CN102571652A - 一种gnss基带信号的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种GNSS基带信号的评估方法，技术特征在于：利用捕获和Costas环实现了信号的频率、初始相位精确预估计，并采用了周期累加平均，增加了信号的信噪比，大幅度提高了分析精度；在高信噪比条件下，复现信号时域波形及码片边沿特性，实现信号调制质量、发射通道及传输通道噪声、环境干扰等分析，完成地面接收的空间导航信号质量评估。本发明的导航信号分析方法可以广泛的运用在其他导航系统数据分析，具有较强的通用性。

Description

一种GNSS基带信号的评估方法

技术领域

本发明涉及一种GNSS基带信号的评估方法，主要涉及基于高速数据采集的信号离线分析方法，导航信号预处理方法，由导航信号周期性决定的特定分析方法。

背景技术

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)是集大地测量、计时、天文学、卫星技术、无线通信等技术为一体的综合系统。它为用户提供高精度的时间、位置和速度的信息服务。全球卫星导航系统的性能评估主要有：信号质量、服务精度、连续性、可用性和完好性。导航信号是导航卫星系统中最重要的组成部分之一，是导航系统中卫星、地面运控以及用户之间协调工作的纽带。空间导航信号质量的好坏将直接关系到系统定位、授时和测速等基本功能、关键性能和指标的实现。

基带信号质量的评估主要包括：频域功率谱、时域波形、码片边缘、调制误差、相关特性。上述性能分析跨越了通信信号处理、数字信号处理、时间频率分析、数理统计等多领域学科。其难点主要体现在以下几个方面：

(1)确定能够全面反映导航信号性能的评估参数；

(2)结合导航信号的特性分析导航信号；

(3)准确的评估参数计算方法和表述方式。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种GNSS基带信号的评估方法，通过分析功率谱、时域波形、眼图、星座图和相关曲线，从信号的频域、时域波形、调制域和相关特性等多方面真实准确地反映卫星下行信号质量，实现了高质量和高精细的GNSS基带信号质量评估。

技术方案

一种GNSS基带信号的评估方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：采用

将数据采集卡采集的16位带符号二进制数据信号转化为浮点数的信号；其中：v_ref表示信号参考点电平，s′(n)表示采样后信号，B_k(k＝0，Λ，14)表示二进制采样点数据，B₁₅表示符号位；

步骤2：对步骤1得到的浮点数信号进行歧异值检测，剔除零值数据和超大值数据，得到浮点格式的标准信号数据s(n)；

步骤3：对标准信号数据s(n)在频率上进行串行搜索，在码延时方向并行搜索码片相位，获得信号多普勒频移f_d及码初始相位

；

步骤4：利用Welch周期图谱估计方法计算标准信号数据s(n)的功率谱：

步骤5：利用Costas环实现载波跟踪，并剥离标准信号数据s(n)中载波分量，输出正交的I路信号I(n)和Q路信号Q(n)；

步骤6：利用I(n)和Q(n)两路信号，分别进行如下信号质量评估计算：

(1)以时间为坐标横轴，分别以I(n)或Q(n)数据幅度为坐标纵轴，画出信号的眼图，根据信号的眼图得到眼图评估参数：

最佳抽样点处眼图幅度的“张开”程度即眼图张开度：(U-2·ΔU)/U，其中U＝U₊+U_-；其中U₊为I(n)或Q(n)正向幅度均值，U_-为I(n)或Q(n)负向幅度均值，ΔU为I(n)和Q(n)在均值U₊和U_-抖动范围；

最佳抽样点处眼图幅度的闭合部分与最大幅度之比即“眼皮”厚度：2·ΔU/U；

眼图波形过零点交叉线的发散程度即交叉点发散度：ΔT/T_n，其中：T_n为码片长度，ΔT为眼图中多条曲线过零点抖动范围；

在最佳抽样点处眼图正、负幅度不对称的程度即正负极性不对称度：|(U₊-U_-)|/|U₊+U_-|；

等效信号信噪比E_b/N₀的损失量：Δ(E_b/N₀)＝20·log[(U-2·ΔU)/U]；

眼图左右斜率不平衡度：以眼图上升沿与下降沿的斜率差表示；

(2)以I(n)作为坐标横轴，Q(n)为坐标纵轴，画出信号的调制星座图，QPSK信号为分布于四象限内的四个点，对I/Q两路信号进行星座图与调制误差评估：

正交相位误差：分别对四个象限求I(n)与Q(n)路的幅度平均，然后计算第一象限与第四象限之间的I/Q夹角以及第二象限与第三象限之间的I/Q夹角，分别计算它们与90度理想夹角的差值然后取平均值为正交相位误差；

I/Q两支路信号幅度不平衡度：A＝20·log₁₀(I(n)/Q(n))；

误差向量幅度EVM值：

其中δI，δQ是由失真引起的接收数据点(I(n)，Q(n))和理想相位图点的误差，N是数据点数。S²(n)＝(I²(n)+Q²(n))，S_max是理想相位图最远状态的矢量幅度；

(3)对I/Q两路信号进行相关峰与相关特性评估，获得评估参数如下：

相关函数特性评估数据处理：利用载波剥离后的I(n)或Q(n)数据与本地复制的理想码参考信号作互相关计算，并归一化互相关函数：

$\mathrm{CCF}\left(\mathrm{\ϵ}\right)=\frac{\underset{0}{\overset{T_p}{\∫}}I\left(n\right)\·I_{\mathrm{Ref}}^{*}(n-\mathrm{\ϵ})\mathrm{dn}}{\sqrt{\left(\underset{0}{\overset{T_p}{\∫}}{\left|I\left(n\right)\right|}^2\mathrm{dt}\right)\·\left(\underset{0}{\overset{T_p}{\∫}}{\left|I_{\mathrm{Ref}}\left(n\right)\right|}^2\mathrm{dn}\right)}}$

$\mathrm{CCF}\left(\mathrm{\ϵ}\right)=\frac{\underset{0}{\overset{T_p}{\∫}}Q\left(n\right)\·Q_{\mathrm{Ref}}^{*}(n-\mathrm{\ϵ})\mathrm{dn}}{\sqrt{\left(\underset{0}{\overset{T_p}{\∫}}{\left|Q\left(n\right)\right|}^2\mathrm{dt}\right)\·\left(\underset{0}{\overset{T_p}{\∫}}{\left|Q_{\mathrm{Ref}}\left(n\right)\right|}^2\mathrm{dn}\right)}}$

其中，参考信号I_Ref或Q_Ref为本地本地复制的理想码参考信号，积分时间T_p对应参考信号的主码周期，ε表示I_Ref(或Q_Ref)相对I(n)(或Q(n))时延；

相关损耗特性评估：在相关处理中有用信号功率相对于所接收信号的全部可用功率的损耗：

$P_{\mathrm{CCF}}={\max }_{\begin{array}{c}\mathrm{over}\\ \mathrm{all\ϵ}\end{array}}(20\·{\log }_{10}\left(\right|\mathrm{CCF}\left(\mathrm{\ϵ}\right)\left|\right))$

CL＝P_CCFIdeal-P_CCFReal

式中P_CCFIdeal为理想信号的最大相关值，单位为dB；P_CCFReal为真实信号的最大相关值，单位为dB；CL为相关损耗，单位为dB。

有益效果

本发明提出的一种GNSS基带信号的评估方法，利用捕获和Costas环实现了信号的频率、初始相位精确预估计，并采用了周期累加平均，增加了信号的信噪比，大幅度提高了分析精度；在高信噪比条件下，复现信号时域波形及码片边沿特性，实现信号调制质量、发射通道及传输通道噪声、环境干扰等分析，完成地面接收的空间导航信号质量评估。

本发明的导航信号分析方法可以广泛的运用在其他导航系统数据分析，具有较强的通用性。实现了导航信号功率谱及其包络等特性的评估；实现了解调后基带信号的时域波形和眼图等特性评估；实现信号模拟畸变和数字畸变评估；利用解调信号的幅度误差、相位误差和EVM值等参数实现信号调制特性评估；利用信号相关峰波形、相关损耗评估信号相关域畸变。评估方法主要涉及基于高速数据采集的信号离线分析方法，导航信号预处理方法，由导航信号周期性决定的特定分析方法。

附图说明

图1：眼图原理图(U＝U₊+U_-)

图2：基带信号分析过程结构图

图3：信号解调原理图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

1、数据格式转换与检测，获得标准化处理后的信号数据

数据采集卡采集数据为16位带符号二进制数据。为计算方便，对数据进行处理转化为浮点数。

$s^{\′}\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{14}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{B_{15}}{\left(2\right)}^{B_k}-v_{\mathrm{ref}}---\left(1\right)$

其中v_ref表示信号参考点电平，s′(n)表示采样后信号，B_k，k＝0，L，14表示二进制采样点数据，B₁₅表示符号位；

对数据进行歧异值分析检测，剔除零值数据和超大值数据。

经过上述，处理后获得浮点格式的标准信号数据s(n)。

2、对标准信号数据s(n)进行码时延并行捕获，获得信号的多普勒频移和码初始相位

对标准信号数据s(n)在频率上进行串行搜索，在码延时方向并行搜索码片相位，获得信号多普勒频移f_d及码初始相位。

3、信号功率谱评估

对信号进行Welch周期图谱估计，计算信号功率谱，并分析功率谱包络曲线，利用功率谱包络曲线计算信号的带宽。

Welch周期图法估计信号功率谱的常用步骤为：

首先计算一段标准数据的傅立叶变换，然后取变换结果幅值的模，并除以数据的个数N作为真实功率谱的一个估计。

设信号为s(n)，每一段的序列长度为N，则信号的DFT为：

$S\left(e^{\mathrm{jw}}\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}s\left(n\right)e^{-\mathrm{jwn}}---\left(2\right)$

然后取S(e^jw)模的的平方再除以N，即可得到信号的功率谱估计：

$\widehat{S_{\mathrm{NX}}}\left(w\right)=\frac{1}{N}{\left|S\left(e^{\mathrm{jw}}\right)\right|}^2---\left(3\right)$

因S(e^jw)有周期性，故

也具有周期性，它是个有偏估计。

根据功率谱的特性，计算主瓣两侧第一最低点的横坐标分别为N₊，N_-。则计算信号带宽：

$B_n=\frac{F_s}{N_s}\·(N_{+}-N_{-})---\left(4\right)$

式中F_s是信号采样率，N_s是信号每次FFT变换的窗长。

4、标准数据数据s(n)的载波剥离

标准数据s(n)可以表示为：

其中N(n)为环境干扰，C_i(n)为扩频码，D_i(n)为数据，f_i和

分表表示载波频率和相位。

载波跟踪使用一个PLL(Phase Locked Loop)环路，这里采用的是Costas载波环，其相位误差提取均采用二象限反正切ATAN2(Q，I)，如图3所示。当载波环锁定后，由两个支路输出的信号可以表示为I(n)、Q(n)，为剥离载波后的两路正交基带信号I路信号I(n)和Q路信号Q(n)，如图3所示。

5、利用第四步载波剥离后输出的I/Q两支路数据，进行如下信号质量评估计算

(1)时域波形及眼图评估方法

以时间为坐标横轴，以I/Q数据幅度为坐标纵轴，画出信号的眼图，并计算眼图评估参数，图1所示。

1)眼图张开度

眼图张开度是指在最佳抽样点处眼图幅度的“张开”程度。无畸变眼图的开启度为100％。计算公式为：

(U-2·ΔU)/U其中U＝U₊+U_-                    (6)

其中U₊为I(n)或Q(n)正向幅度均值，U_-为I(n)或Q(n)负向幅度均值，ΔU为I(n)和Q(n)在均值U₊和U_-抖动范围；

2)“眼皮”厚度

“眼皮”厚度是指在最佳抽样点处眼图幅度的闭合部分与最大幅度之比，无畸变眼图的“眼皮”厚度为0。表达为：2·ΔU/U。

3)交叉点发散度

交叉点发散度是指眼图波形过零点交叉线的发散程度。表达式为：ΔT/T_s，其中：T_n为码片长度，ΔT为眼图中多条曲线过零点抖动范围。无畸变眼图的交叉发散度为0。

4)正负极性不对称度

正负极性不对称度是指在最佳抽样点处眼图正、负幅度不对称的程度。它的表达式为：|(U₊-U_-)|/|U₊+U_-|。无畸变眼图的极性不对称度为0。

5)等效信号信噪比的损失量

如果传输信道不理想，产生传输畸变，就会很敏感地由眼图的以上几个参数反映出来。其后果可以看成有效信号的能量损失。可以推导出，等效信号信噪比的损失量ΔE_b/N₀与眼图开启度(U-2·ΔU)/U有如下关系：

ΔE_b/N₊＝20·log[(U-2·ΔU)/U]                (7)

同样，交叉点发散度对信噪比损失的影响也可以等效为眼图开启度对信噪比损失的影响。

6)眼图左右斜率不平衡度

眼图左右斜率不平衡度也即眼图上升沿与下降沿的斜率差。

(2)基带信号调制特性评估方法

星座图是将数字信号在复平面内表示，以直观的表示出信号以及信号之间的相互关系的图示。

把I(n)作为坐标横轴，Q(n)为坐标纵轴，画出信号的调制星座图，QPSK信号为分布于四象限内的四个点。调制性能分析是建立在解调后基带数据的星座图上，具体分析内容如下：

1)正交相位误差

理想情况下，同相分量和正交分量之间的夹角是90度的，但是由于受传输通道及滤波器等的影响，信号的I路与Q路之间的夹角不再是正交，这个角度与90度理想角度之差即为相位误差。为了计算相位误差，我们分别对四个象限求I路与Q路的幅度平均，然后计算第一象限与第四象限之间的I/Q夹角以及第二象限与第三象限之间的I/Q夹角，计算它们分别与90度理想夹角的差值然后取平均值即为相位误差。

2)I/Q幅度不平衡度

I/Q幅度不平衡度的计算表达式如下，设复信号为S，其实部记为S_I，虚部记为S_Q，I/Q幅度不平衡度为A：

A＝20·log₁₀(I(n)/Q(n))                    (8)

3)EVM值

EVM(误差向量幅度)是接收到的码片经过解调、解扰、解扩后，得到的信号载波和码等信息，利用上述信息恢复成码矢量信号，然后再用这个码矢量信号跟接收到的矢量信号做矢量差，将其做统计平均，即为EVM值。计算公式为：

$\mathrm{EVM}=100\%\×\sqrt{\frac{\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\δI}}_j^2+\mathrm{\δ}{Q}_j^2)}{S_{\max }^2}}---\left(9\right)$

其中δI，δQ是由失真引起的接收数据点(I(n)，Q(n))和理想相位图点的误差，N是数据点数。S²(n)＝(I²(n)+Q²(n))，S_max是理想相位图最远状态的矢量幅度。

(3)基带信号相关特性评估方法

1)相关函数特性评估数据处理

利用载波剥离后的I/Q数据，计算其与本地理想复制码参考信号的归一化互相关，归一化互相关函数的定义下式所示，画出其随本地码延迟变化的曲线图：

$\mathrm{CCF}\left(\mathrm{\ϵ}\right)=\frac{\underset{0}{\overset{T_p}{\∫}}s\left(n\right)\·s_{\mathrm{Ref}}^{*}(n-\mathrm{\ϵ})\mathrm{dn}}{\sqrt{\left(\underset{0}{\overset{T_p}{\∫}}{\left|s\left(n\right)\right|}^2\mathrm{dt}\right)\·\left(\underset{0}{\overset{T_p}{\∫}}{\left|s_{\mathrm{Ref}}\left(n\right)\right|}^2\mathrm{dn}\right)}}---\left(10\right)$

其中，s为已经下变频和载波多普勒去除等预处理的基带信号

参考信号s_Ref为本地接收机产生的理想基带复制码信号；积分时间T_p对应参考信号的主码周期。

2)相关损耗特性评估方法

计算在相关处理中有用信号功率相对于所接收信号的全部可用功率的损耗：

$P_{\mathrm{CCF}}\left[\mathrm{dB}\right]={\max }_{\begin{array}{c}\mathrm{over}\\ \mathrm{all\ϵ}\end{array}}(20\·{\log }_{10}\left(\right|\mathrm{CCF}\left(\mathrm{\ϵ}\right)\left|\right))---\left(11\right)$

CL＝P_CCFEdeal[dB]-P_CCFReal[dB]                        (12)

式中P_CCFIdeal为理想信号的最大相关值，单位为dB；P_CCFReal为真实信号的最大相关值，单位为dB；CL为相关损耗，单位为dB。

Claims (1)

1.一种GNSS基带信号的评估方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：采用

将数据采集卡采集的16位带符号二进制数据信号转化为浮点数的信号；其中：v_ref表示信号参考点电平，s′(n)表示采样后信号，B_k，k＝0，L，14表示二进制采样点数据，B₁₅表示符号位；

步骤2：对步骤1得到的浮点数信号进行歧异值检测，剔除零值数据和超大值数据，得到浮点格式的标准信号数据s(n)；

步骤3：对标准信号数据s(n)在频率上进行串行搜索，在码延时方向并行搜索码片相位，获得信号多普勒频移f_d及码初始相位

步骤4：利用Welch周期图谱估计方法计算标准信号s(n)的功率谱：

步骤5：利用Costas环实现载波跟踪，并剥离标准信号数据s(n)中载波分量，输出正交的I路信号I(n)和Q路信号Q(n)；

步骤6：利用I(n)和Q(n)两路信号，分别进行如下信号质量评估计算：

(1)以时间为坐标横轴，分别以I(n)或Q(n)数据幅度为坐标纵轴，画出信号的眼图，根据信号的眼图得到眼图评估参数：

最佳抽样点处眼图幅度的“张开”程度即眼图张开度：(U-2·ΔU)/U，其中U＝U₊+U_-；其中U₊为I(n)或Q(n)正向幅度均值，U_-为I(n)或Q(n)负向幅度均值，ΔU为I(n)和Q(n)在均值U₊和U_-抖动范围；

最佳抽样点处眼图幅度的闭合部分与最大幅度之比即“眼皮”厚度：2·ΔU/U；

眼图波形过零点交叉线的发散程度即交叉点发散度：ΔT/T_n，其中：T_n为码片长度，ΔT为眼图中多条曲线过零点抖动范围；

在最佳抽样点处眼图正、负幅度不对称的程度即正负极性不对称度：|(U₊-U_-)|/|U₊+U_-|；

等效信号信噪比E_b/N₀的损失量：Δ(E_b/N₀)＝20·log[(U-2·ΔU)/U]；

眼图左右斜率不平衡度：以眼图上升沿与下降沿的斜率差表示；

(2)以I(n)作为坐标横轴，Q(n)为坐标纵轴，画出信号的调制星座图，QPSK信号为分布于四象限内的四个点，对I/Q两路信号进行星座图与调制误差评估：

正交相位误差：分别对四个象限求I(n)与Q(n)路的幅度平均，然后计算第一象限与第四象限之间的I/Q夹角以及第二象限与第三象限之间的I/Q夹角，分别计算它们与90度理想夹角的差值然后取平均值为正交相位误差；

I/Q两支路信号幅度不平衡度：A＝20·log₁₀(I(n)/Q(n))；

误差向量幅度EVM值：其中δI，δQ是由失真引起的接收数据点(I(n)，Q(n))和理想相位图点的误差，N是数据点数。S²(n)＝(I²(n)+Q²(n))，S_max是理想相位图最远状态的矢量幅度；

(3)对I/Q两路信号进行相关峰与相关特性评估，获得评估参数如下：

相关函数特性评估数据处理：利用载波剥离后的I(n)或Q(n)数据与本地复制的理想码参考信号作互相关计算，并归一化互相关函数：

$\mathrm{CCF}\left(\mathrm{\ϵ}\right)=\frac{\underset{0}{\overset{T_p}{\∫}}I\left(n\right)\·I_{\mathrm{Ref}}^{*}(n-\mathrm{\ϵ})\mathrm{dn}}{\sqrt{\left(\underset{0}{\overset{T_p}{\∫}}{\left|I\left(n\right)\right|}^2\mathrm{dt}\right)\·\left(\underset{0}{\overset{T_p}{\∫}}{\left|I_{\mathrm{Ref}}\left(n\right)\right|}^2\mathrm{dn}\right)}}$

$\mathrm{CCF}\left(\mathrm{\ϵ}\right)=\frac{\underset{0}{\overset{T_p}{\∫}}Q\left(n\right)\·Q_{\mathrm{Ref}}^{*}(n-\mathrm{\ϵ})\mathrm{dn}}{\sqrt{\left(\underset{0}{\overset{T_p}{\∫}}{\left|Q\left(n\right)\right|}^2\mathrm{dt}\right)\·\left(\underset{0}{\overset{T_p}{\∫}}{\left|Q_{\mathrm{Ref}}\left(n\right)\right|}^2\mathrm{dn}\right)}}$

其中，参考信号I_Ref或Q_Ref为本地本地复制的理想码参考信号，积分时间T_p对应参考信号的主码周期，ε表示I_Ref(或Q_Ref)相对I(n)(或Q(n))时延；

相关损耗特性评估：在相关处理中有用信号功率相对于所接收信号的全部可用功率的损耗：

$P_{\mathrm{CCF}}={\max }_{\begin{array}{c}\mathrm{over}\\ \mathrm{all\ϵ}\end{array}}(20\·{\log }_{10}\left(\right|\mathrm{CCF}\left(\mathrm{\ϵ}\right)\left|\right))$

CL＝P_CCFIdeal-P_CCFReal

式中P_CCFIdeal为理想信号的最大相关值，单位为dB；P_CCFReal为真实信号的最大相关值，单位为dB；CL为相关损耗，单位为dB。

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