CN105954777B - 基于相位估计与补偿的载波跟踪方法及其实现装置 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于相位估计与补偿的高精度载波跟踪方法及其实现装置，通过在L阶锁相环的输出端级联动态应力误差估计模块与补偿模块，通过将去除调制数据信息之后的N个符号累加求和后求其相角，将相角的M分之一作为动态应力误差的估计值，利用估计值对锁相环输出符号进行相位补偿，从而减小锁相环输出信号相位中的动态应力误差，达到L+1阶锁相环(高阶锁相环)的效果，可消除低阶多普勒效应的影响，使得基于相位估计与补偿的高精度载波跟踪方案的总的相位跟踪误差比较小。本发明提供装置结构简单，复杂度低，能够有效的提高的相位跟踪误差精度。

Description

基于相位估计与补偿的载波跟踪方法及其实现装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于相位估计与补偿的高精度载波跟踪方法及其实现装置。

背景技术

载波跟踪技术广泛应用于卫星通信、无线通信及卫星导航等领域。特别是在全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)中，载波跟踪技术是导航定位接收机基带处理部分的关键技术之一，载波跟踪环的相位跟踪精度在很大程度上决定着接收机的导航和定位精度。

在通信和卫星导航系统的接收机中，载波跟踪环通常采用锁相环，或是锁频环辅助的锁相环方式实现。锁相环的相位跟踪误差来源主要有热噪声、振荡器噪声以及动态应力误差等。其中热噪声导致的相位误差大小与锁相环的环路带宽和信噪比有关，带宽越大，噪声越大；信噪比越低，噪声越大。动态应力误差则是由收发信机之间的相对运动造成的多普勒效应导致的，环路带宽越小则动态应力误差越大。在多普勒效应显著的应用场景，通过改变锁相环带宽来减小热噪声误差和动态应力误差会顾此失彼，无法实现载波相位的高精度跟踪。采用高阶锁相环可以降低动态应力误差，因为高阶锁相环可以消除低阶多普勒效应的影响(L阶锁相环能够抵抗低于L阶的相位变化率的影响)，但是高阶锁相环具有环路设计复杂、容易不稳定等问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于相位估计与补偿的高精度载波跟踪方法及其实现装置，通过在L阶锁相环的输出端级联动态应力误差估计模块与补偿模块，减小锁相环输出信号相位中的动态应力误差，达到L+1阶锁相环(即高阶锁相环)的效果，可消除低阶多普勒效应的影响，使得基于相位估计与补偿的高精度载波跟踪方法的总的相位跟踪误差比较小。本发明提供的实现装置结构简单，复杂度低，能够有效的提高的相位跟踪误差精度。

本发明提供的技术方案是：

一种基于相位估计与补偿的载波跟踪方法，通过在锁相环输出端级联动态应力误差估计模块和动态应力误差补偿模块，消除锁相环输出信号相位中的动态应力误差；从而降低总的相位跟踪误差，能够有效的提高的相位跟踪误差精度。

其中，锁相环相位跟踪误差θ_err(k)包括由热噪声引起的相位误差θ_n(k)和动态应力误差θ_e(k)，L阶锁相环的动态应力误差θ_eL与收发信机之间的视线距离R的L阶导数成正比：

其中，ω₀为L阶锁相环环路滤波器的自然圆频率，R收发信机之间的视线距离。对于L阶锁相环，当收发信机之间相对距离R的L阶变化率为常量时，动态应力误差为常量。利用动态应力误差的特点，通过在L阶锁相环的输出端级联动态应力误差估计模块与补偿模块，采用动态应力误差估计模块估计出动态应力误差然后通过补偿结构消除动态应力误差，减小锁相环输出信号相位中的动态应力误差，达到L+1阶锁相环的效果，消除低阶多普勒效应的影响。

设定θ(k)为锁相环的入口信号第k个符号的载波相位，为本地NCO(数字控制振荡器，numerically controlled oscillator)产生的第k个符号的载波相位，则锁相环在第k个符号的相位跟踪误差θ_err(k)可表示为式1：

锁相环相位跟踪误差θ_err(k)一般主要由两部分构成，一为由热噪声引起的相位误差θ_n(k)，二为动态应力误差θ_e(k)。即

θ_err(k)＝θ_e(k)+θ_n(k) (式2)

其中，θ_n(k)为热噪声引起的相位误差，一般为零均值的随机变量。θ_e(k)为动态应力误差，对于L阶锁相环，动态应力误差θ_e(k)正比于收发信机之间视线距离的L阶导数，而与更低阶的导数无关。即若锁相环为二阶环，当收发信机之间的相对运动的加速度(即收发信机之间视线距离R的二阶导数)为常量时，锁相环能够稳定跟踪信号，并且当加速度为非零常量时，动态应力误差为一个非零的固定值θ_e2。若锁相环为三阶环，当收发信机之间的相对运动的加加速度(即收发信机之间视线距离R的三阶导数)为常量时，三阶锁相环能够稳定跟踪信号，并且当加加速度为非零常量时，动态应力误差为一个非零的固定值θ_e3。本发明根据锁相环的输出信号，采用动态应力误差估计模块估计出动态应力误差然后通过动态应力误差补偿结构消除动态应力误差。

其中，动态应力误差的估计与补偿方法包括如下步骤：

1)接收信号经过下变频，解扩之后送入锁相环，锁相环入口处第k个采样信号r(k)可表示为：

r(k)＝A_k e^jθ(k)+n_k (式3)

其中，A_k为调制数据符号，当接收信号为MPSK(multiple phase shift keying多进制相移键控)调制的信号时，(式31)，当接收信号为BPSK(Binary Phase Shift Keying二进制相移键控)调制的GPS信号时，式31中取M＝2。n_k为独立同分布的零均值加性复高斯随机变量；j为数学里表示虚数的单位符号。

2)锁相环本地NCO产生的载波相位为用本地载波与锁相环入口信号做共轭相乘，抵消锁相环入口信号的载波相位，但仍会存在部分残余误差相位θ_err(k)，锁相环输出信号可表示为：

其中，为独立同分布的零均值复加性高斯随机变量。

3)缓存r_o(k)之前的锁相环输出的连续N个符号r_o(k-N)～r_o(k-1)，用于估计动态应力误差。公式为：

MPSK是所有相移键控调制方式的统称，相移键控调制方式是利用载波的多种不同相位状态来表征数字信息的调制方式，其中M代表着相位状态数，根据所用载波相位状态数的不同，MPSK调制方式又可细分为BPSK调制(M＝2)、QPSK调制(M＝4)、8PSK(M＝8)调制等。因为锁相环输出信号中含有数据调制信息，因此在估计动态应力误差时需要将数据调制信息去除，式5中，M次方操作就是将MPSK调制的数据信息去除，之后将N个符号累加求和，求其相角，并将其相角的M分之一作为动态应力误差的估计值。式5中的M值指的是MPSK中的M，即当MPSK为BPSK时，式5中M＝2；当MPSK为QPSK时，式5中M＝4；当MPSK为8PSK时，式5中M＝8。

4)利用动态应力误差的估计值对锁相环输出的第k个符号进行相位补偿，以抵消锁相环输出信号相位中的动态应力误差，则经过动态应力误差补偿之后的信号r_o'(k)为

其中，为独立同分布的零均值复加性高斯随机变量。

所述动态应力误差估计与补偿方法，步骤3)中，取r_o(k-N)～r_o(k-1)这N个连续符号用于估计动态应力误差，并用所述的动态应力误差的估计值对锁相环输出信号r_o(k)进行相位补偿。所述基于相位估计与补偿的高精度载波跟踪方法，在锁相环输出端级联动态应力误差估计结构与补偿结构，会使得所述方法的热噪声性能相比于锁相环有所恶化，并且动态应力误差估计模块的时间窗口NT越小，其等效热噪声带宽越大，所述方法的热噪声性能越差。因此N的取值不能太小，一般使得动态应力误差估计模块的等效噪声带宽小于锁相环的环路噪声带宽，动态应力误差估计模块的等效噪声带宽正比于其时间窗口的倒数设锁相环的等效环路噪声带宽为B_n，一般N的取值满足式7：

本发明还提供了一种实现基于相位估计与补偿模块的载波跟踪方法的装置，该装置包括传统载波跟踪环——锁相环所有模块(积分清洗器、鉴相器、环路滤波器、数控振荡器(NCO))，还包括动态应力误差估计模块，以及动态应力误差补偿模块。所述基于相位估计与补偿的高精度载波跟踪方法，是在锁相环的基础上设计的，通过在锁相环输出端级联动态应力误差估计模块，可以估计锁相环输出信号相位中的动态应力误差，然后通过动态应力误差的补偿模块，可以消除锁相环输出信号相位中的动态应力误差。当动态应力误差误差估计模块的时间窗口选取合适时，基本上能够将锁相环输出信号误差相位中的动态应力误差完全消除，即对于三阶锁相环，当收发信机之间的相对运动的加加速度为非零常量时，采用所述的基于相位估计与补偿的载波跟踪方法进行载波跟踪时，动态应力误差的理论值为零；并且当动态应力误差估计模块的时间窗口比较大时，因动态应力误差估计模块和补偿模块所导致的热噪声性能恶化程度会比较小，最终使得所述基于相位估计与补偿的高精度载波跟踪方法的总的相位跟踪误差比较小；精度高。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种基于相位估计与补偿的高精度载波跟踪方法及其实现装置。所述方法能够精确估计传统载波跟踪环——锁相环输出信号相位中的动态应力误差，并通过动态应力误差补偿模块将其抵消，使得所述方法的动态应力误差大大降低，提高精度。并且本发明结构相对比较简单，计算复杂度低，在降低动态应力误差方面效果明显，使用价值较高。

附图说明

图1是本发明实例实施中动态应力误差估计方法的流程框图。

图2是本发明实例实施中动态应力误差补偿模块的流程框图。

图3是实现本发明提供的基于相位估计与补偿的高精度载波跟踪装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供一种基于相位估计与补偿的高精度载波跟踪方法。所述方法是在锁相环的基础上，通过在锁相环输出端级联动态应力误差估计结构与补偿结构，消除锁相环输出信号相位中的动态应力误差。

在接收端锁相环入口信号的第k个采样符号可表示为：

r(k)＝A_ke^jθ(k)+n_k (式3)

其中，θ(k)为锁相环入口信号的载波此相位，A_k为数据调制符号，若接收信号为MPSK调制信号，若接收信号为BPSK调制的GPS信号，则上式中取M＝2。n_k为独立同分布的零均值加性复高斯随机变量。

本发明所述的基于相位估计与补偿的高精度载波跟踪方法，其具体的实施方式如下：

1)根据收发信机之间的相对运动的动态大小以及相位跟踪误差精度要求，确定锁相环的阶数，以及环路噪声带宽。根据锁相环的环路噪声带宽与预检测积分时间，确定动态应力误差估计模块的时间窗口NT的大小。

2)用数控振荡器NCO产生的本地载波信号与输入信号做复共轭相乘，抵消锁相环入口信号的载波相位。数控振荡器NCO产生的本地载波信号的相位为则锁相环输出信号可表示为：

3)缓存r_o(k)之前的锁相环输出的连续N个符号r_o(k-N)～r_o(k-1)，对缓存的N个符号进行M次方操作，消除数据调制相位信息，并对该N个符号进行求和，取其相角的M分之一作为动态应力误差的估计值。公式为：

4)利用动态应力误差的估计值对锁相环输出的第k个符号进行相位补偿，以抵消锁相环输出信号相位中的动态应力误差

仿真测试表明，所述方法中，锁相环采用三阶锁相环，当收发信机之间的相对运动的加加速度为非零常量时，所述基于相位估计与补偿的高精度载波跟踪方法，其动态应力误差为0，并且当动态应力误差估计模块的时间窗口NT比较大时，所述基于相位估计与补偿的高精度载波跟踪方法其热噪声性能与锁相环热噪声性能相差很小。

综上，本发明提供了一种基于相位估计与补偿的高精度载波跟踪方法及其实现装置。所述方法能够精确估计传统载波跟踪环——锁相环输出信号相位中的动态应力误差，并通过动态应力误差补偿模块将其抵消，使得所述方法的动态应力误差大大降低。并且通过合理选取动态应力误差估计模块的时间窗口NT，可以使得所述基于相位估计与补偿的高精度载波跟踪方法的热噪声性能与锁相环热噪声性能相差很小，最终使得在大动态环境或窄带跟踪时，所述基于相位估计与补偿的高精度载波跟踪方法的总的相位跟踪精度大大提升。并且所述基于相位估计与补偿的高精度载波跟踪方案的实现装置结构简单，可操作性强，效果明显，具有较好的实用价值。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种基于相位估计与补偿的载波跟踪方法，通过在锁相环输出端级联动态应力误差估计模块和动态应力误差补偿模块，消除锁相环输出信号相位中的动态应力误差；包括如下步骤：

1)接收信号经过下变频，解扩之后送入锁相环，锁相环入口处第k个采样信号r(k)表示为：

r(k)＝A_ke^jθ(k)+n_k (式3)

式3中，A_k为调制数据符号；n_k为独立同分布的零均值加性复高斯随机变量；θ(k)为锁相环的入口信号第k个符号的载波相位；j为虚数的单位；

2)将锁相环输出信号r_o(k)表示为式4：

其中，r_o(k)为锁相环输出信号；n'_k为独立同分布的零均值加性复高斯随机变量；为锁相环本地数字控制振荡器产生的载波相位；θ_err(k)为残余误差相位，表示为式1：

3)缓存r_o(k)之前的锁相环输出的连续N个符号r_o(k-N)～r_o(k-1)，用于估计动态应力误差；锁相环输出信号r_o(k)中含有数据调制信息；所述动态应力误差估计模块通过式5将数据调制信息去除之后估计动态应力误差：

式5中，通过M次方操作将MPSK调制的数据信息去除，之后将N个符号累加求和，求其相角，并将其相角的M分之一作为动态应力误差的估计值，估计得到锁相环输出信号相位中的动态应力误差；

4)利用动态应力误差的估计值通过式6对锁相环输出的第k个符号进行相位补偿：

式6中，n″_k为独立同分布的零均值加性复高斯随机变量；所述动态应力误差的补偿模块对锁相环输出的第k个符号进行相位补偿，以消除锁相环输出信号相位中的动态应力误差；

由所述步骤1)～4)实现载波跟踪。

2.如权利要求1所述基于相位估计与补偿的载波跟踪方法，其特征是，步骤1)所述接收信号为MPSK调制信号时，所述调制数据符号A_k通过式31得到：

式31中，A_k为调制数据符号；j为虚数的单位。

3.如权利要求2所述基于相位估计与补偿的载波跟踪方法，其特征是，当接收信号为BPSK调制的GPS信号时，所述调制数据符号A_k通过式31取M＝2计算得到。

4.如权利要求1所述基于相位估计与补偿的载波跟踪方法，其特征是，步骤3)中，N的取值满足式7：

式7中，N为用于估计动态应力误差的连续符号的数量；NT为动态应力误差估计模块的时间窗口；B_n为锁相环的等效环路噪声带宽。

5.实现权利要求1～4任一所述基于相位估计与补偿的载波跟踪方法的装置，包括锁相环，所述锁相环包括鉴相器、环路滤波器和数字控制振荡器，其特征是，还包括用于估计出动态应力误差的动态应力误差估计模块和用于消除锁相环输出信号相位中的动态应力误差的动态应力误差补偿模块；在所述锁相环的输出端级联所述动态应力误差估计模块和所述动态应力误差补偿模块，消除低阶多普勒效应的影响，减小载波跟踪总的相位跟踪误差，由此达到有效提高相位跟踪误差精度的目的。