模块分为载波跟踪模块和C/A码跟踪模块，去除GPS信号中的载波信号，这个过程叫做解调，解调过程是本地产生的载波信号与输入信号相乘的过程；跟踪模块去除GPS信号中的C/A扩频码，这个过程叫做解扩。从提取出跟踪结果中的导航数据等有效数据，定位卫星位置，最终定位用户位置。

搜索和跟踪的基本原理是对输入信号和用户配置的参数做卷积运算，判断输入信号能量峰值，确定对应的载波频率和C/A相位等参数。搜索和跟踪模块都需要做卷积运算，为了节约资源，很多接收器方案都是采用复用卷积器的方法。搜索和跟踪模块需从卷积器读取需要时间段的卷积结果，配合各自搜索或跟踪的算法，即可达到搜索或跟踪的目的。而解调需产生与GPS载波信号同频的本地载波信号，数控振荡器就是产生这种信号的模块。

在GPS信号的接收过程中，卫星或者全球定位系统接收器的运动产生多普勒效应。射频和模数转换器的本地晶振也不可能完全稳定，因此会发生频率漂移。这两个因素都会造成载波频率的偏移。由于L1频带的中心频率很高，多普勒效应造成的载波频率偏移甚至可达±10kHz。解调时载波频率的精确性直接影响用户定位的精确度甚至成功与否。通过搜索可以得到较为准确的载波频率。为了能够跟踪这个载波频率的漂移，我们设计了载波跟踪电路，能够有效降低载波频率误差。

GPS信号载波频率的跟踪在GPS接收器中是必不可少的。纵观现有的技术方案，最接近的跟踪技术是采用锁频环辅助的锁相环跟踪载波频率，再配合一些算法判断结果，确定整个跟踪环路是否满足跟踪精度的要求。

如图2所示，现有技术采用软件实现载波跟踪环路功能，图中示出了现有技术方案的跟踪处理流程。载波跟踪环路的主要部件鉴相器或鉴频鉴相器以及环路滤波器由软件实现，另一部分数控振荡器由硬件实现。在此对此载波跟踪环路的工作过程进行描述。硬件把数控振荡器产生的本地载波数据与输入数据做卷积，得到固定时间输入数据的卷积能量值，并更新能量值。软件读取此能量值，送入鉴相器或者鉴频鉴相器，输出误差信号到环路滤波器。环路滤波器滤除跟踪环路的高频信号，得到稳定的误差信号，控制硬件中数控振荡器产生的本地载波频率。压控振荡器的控制信号与环路滤波器得到的误差信号成一定比例关系，控制数控振荡器产生的本地载波信号的频率。一次环路成功工作的过程中，硬件计算完当段时间输入数据的卷积能量值后，软件需读取结果，计算误差后，反馈误差结果到控制硬件中的数控振荡器，调节数控振荡器产生的信号的频率。然后数控振荡器产生下个时间段的数据，作为输入数据送入卷积器。假定硬件做卷积运算的初速足够快，当软件读写硬件时间加上软件处理跟踪运算的时间超过这个设定的固定时间，软件读到的用来载波跟踪的卷积值就可能不是当前时刻的能量值，整个全球定位系统接收器的对GPS信号的跟踪就不能满足实时性要求，解析得到的导航数据也是错误的。

对GPS信号载波频率跟踪的跟踪环路需要在有限的时间内取得卷积结果也就是待处理数据。现有的技术中，使用锁相环实现的跟踪环路均采用软件实现方案。软件在规定的有限时间内需要从硬件读取待处理数据并完成跟踪运算，再根据跟踪得到的结果控制硬件的相关等运算。当处理器在有限时间内来不及响应这个读操作，跟踪环路不能满足实时性的要求，环路不能正确的跟踪载波频率，整个接收器的信号解调工作就不能正常进行，解析得到的导航数据也是错误的。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述采用软件在有限时间内来不能及时响应读操作，而造成跟踪环路不能满足实时性、环路不能正常跟踪载波频率以及信号解调不能正常进行而获得错误导航数据的缺陷，提供一种应用于全球定位系统接收器的载波跟踪电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种应用于全球定位系统接收器的载波跟踪电路，其包括用于接收并存储GPS信号基带待处理数据的输入数据缓冲器、用于产生与输入GPS信号载波同频的数据的数控振荡器、同时与所述输入数据缓冲器和数控振荡器连接的卷积器、与所述卷积器连接的能量缓冲器、用于判断所述能量缓冲器输出信号的相位变化或频率和相位变化的判断电路、以及用于滤除所述判断电路输出误差信号的高频信号的环路滤波器，其中所述环路滤波器输出稳定的控制信号至与所述数控振荡器连接的控制寄存器，所述控制寄存器基于接收到的控制信号算出GPS信号载波的多普勒频率，从而产生与输入GPS信号载波同频的数据。

在本发明所述的载波跟踪电路中，所述接收器进入跟踪模式时，所述卷积器每做完一次卷积运算的下一时钟上升沿开始进行跟踪运算。

在本发明所述的载波跟踪电路中，所述控制寄存器的初始化包括配置GPS信号载波的中心频率为搜索到的载波频率、配置GPS信号载波的多普勒频率、配置跟踪的导航卫星为搜索到GPS信号的卫星、配置所述能量缓冲器存储的时间为一特定时间、以及配置接收器的工作模式为跟踪模式。

在本发明所述的载波跟踪电路中，所述控制寄存器根据接收到的控制信号，控制其中的载波频率和载波的中心频率按照一定比例相加，作为特定时间内所述数控振荡器生成信号的频率。

在本发明所述的载波跟踪电路中，所述数控振荡器和输入数据缓冲器的数据同时输入所述卷积器，运算结果包括同相相关结果和正交相关结果，所述卷积器每运算一次便将结果送至所述能量缓冲器中，在特定时间执行完成后，所述同相和正交两路结果的能量各累加此特定时间的能量值，累加后的同相运算结果和正交运算结果送入所述判断电路。

在本发明所述的载波跟踪电路中，所述判断电路通过对同相运算结果和正交运算结果的能量值的运算，判断信号的相位变化或频率和相位的变化，得到本地载波估计的误差信号，输出判断结果至所述环路滤波器。

在本发明所述的载波跟踪电路中，所述判断电路包括与所述能量缓冲器连接的鉴相器或鉴频鉴相器。

在本发明所述的载波跟踪电路中，所述GPS信号载波的多普勒频率与控制信号的频率成正比，所述控制寄存器算出载波的多普勒频率并将其写入控制寄存器中。

实施本发明应用于全球定位系统接收器的载波跟踪电路，具有以下有益效果：通过在全球定位系统接收器中采用硬件实现的锁相环跟踪电路，能够有效地满足对全球定位系统载波信号的实时性要求，由于采用硬件实现时不需要存储之前搜索卷积计算结果，而是直接通过这个结果计算出反馈的控制系数，不仅节约了硬件空间，更满足了实时性要求。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是典型的全球定位系统接收器的工作原理图；

图2是现有的载波跟踪环路的结构原理图；

图3是本发明的载波跟踪电路的结构原理图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

由于多普勒效应或者本地晶振的漂移，会导致载波频率的偏移。为得到用户的精确位置，需要知道精确的载波频率。对载波频率的估计分成搜索和跟踪两个步骤，通过搜索可以得到较为准确的载波频率。为了能够跟踪这个载波频率的漂移，本发明在此采用硬件实现了载波跟踪电路，能够有效降低载波频率误差。

在软硬件协同处理的片上系统全球定位系统的接收跟踪方案中，采用软件跟踪方法要求软件在有限时间内取得卷积结果作为跟踪环路的输入数据。然而，当这个要求的时间间隔很短时，处理器的软件必须频繁处理获取输入数据的请求，很可能导致处理器来不及在规定时间取得此数据，从而使得跟踪环路不能在规定的时间范围内完成运算和更新跟踪结果。例如，处理器2ms才能响应一次从存储器读数据的请求，跟踪环路要求1ms对载波参数做一次跟踪的要求就达不到，跟踪环路的性能就满足不了要求。

本发明实现了采用硬件实现了载波跟踪环路。当搜索部分的卷积结果计算完成，直接送入硬件跟踪环路中做跟踪反馈运算。鉴相器和环路滤波器(即判断电路，参考图3)均用硬件电路实现。当接收器系统进入跟踪模式时，跟踪电路在卷积器每做完一次卷积运算的下一时钟上升沿开始进行跟踪运算。由于硬件实现时不需要存储之前搜索卷积计算结果，而是直接通过这个结果计算出反馈的控制系数，不仅节约了硬件空间，更满足了实时性要求。

如图3所示，图中示出了本发明的载波跟踪电路的原理结构图。本发明的载波跟踪电路包括与外围搜索部分连接的输入数据缓冲器1、卷积器2、能量缓冲器3、判断电路4、环路滤波器5、控制寄存器6及数控振荡器7。输入数据缓冲器1用于接收并存储GPS信号基带待处理数据。卷积器2与输入数据缓冲器1相连，然后卷积器2、能量缓冲器3、判断电路4、环路滤波器5、控制寄存器6及数控振荡器7依次相连，整体构成一个环路。数控振荡器7用于产生与输入GPS信号载波同频的数据。卷积器2同时与输入数据缓冲器1和数控振荡器7连接，能量缓冲器3与卷积器2相连。判断电路4与能量缓冲器3相连接，用于判断能量缓冲器3输出信号的相位变化或频率和相位变化。环路滤波器5用于滤除判断电路4输出误差信号的高频信号。其中，环路滤波器5输出稳定的控制信号至与数控振荡器7连接的控制寄存器6，控制寄存器6基于接收到的控制信号算出GPS信号载波的多普勒频率，从而产生与输入GPS信号载波同频的数据。

输入数据缓冲器1接收并存储一段时间外部模数转换器(即搜索部分)的GPS基带待处理数据。假定t为一个载波跟踪环路的工作周期，在时间t内可以写入控制寄存器6中的配置信息。

首先，初始化控制寄存器6。控制寄存器6的初始化包括配置GPS信号载波的中心频率为搜索到的载波频率、配置GPS信号载波的多普勒频率(由于多普勒效应和本地晶振频率漂移产生的载波偏离中心频率的频率值)、配置跟踪的导航卫星为搜索到GPS信号的卫星、配置能量缓冲器3存储的时间为一特定时间t、以及配置接收器的工作模式为跟踪模式。

另外，数控振荡器7用于产生与输入GPS信号载波同频的数据。控制寄存器6中的载波多普勒和载波的中心频率按照一定比例相加，作为这段时间t内本地数控振荡器7生成信号的频率，控制数控振荡器7的数据输出。

数控振荡器7和输入数据缓冲器1的数据同时送入卷积器2。卷积器2以1/4毫秒为单位计算得到一次卷积结果，这个卷积运算的结果通常是同相相关结果和正交相关结果两路信号。卷积器2每算完一次卷积结果，结果被送到能量缓冲器3中。当在时间t内完成时，同相和正交两路能量各累加此特定时间t的能量值，运算结果同相结果I和正交结果Q送入鉴相器或鉴频鉴相器(即判断电路4)。

鉴相器或鉴频鉴相器可以是Q×I、Q×sign(I)、Q/I、四象限正切运算或二象限正切运算。鉴相器或鉴频鉴相器通过对同相运算结果I和正交运算结果Q能量值的运算，判断信号的相位变化或者频率和相位的变化，得到本地载波估计的误差信号w，输出判断结果给环路滤波器5。

环路滤波器5约束载波跟踪环路的跟踪带宽和衰减系数，滤除误差信号w的高频信号，平滑鉴相器或鉴频鉴相器的判断结果，从而得到较稳定的输出控制信号ctrl，然后将控制信号ctrl输出至控制寄存器6。

GPS信号载波的多普勒频率与控制信号ctrl成正比。在控制寄存器6中算出载波多普勒频率，并将其写入控制寄存器6。此t毫秒数据的载波跟踪工作完成，若控制寄存器6的工作模式为跟踪模式，从初始化控制寄存器6开始重复工作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡是本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种应用于全球定位系统接收器的载波跟踪电路，其特征在于，包括用于接收并存储GPS信号基带待处理数据的输入数据缓冲器、用于产生与输入GPS信号载波同频的数据的数控振荡器、同时与所述输入数据缓冲器和数控振荡器连接的卷积器、与所述卷积器连接的能量缓冲器、用于判断所述能量缓冲器输出信号的相位变化或频率和相位变化的判断电路、以及用于滤除所述判断电路输出误差信号的高频信号的环路滤波器，其中所述环路滤波器输出稳定的控制信号至与所述数控振荡器连接的控制寄存器，所述控制寄存器基于接收到的控制信号算出GPS信号载波的多普勒频率，从而产生与输入GPS信号载波同频的数据；

所述控制寄存器的初始化包括配置GPS信号载波的中心频率为搜索到的载波频率、配置跟踪的导航卫星为搜索到GPS信号的卫星、配置所述能量缓冲器存储的时间为一特定时间、以及配置接收器的工作模式为跟踪模式；

所述控制寄存器根据接收到的控制信号，控制其中的载波频率和载波的中心频率按照一定比例相加，作为特定时间内所述数控振荡器生成信号的频率。

2.根据权利要求1所述的载波跟踪电路，其特征在于，所述接收器进入跟踪模式时，所述卷积器每做完一次卷积运算的下一时钟上升沿开始进行跟踪运算。

3.根据权利要求1所述的载波跟踪电路，其特征在于，所述数控振荡器和输入数据缓冲器的数据同时输入所述卷积器，运算结果包括同相相关结果和正交相关结果，所述卷积器每运算一次便将结果送至所述能量缓冲器中，在特定时间执行完成后，所述同相和正交两路结果的能量各累加此特定时间的能量值，累加后的同相运算结果和正交运算结果送入所述判断电路。

4.根据权利要求3所述的载波跟踪电路，其特征在于，所述判断电路通过对同相运算结果和正交运算结果的能量值的运算，判断信号的相位变化或频率和相位的变化，得到本地载波估计的误差信号，输出判断结果至所述环路滤波器。

5.根据权利要求1至4任一项所述的载波跟踪电路，其特征在于，所述判断电路包括与所述能量缓冲器连接的鉴相器或鉴频鉴相器。

6.根据权利要求1所述的载波跟踪电路，其特征在于，所述GPS信号载波的多普勒频率与控制信号的频率成正比，所述控制寄存器算出载波的多普勒频率并将其写入控制寄存器中。

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