CN106019329B - 一种载波跟踪环路及接收机 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种载波跟踪环路及接收机。本发明实施例中，载波跟踪环路包括第一反馈环路模块和第二反馈环路模块；第一反馈环路模块用于采用接收到的第二反馈模块发送的第一频率估计值对第一数据进行频率消除处理；第二反馈环路模块用于采用第二频率估计值对接收到的第三数据进行频率调整，并对频率调整后的数据进行解调得到比特数据。本发明实施例中的载波跟踪环路采用双反馈环路机制，第一反馈环路模块采用第一频率估计值进行粗频偏消除，并将信号多普勒频偏牵引至匹配滤波器带宽范围内，减少滤波造成的信号失真；第二反馈环路模块采用第二频率估计值进行精确载波跟踪，使得信号频谱能时刻稳定在匹配滤波器的主瓣范围内。

Description

一种载波跟踪环路及接收机
技术领域
本发明涉及卫星通信和卫星导航技术领域，尤其涉及一种载波跟踪环路及接收机。
背景技术
接收机是接收卫星信号的设备，其主要功能是接收卫星信号，以获得必要的导航和定位信息及观测量，并经过简单的数据处理实现实时导航和定位。接收机捕获到卫星发射的信号后，得到卫星的载波频率和扩频码，进而可以解调出导航数据电文用于完成用户的定位。但是，接收机在捕获过程中只能得到载波频率和扩频码码相位的大概值，所以在完成捕获之后要进入跟踪环路，进一步确定载波频率和扩频码的码相位，同时跟踪已经确定的载波频率和扩频码的码相位。而且，由于低轨卫星运动时，接收信号会引入高动态信息，例如速度、加速度和加加速度信息。在信号跟踪的过程中，多普勒频移产生波动，使得信号频谱的中心频点在不停的摆动，接收信号在经过匹配滤波器后，会在不同时刻产生不同的衰减，引起误码；特别是在跟踪连续波卫星信号时，过大的积分多普勒频移甚至会造成载波环路失锁。
综上，目前亟需一种有效的载波跟踪环路，用于实现对输入信号进行多普勒频移校正，使得信号频谱能时刻稳定在匹配滤波器的主瓣范围内。
发明内容
本发明实施例提供一种载波跟踪环路及接收机，用于实现对输入信号进行多普勒频移校正，使得信号频谱能时刻稳定在匹配滤波器的主瓣范围内。
本发明实施例提供的一种载波跟踪环路，包括：第一反馈环路模块和第二反馈环路模块；
所述第一反馈环路模块用于根据接收到的卫星数字中频信号得到第一数据，采用接收到的所述第二反馈模块发送的第一频率估计值对所述第一数据进行频率消除处理，并对频率消除处理后得到的第二数据进行滤波，将滤波后得到的第三数据以及估计得到的所述第三数据的频偏发送给所述第二反馈环路模块；
所述第二反馈环路模块用于采用第二频率估计值对接收到的所述第三数据进行频率调整，并对频率调整后的数据进行解调得到比特数据；以及根据接收到的所述第三数据的频偏确定所述第一频率估计值和所述第二频率估计值，并将所述第一频率估计值发送给所述第一反馈环路模块。
优选的，所述第一反馈环路模块为现场可编程门阵列模块FPGA；所述第二反馈环路模块为数字信号处理器DSP。
优选的，所述第一反馈环路模块和所述第二反馈环路模块通过外部存储器接口EMIF和通用输入/输出GPIO接口进行通信；
所述第一反馈环路模块通过所述EMIF接口将所述第三数据发送给所述第二反馈环路模块；
所述第二反馈环路模块通过所述GPIO接口将所述第一频率估计值发送给所述第一反馈环路模块。
优选的，所述第一反馈环路模块中包括频率精估器；
所述第一反馈环路模块采用所述频率精估器通过四次方运算、平滑滤波、快速傅氏变换FFT估计所述第三数据的频偏。
优选的，所述第二反馈环路模块中包括群时延估计器；
所述第二反馈环路模块采用所述群时延估计器确定匹配滤波器群延时范围，并根据所述匹配滤波器群延时范围得到所述第一频率估计值和所述第二频率估计值。
优选的，所述第二反馈环路模块中包括判决反馈鉴相器和环路滤波器；
所述第二反馈环路模块用于通过所述判决反馈鉴相器和所述环路滤波器得到所述第一频率估计值和所述第二频率估计值。
优选的，所述判决反馈鉴相器采用符号判决鉴相器，所述环路滤波器采用三阶PLL环路滤波器。
优选的，所述第一反馈环路模块和所述第二反馈环路模块通过预先设置的中断间隔进行通信。
本发明实施例还提供了一种接收机，其包括天线、射频模块以及如上所述的载波跟踪环路。
本发明的上述实施例中，载波跟踪环路包括第一反馈环路模块和第二反馈环路模块；其中，第一反馈环路模块用于根据接收到的卫星数字中频信号得到第一数据，采用接收到第二反馈模块发送的第一频率估计值对第一数据进行频率消除处理，并对频率消除处理后得到的第二数据进行滤波，将滤波后得到的第三数据以及估计得到的第三数据的频偏发送给第二反馈环路模块；第二反馈环路模块用于采用第二频率估计值对接收到的第三数据进行频率调整，并对频率调整后的数据进行解调得到比特数据；以及根据接收到的第三数据的频偏确定第一频率估计值和第二频率估计值，并将第一频率估计值发送给第一反馈环路模块。本发明实施例中的载波跟踪环路采用双反馈环路机制，第一反馈环路模块采用第一频率估计值进行粗频偏消除，并将信号多普勒频偏牵引至匹配滤波器带宽范围内，减少滤波造成的信号失真；第二反馈环路模块采用第二频率估计值进行精确载波跟踪，使得信号频谱能时刻稳定在匹配滤波器的主瓣范围内。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种载波跟踪环路示意图；
图2为本发明实施例提供的双反馈环路机制的具体结构示意图；
图3为本发明实施例提供的符号判决鉴相器示意图；
图4为本发明实施例提供的三阶PLL环路滤波器示意图；
图5为本发明实施例提供的一种接收机的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中提供的载波跟踪环路可适用于多种应用场景，例如适用于卫星载荷或地面终端，并作为接收机中载波跟踪模块，实现连续信号通信的载波跟踪和数据解调功能。
图1为本发明实施例提供的一种载波跟踪环路示意图，该载波跟踪环路包括第一反馈环路模块101和第二反馈环路模块102；
所述第一反馈环路模块101用于根据接收到的卫星数字中频信号得到第一数据，采用接收到的所述第二反馈模块发送的第一频率估计值对所述第一数据进行频率消除处理，并对频率消除处理后得到的第二数据进行滤波，将滤波后得到的第三数据以及估计得到的所述第三数据的频偏发送给所述第二反馈环路模块102；
所述第二反馈环路模块102用于采用第二频率估计值对接收到的所述第三数据进行频率调整，并对频率调整后的数据进行解调得到比特数据；以及根据接收到的所述第三数据的频偏确定所述第一频率估计值和所述第二频率估计值，并将所述第一频率估计值发送给所述第一反馈环路模块101。
本发明实施例中的载波跟踪环路采用双反馈环路机制，第一反馈环路模块采用第一频率估计值进行粗频偏消除，并将信号多普勒频偏牵引至匹配滤波器带宽范围内，减少滤波造成的信号失真；第二反馈环路模块采用第二频率估计值进行精确载波跟踪，使得信号频谱能时刻稳定在匹配滤波器的主瓣范围内。
具体地，本发明实施例中的第一反馈环路模块可以为FPGA(Field ProgrammableGate Array，现场可编程门阵列模块)，第二反馈环路模块可以为DSP(Digital SignalProcessors，数字信号处理器)。基于FPGA和DSP架构，可完成数字下变频、采样率变换、帧头捕获、低通滤波、定时同步、载波跟踪、译码等功能，本发明实施例针对连续波通信，实现了一种高动态多普勒载波跟踪环路。
本发明实施例中的双反馈环路机制包括两级NCO(numerically controlledoscillator，数字控制振荡器)混频，第一级NCO由FPGA实现，接收第一频率估计值并进行频率消除处理后，送入匹配滤波；第二级NCO在DSP中实现，接收FPGA的频偏估计数据，采用三阶PLL(Phase Lock Loop)进行精确频率调整，同时进行数据解调。
图2为本发明实施例提供的双反馈环路机制的具体结构示意图。下面结合图2对本发明实施例进行介绍。
(1)FPGA环路(外部环路)
本发明实施例中，卫星数字中频信号是由接收机中的射频模块发送给FPGA的，即，射频模块通过对接收到的卫星导航信号进行处理得到卫星数字中频信号并发送给FPGA。具体地，天线接收到的卫星导航信号可为多种卫星导航系统的信号，较佳的，卫星导航信号为以下内容中的一项或几项：全球定位系统(Global Positioning System，GPS)、北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)、全球卫星导航系统(GLONASS)、伽利略卫星导航(GALILEO)。
本发明实施例中，天线接收到卫星导航信号后，将其发送给接收机中的射频模块，射频模块通过对接收到的卫星导航信号进行处理得到卫星数字中频信号，并将所述卫星数字中频信号发送给所述FPGA，所述FPGA根据接收到的所述卫星数字中频信号进行下变频(DDC)、下采样等处理第一数据。
FPGA包括FPGA端NCO、匹配滤波器、内部跟踪环、残余频偏补偿等模块。FPGA接收DSP通过GPIO(General Purpose Input Output，通用输入/输出)接口发送的第一频率估计值，并采用第一频率估计值对第一数据进行频率消除处理，并对频率消除处理后得到的第二数据进行滤波，滤波后的数据通过EMIF(External Memory Interface，外部存储器接口)接口送入DSP进行跟踪。
FPGA中包括频率精估器，FPGA采用频率精估器通过四次方运算、平滑滤波、快速傅氏变换FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅氏变换)估计所述第三数据的频偏。具体地，本发明实施例中采用的频率精估器是无数据辅助的方法，具有使用不受数据限制、估计精度高的特点。针对QPSK(Quadrature Phase Shift Keyin，正交相移键控)映射，通过四次方运算消除符号极性，再通过MA(Move Average)进行平滑滤波，最后通过FFT进行能量累加，并搜索频点。
频率分辨率计算如下：
其中，B表示信号带宽，N为FFT点数。例如，带宽为20KHz，采用2046点FFT，频率分辨率小于5Hz，高动态多普勒频偏的情况下，频率估计误差可在10Hz以内，具有较好的估计性能。
(2)DSP环路(内部环路)
由FPGA送入的第三数据进行定时同步后，送入锁相环，锁相环复制一个和接收的第三数据频移一致的载波频率，在DSP中进行频率跟踪，输出的数据进行维特比译码，得出解调比特数据，同时DSP将估计出的第二频率估计值发送给FPGA。
DSP中包括群时延估计器，DSP采用群时延估计器确定匹配滤波器群延时范围，并根据匹配滤波器群延时范围得到第一频率估计值和第二频率估计值。具体地，数据经过第一级NCO后会存在残余频偏，再经过具有线性相位特性的FIR滤波器后，会出现相位延迟，延迟超过一定范围时，会造成解调端的相位模糊，因此需要消除相位延迟。本发明实施例通过精估频率值来预判相位模糊度范围。相位模糊度计算如下：
例如采用31阶匹配滤波器，带宽B为20KHz，则后残余频差fe造成的相位延迟如下：
其中，频偏和相位模糊度关系如表1所示。
表1：频偏和相位模糊度关系
如图2所示，DSP内部跟踪环采用科斯塔斯环结构，具体可包括判决反馈鉴相器和环路滤波器。DSP通过所述判决反馈鉴相器和所述环路滤波器得到所述第一频率估计值和所述第二频率估计值。优选地，所述判决反馈鉴相器可以采用符号判决鉴相器，以便于减少相位模糊度，如图3所示，为符号判决鉴相器示意图。所述环路滤波器可以采用三阶PLL环路滤波器，跟踪含加速度信息的信号稳态误差为零，如图4所示，为三阶PLL环路滤波器示意图。
如上所述，本发明实施例中的载波跟踪环路由两个环路组成，二者共同作用完成了对多普勒频率信息的逐步消除。第一环路是将DSP部分输出的多普勒频率估计值送入FPGA缓存器，在低通滤波器之前进行频率消除，减少多普勒频偏造成的滤波器相位延迟；第二环路在DSP中进行，通过载波环鉴相器和环路滤波器，对FPGA中第一级NCO频率校正后的残余频率进行精确校正，校正后的相位误差控制在15°范围内，这样可以进行准确的维特比译码，最终输出解调比特数据。
本发明实施例中，由于FPGA和DSP两级NCO之间存在频差，在经过匹配滤波器后会造成相位延迟，形成相位突变。为了抑制相位突变，需要减小频差，因此，内部NCO反馈给外部NCO的频率需要按带宽进行平均，两个NCO的调整需要按时间逐步递增进行。同时，外部环路中频偏调整以消除频偏为目的，因此校正频率需要累加递增；而内部环路中频偏调整以跟踪信号频偏为目的，因此补偿频率需要累加递增。两个NCO以差分的方式补偿频率，能使频偏尽快调整稳定。
需要说明的是，本发明实施例中FPGA和DSP的通信采用中断的方式进行。在前向通路中，FPGA通过EMIF接口将数据送入DSP中进行解调；反馈通路中，DSP通过GPIO接口将多普勒频移估计值反馈给FPGA的混频器。其中，中断间隔可由本领域技术人员根据经验设置，例如可以为200ms。FPGA端匹配滤波器每经过一帧数据(200ms)，将数据缓存后发送给DSP，DSP按帧长度进行数据处理。跟踪完成后将频偏估计值按照中断反馈给FPGA端，FPGA按照估计的多普勒频移信息对输入信号进行频率校正。
DSP通过硬件中断从FPGA的缓存中读取一帧的数据(例如，200ms)，然后通过EMIF接口将数据输入到DSP后，再通过EDMA中断，将该数据存储到SRAM(Static RAM，静态随机存储器)中。DSP解调时，是从SRAM中读取数据进行解调。
本发明的上述实施例中，载波跟踪环路包括第一反馈环路模块和第二反馈环路模块；其中，第一反馈环路模块用于根据接收到的卫星数字中频信号得到第一数据，采用接收到第二反馈模块发送的第一频率估计值对第一数据进行频率消除处理，并对频率消除处理后得到的第二数据进行滤波，将滤波后得到的第三数据以及估计得到的第三数据的频偏发送给第二反馈环路模块；第二反馈环路模块用于采用第二频率估计值对接收到的第三数据进行频率调整，并对频率调整后的数据进行解调得到比特数据；以及根据接收到的第三数据的频偏确定第一频率估计值和第二频率估计值，并将第一频率估计值发送给第一反馈环路模块。本发明实施例中的载波跟踪环路采用双反馈环路机制，第一反馈环路模块采用第一频率估计值进行粗频偏消除，并将信号多普勒频偏牵引至匹配滤波器带宽范围内，减少滤波造成的信号失真；第二反馈环路模块采用第二频率估计值进行精确载波跟踪，使得信号频谱能时刻稳定在匹配滤波器的主瓣范围内。采用本发明实施例中的载波跟踪环路能够快速准确的消除高动态多普勒频率，并且在高于理论解调门限4dB的情况下，能稳定跟踪高动态多普勒频偏的信号，此时加速度为12g m/s2，BER为10-5量级。
图5为本发明实施例提供的一种接收机的结构示意图，该接收机包括天线501、射频模块502以及如上述实施例中所述的载波跟踪环路503；
所述天线501用于接收卫星导航信号，并将所述卫星导航信号发送给所述射频模块502。
所述射频模块502用于根据接收到的所述卫星导航信号，得到卫星数字中频信号，并将所述卫星数字中频信号发送给所述载波跟踪环路503。
从上述内容可以看出：
本发明实施例基于FPGA+DSP架构，针对连续信号通信，提出一种高动态多普勒频率情况下的载波跟踪方法。采用双反馈环路机制，其中外部环路用于粗频偏消除，并将信号多普勒频偏牵引至匹配滤波器带宽范围内，减少滤波造成的信号失真；内部跟踪环路用于精确载波跟踪，并且解调数据。采用频偏双向差分补偿的方法，可以在百毫秒级中断通信延迟的情况下，对残余频偏进行快速校正。采用V&V频率精估器，可以对捕获后的残余频偏进行精确估计，频率观察分辨率小于5Hz；针对QPSK调制，采用群时延估计器，可以迅速消除由匹配滤波器相位延迟造成的相位模糊。本发明实施例中的载波跟踪环路能够快速准确的消除高动态多普勒频率，并且在高于理论解调门限4dB的情况下，能稳定跟踪高动态多普勒频偏的信号，此时加速度为12g m/s2，BER为10-5量级。本发明实施例能够减少FPGA开发工作量、节约开发成本；同时，利用DSP开发的灵活性，重配置后可适用于其它高动态卫星系统的同步解调。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种载波跟踪环路，其特征在于，该载波跟踪环路包括第一反馈环路模块和第二反馈环路模块；
所述第一反馈环路模块用于根据接收到的卫星数字中频信号得到第一数据，采用接收到的由所述第二反馈模块反馈回的第一频率估计值对所述第一数据进行频率消除处理，并对频率消除处理后得到的第二数据进行滤波，将滤波后得到的第三数据以及估计得到的所述第三数据的频偏发送给所述第二反馈环路模块；
所述第二反馈环路模块用于采用第二频率估计值对接收到的所述第三数据进行频率调整，并对频率调整后的数据进行解调得到比特数据；以及根据接收到的所述第三数据的频偏确定所述第一频率估计值和所述第二频率估计值，并将所述第一频率估计值反馈给所述第一反馈环路模块。
2.如权利要求1所述的载波跟踪环路，其特征在于，所述第一反馈环路模块为现场可编程门阵列模块FPGA；所述第二反馈环路模块为数字信号处理器DSP。
3.如权利要求1所述的载波跟踪环路，其特征在于，所述第一反馈环路模块和所述第二反馈环路模块通过外部存储器接口EMIF和通用输入/输出GPIO接口进行通信；
所述第一反馈环路模块通过所述EMIF接口将所述第三数据发送给所述第二反馈环路模块；
所述第二反馈环路模块通过所述GPIO接口将所述第一频率估计值发送给所述第一反馈环路模块。
4.如权利要求1所述的载波跟踪环路，其特征在于，所述第一反馈环路模块中包括频率精估器；
所述第一反馈环路模块采用所述频率精估器通过四次方运算、平滑滤波、快速傅氏变换FFT估计所述第三数据的频偏。
5.如权利要求1所述的载波跟踪环路，其特征在于，所述第二反馈环路模块中包括群时延估计器；
所述第二反馈环路模块采用所述群时延估计器确定匹配滤波器群延时范围，并根据所述匹配滤波器群延时范围得到所述第一频率估计值和所述第二频率估计值。
6.如权利要求1所述的载波跟踪环路，其特征在于，所述第二反馈环路模块中包括判决反馈鉴相器和环路滤波器；
所述第二反馈环路模块用于通过所述判决反馈鉴相器和所述环路滤波器得到所述第一频率估计值和所述第二频率估计值。
7.如权利要求6所述的载波跟踪环路，其特征在于，所述判决反馈鉴相器采用符号判决鉴相器，所述环路滤波器采用三阶PLL环路滤波器。
8.如权利要求1所述的载波跟踪环路，其特征在于，所述第一反馈环路模块和所述第二反馈环路模块通过预先设置的中断间隔进行通信。
9.一种接收机，其特征在于，包括天线、射频模块以及如权利要求1-8中任一项所述的载波跟踪环路。
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