CN103558615B - 锁频环与副载波环联合鉴频跟踪环路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种锁频环与副载波环联合鉴频跟踪环路，包括载波跟踪环、副载波跟踪环和扩频码跟踪环，载波跟踪环包括载波数控振荡器、互相关处理单元、积分清零单元、载波环鉴频器和FLL环路滤波器；副载波跟踪环包括副载波数控振荡器、互相关处理单元、积分清零单元、副载波环鉴相器和SLL环路滤波器；码跟踪环包括码数控振荡器、互相关处理单元、积分清零单元、码环鉴相器和DLL环路滤波器，锁频环与副载波环联合跟踪环路根据BOC信号的结构特点，可以实现对载波频率、副载波相位和扩频码相位的独立跟踪，不但提高了对弱信号的跟踪稳定性能，增大了环路的动态范围，而且还有效解决了BOC信号在低信噪比下的跟踪模糊性问题。

Description

锁频环与副载波环联合鉴频跟踪环路

技术领域

本发明涉及卫星导航跟踪技术领域，具体涉及一种针对BOC调制信号的锁频环与副载波环联合鉴频跟踪环路。

背景技术

在卫星导航技术不断发展的同时，各国的卫星导航系统都取得了较大的进展。全球导航卫星系统（GNSS）的进展首先是GPS现代化的进展。新一代GPS卫星信号在已有卫星信号的基础上在调制机理、伪码序列形式和载波频段等多个方面进行了改进。二进制偏移载波调制（BOC）是未来军用GPS信号中普遍采用的调制方式。BOC调制方式独有的功率谱裂谱特性，可以实现频段共用的同时实现频谱分离，可以减小信号之间的相互干扰，为信号的有效传输带来了很大的优势。

BOC调制通过采用方波作为副载波，将其对产生的扩频码进行调制，扩频码的频谱以副载波频率为中心频率偏移量向正负方向偏移。正是由于BOC信号自相关函数的多峰特性，使得跟踪环路可能错误地锁定在边锋上，即出现跟踪上的模糊性，这也限制了BOC信号的应用范围。为了消除BOC信号跟踪的模糊性问题，已提出了一些跟踪算法，如：二元估计技术、边带处理法和将副载波与扩频码分离的三重环路跟踪技术。

二元估计技术将BOC信号的多峰自相关函数映射为无模糊的二维函数。该技术可保证跟踪环路锁定在BOC信号相关函数的主峰上。但是，二元估计技术没有充分利用副载波的周期性，因此对于弱信号的跟踪稳定性较差。

边带处理法以扩频码作为本地信号，对BOC信号的上（下）边带分量进行跟踪。该算法对BOC信号的稳定跟踪是以展宽相关峰为代价的，所以码跟踪精度将大幅下降。

在2010年由北航大学申请的名为一种二进制偏移载波信号跟踪环路专利中，引入了副载波跟踪环来消除BOC信号模糊性的问题，虽然实现了副载波与扩频码分离跟踪，但是其中所采用的二象限反正切鉴相器没有考虑噪声对鉴相误差的影响。若在信噪比较低的情况下，会使鉴相误差淹没在噪声中，给鉴相结果带来很高的模糊度。

发明内容

本发明的一种锁频环与副载波环联合跟踪环路，包括载波跟踪环、副载波跟踪环和扩频码跟踪环，其中，载波跟踪环、副载波跟踪环和扩频码跟踪环之间的连接关系是环路中的载波跟踪环首先对接收到的中频BOC信号进行载波剥离处理，得到的输出信号作为副载波跟踪环的输入，与副载波数控振荡器产生的本地余弦和正弦信号相乘，得到的信号输入到扩频码跟踪环中进行码相位跟踪。

载波跟踪环包括载波数控振荡器、互相关处理单元、积分清零单元、载波环鉴频器和FLL环路滤波器；

副载波跟踪环包括副载波数控振荡器、互相关处理单元、积分清零单元、副载波环鉴相器和SLL环路滤波器；

扩频码跟踪环包括码数控振荡器、互相关处理单元、积分清零单元、码环鉴相器和DLL环路滤波器。

所述锁频环与副载波环联合跟踪环路对BOC信号进行处理的步骤包括：

环路中的载波跟踪环首先对接收到的中频BOC信号进行0到周期积分处理，将其与载波环数控振荡器生成的本地余弦和正弦载波信号进行相乘，为了运算方便，这里将本地正弦与余弦载波信号用指数形式表示，其频率为；该过程实现了载波剥离；

环路中的副载波跟踪环，其中，副载波数控振荡器产生的本地余弦和正弦信号，其频率为，将经过载波剥离的信号与产生的本地余弦和正弦副载波信号进行相关，得到和两个支路，完成副载波剥离；

环路中的载波环再对输入的中频BOC信号进行到周期积分运算，处理方法同0到周期一样，利用积分周期公式，得到到周期剥离掉载波与副载波的两路基带信号和，联合和，实现对BOC信号载波环的频率跟踪和副载波环的相位跟踪；

环路中的扩频码跟踪环，其中，扩频码跟踪环复制产生的三份不同相位的扩频码，它们分别为超前码、滞后码和即时码，经过副载波剥离后的信号分成三路分别与三份不同相位的扩频码做相关运算后，得到0到周期和到周期积分的相关运算结果，扩频码跟踪环根据两个周期所得的多个相关结果，实现BOC信号的解扩处理。

设本发明中接收到的中频BOC信号表示为：

其中，代表扩频码，代表副载波分量，载波分量用指数形式来表示，为接收信号载波频率，为接收信号初始相位；

设载波数控振荡器产生的本地中频载波信号表示为，包括了正弦和余弦载波分量，为本地载波频率；副载波数控振荡器产生的本地副载波分别为和，为本地副载波频率；码数控振荡器生成本地码的即时、超前和滞后分量分别为，和，其中，是扩频码跟踪环的超前减滞后间隔，且满足，是扩频码的码片宽度；接收到的中频BOC信号与本地产生的载波信号与副载波信号进行相关积分，积分清零单元输出的多路相关值分别为：

同理，

由积分公式得到到周期上的积分为：

同理，

其中，是积分时间；是扩频码的自相关函数，是扩频码延迟；；

本发明的优点在于：

（1）本发明实现了副载波和扩频码的分离跟踪，消除了BOC信号的跟踪模糊性；

（2）本发明相比于传统跟踪BOC信号的方法提高了对弱信号的跟踪稳定性能；增大了环路动态范围。

附图说明

图1是本发明锁频环与副载波环联合鉴相跟踪环路的结构方框图；

图中：01——载波跟踪环，02——副载波跟踪环，03——扩频码跟踪环，04——鉴相器模块，05——滤波器模块，101——乘法器单元，111——积分清零单元，102——载波环数控振荡器，103——副载波环数控振荡器，104——码环数控振荡器，105——DLL鉴相器，106——SLL鉴相器，107——FLL鉴频器，108——DLL环路滤波器109——SLL环路滤波器，110——FLL环路滤波器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种锁频环与副载波联合鉴频跟踪环路，如图1所示，包括载波跟踪环01、副载波跟踪环02和扩频码跟踪环03。

载波跟踪环01包括载波环数控振荡器102、互相关处理单元101、积分清零单元111、载波环鉴频器107和FLL环路滤波器110；

副载波跟踪环02包括副载波数控振荡器103、互相关处理单元101、积分清零单元111、副载波环鉴相器106和SLL环路滤波器109；

扩频码跟踪环03包括扩频码数控振荡器104、互相关处理单元101、积分清零单元111、码环鉴相器105和DLL环路滤波器108。

所述锁频环与副载波环联合跟踪环路对BOC信号进行处理的步骤包括：

环路中的载波跟踪环01首先对接收到的中频BOC信号进行0到周期积分处理，将其与载波环数控振荡器102生成的本地余弦和正弦载波信号进行相乘，为了运算方便，这里将本地正弦与余弦载波信号用指数形式表示，其频率为；该过程实现了载波剥离。

环路中的副载波跟踪环02，其中，副载波数控振荡器103产生的本地余弦和正弦信号，其频率为，将经过载波剥离的信号与产生的本地余弦和正弦副载波信号进行相关，得到和两个支路，完成副载波剥离。

环路中的载波跟踪环01再对输入的中频BOC信号进行到周期积分运算，处理方法同0到周期一样，利用积分周期公式，得到到周期剥离掉载波与副载波的两路基带信号和，联合和，实现对BOC信号载波跟踪环01的频率跟踪和副载波跟踪环02的相位跟踪。

环路中的扩频码跟踪环03，其中，扩频码跟踪环复制产生的三份不同相位的扩频码，它们分别为超前码、滞后码和即时码，经过副载波剥离后的信号分成三路分别与三份不同相位的扩频码做相关运算后，得到0到周期和到周期积分的相关运算结果，扩频码跟踪环03根据两个周期所得的多个相关结果，实现BOC信号的解扩处理。

设本发明中接收到的中频BOC信号表式为：

其中，代表扩频码，代表副载波分量，载波分量用指数形式来表示，为接收信号载波频率，为接收信号初始相位。

设载波数控振荡器102产生的本地中频载波信号表示为，包括了正弦和余弦载波分量，为本地载波频率；副载波数控振荡器103产生的本地副载波分别为和，为本地副载波频率；码数控振荡器104生成本地码的即时、超前和滞后分量分别为，和，其中，是扩频码跟踪环03的超前减滞后间隔，且满足，是扩频码的码片宽度；接收到的中频BOC信号与本地产生的载波信号与副载波信号进行相关积分，积分清零单元输出的多路相关值分别为：

同理，

由积分公式得到到周期上的积分为：

同理，

其中，是积分时间；是扩频码的自相关函数，是扩频码延迟；。

在锁频环与副载波环联合鉴频跟踪环路中，载波跟踪环01采用的鉴频器算法如下：

副载波跟踪环02采用的鉴相器算法如下：

其中，和分别代表载波跟踪环鉴频器107和副载波跟踪环鉴相器106输出的频率误差和相位误差。这里副载波跟踪环鉴相器106选用二象限ATAN鉴相器，该鉴相器在低信噪比时具有良好的工作性能，并且鉴相器输出与信号幅度无关。二象限ATAN鉴相器对180度相位不敏感，这就避免了输入中频BOC信号比特跳变对SLL的影响。

扩频码跟踪环鉴相器将0到周期和到周期联合起来采用非相干超前减滞后功率（NELP）鉴相器，其算法如下：

其中，是扩频码跟踪环鉴相器输出的扩频码跟踪误差。

所述的载波跟踪环01、副载波跟踪环02和扩频码跟踪环03中各自的积分清零单元111将得到的多路相关值分别输入至各自的载波跟踪环鉴频器107、副载波跟踪环鉴相器106和扩频码跟踪环鉴相器105，使载波跟踪环鉴频器107检测载波频率的跟踪误差()，副载波跟踪环鉴相器106检测副载波相位的跟踪误差，扩频码跟踪环鉴相器105检测扩频码的跟踪误差。

所述（载波跟踪环01中的）载波跟踪环鉴频器107的鉴频结果输入至载波跟踪环环路滤波器110，（副载波跟踪环02中的）副载波跟踪环鉴相器106的鉴相结果输入至副载波跟踪环环路滤波器109，以及（扩频码跟踪环03中的）扩频码跟踪环鉴相器105的鉴相结果输入至扩频码跟踪环环路滤波器108。载波跟踪环环路滤波器110、副载波跟踪环环路滤波器109和扩频码跟踪环环路滤波器108输出的跟踪误差转化成相应的频率控制字，各自反馈到对应的载波跟踪环数控振荡器102、副载波环数控振荡器103和扩频码跟踪环数控振荡器104调整载波频率、副载波相位和扩频码相位，完成跟踪输入的中频BOC信号的闭合跟踪环路。

根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。

Claims (4)

1.锁频环与副载波环联合鉴频跟踪环路，其特征在于，包括载波跟踪环、副载波跟踪环和扩频码跟踪环；其中，载波跟踪环、副载波跟踪环和扩频码跟踪环之间的连接关系是环路中的载波跟踪环首先对接收到的中频BOC信号进行载波剥离处理，得到的输出信号作为副载波跟踪环的输入，与副载波数控振荡器产生的本地余弦和正弦信号相乘，得到的信号输入到扩频码跟踪环中进行码相位跟踪；

载波跟踪环包括载波数控振荡器、互相关处理单元、积分清零单元、载波环鉴频器和FLL环路滤波器；

副载波跟踪环包括副载波数控振荡器、互相关处理单元、积分清零单元、副载波环鉴相器和SLL环路滤波器；

扩频码跟踪环包括码数控振荡器、互相关处理单元、积分清零单元、码环鉴相器和DLL环路滤波器；

环路中的载波跟踪环首先对接收到的中频BOC信号进行0到T周期积分处理，将其与载波环数控振荡器生成的本地余弦和正弦载波信号进行相乘，为了运算方便，这里将本地正弦与余弦载波信号用指数形式表示，其频率为ω_c；该过程实现了载波剥离；

环路中的副载波跟踪环，其中，副载波数控振荡器产生的本地余弦和正弦信号，其频率为ω_sc，对经过载波剥离的信号进行副载波本地相关处理，得到I₁和Q₁两个支路，完成副载波剥离；

环路中的载波环再对输入的中频BOC信号进行T到2T周期积分运算，处理方法同0到T周期一样，利用积分周期公式，得到T到2T周期剥离掉载波与副载波的两路基带信号I₂和Q₂，联合I₁和Q₁，实现对BOC信号载波环的频率跟踪和副载波环的相位跟踪；

环路中的扩频码跟踪环，其中，扩频码跟踪环复制产生的三份不同相位的扩频码，它们分别为超前码、滞后码和即时码，经过副载波剥离后的信号分成三路分别与三份不同相位的扩频码做相关运算后，得到0到T周期和T到2T周期积分的相关运算结果，扩频码跟踪环根据两个周期所得的多个相关结果，实现BOC信号的解扩处理；

接收到的中频BOC信号表示为：

其中，c(t+τ)代表扩频码，代表副载波分量，载波分量用指数形式exp(jω_cxt+jθ)来表示，ω_cx为接收信号载波频率，为接收信号负载波分量的初始相位；

设载波数控振荡器产生的本地中频载波信号表示为exp(-jω_ct)，包括了正弦和余弦载波分量，ω_c为本地载波频率；副载波数控振荡器产生的本地副载波分别为cos(ω_sct)和sin(ω_sct)，ω_sc为本地副载波频率；码数控振荡器生成本地码的即时、超前和滞后分量分别为c(t)，c(t+λ/2)和c(t-λ/2)，其中，λ是扩频码跟踪环的超前减滞后间隔，且满足λ＜T_c，T_c是扩频码的码片宽度；接收到的中频BOC信号与本地产生的载波信号与副载波信号进行相关积分，积分清零单元输出的多路相关值分别为：

同理，

由积分公式得到T到2T周期上的积分为：

同理，

其中，T是积分时间；是扩频码的自相关函数，τ是扩频码延迟；为副载波相位的跟踪误差；

$A=\frac{1}{j({\mathrm{\ω}}_{cx}-{\mathrm{\ω}}_c)}\[\exp \left(j\right({\mathrm{\ω}}_{cx}-{\mathrm{\ω}}_c\left)T\right)-1\].$

2.如权利要求1所述的锁频环与副载波环联合鉴频跟踪环路，其特征在于，载波跟踪环、副载波跟踪环和扩频码跟踪环中各自的积分清零单元，将得到的多路相关值分别输入至各自的载波跟踪环鉴频器、副载波跟踪环鉴相器和扩频码跟踪环鉴相器，使载波跟踪环鉴频器检测载波频率的跟踪误差(ω_cx-ω_c)，副载波跟踪环鉴相器检测副载波相位的跟踪误差扩频码跟踪环鉴相器检测扩频码的跟踪误差σ_DLL。

3.如权利要求2所述的锁频环与副载波环联合鉴频跟踪环路，其特征在于，载波跟踪环鉴频器，采用的鉴频器算法如下：

$d_{FLL}={\mathrm{\ω}}_{cx}-{\mathrm{\ω}}_c=angle\left(\right(I_2{I}_1^{*}+Q_2{Q}_1^{*})/\exp (T\left)\right)$

副载波跟踪环采用的鉴相器算法如下：

d_FLL和d_SLL分别代表载波跟踪环鉴频器和副载波跟踪环鉴相器输出的频率误差和相位误差。

4.如权利要求1所述的锁频环与副载波环联合鉴频跟踪环路，其特征在于，码跟踪环鉴相器将0到T积分周期和T到2T积分周期联合起来采用非相干超前减滞后功率(NELP)鉴相器，其算法如下：

${\mathrm{\σ}}_{DLL}=\frac{1}{2}\frac{\[({\left|I_{1E}\right|}^2+{\left|I_{2E}\right|}^2)+({\left|Q_{1E}\right|}^2+{\left|Q_{2E}\right|}^2)\]-\[({\left|I_{1L}\right|}^2+{\left|I_{2L}\right|}^2)+({\left|Q_{1L}\right|}^2+{\left|Q_{2L}\right|}^2)\]}{\[({\left|I_{1E}\right|}^2+{\left|I_{2E}\right|}^2)+({\left|Q_{1E}\right|}^2+{\left|Q_{2E}\right|}^2)\]+\[({\left|I_{1L}\right|}^2+{\left|I_{2L}\right|}^2)+({\left|Q_{1L}\right|}^2+{\left|Q_{2L}\right|}^2)\]}$

其中，σ_DLL是扩频码跟踪环鉴相器输出的扩频码跟踪误差。