CN109884674A

CN109884674A - 一种用于boc调制的新型接收方法

Info

Publication number: CN109884674A
Application number: CN201711276590.0A
Authority: CN
Inventors: 王奕新; 左启耀; 刘路; 李峰
Original assignee: Beijing Automation Control Equipment Institute BACEI
Current assignee: Beijing Automation Control Equipment Institute BACEI
Priority date: 2017-12-06
Filing date: 2017-12-06
Publication date: 2019-06-14
Anticipated expiration: 2037-12-06
Also published as: CN109884674B

Abstract

本发明属于一种用于BOC调制的新型接收方法。采用BOC(15,2.5)调制的北斗B3C信号，在“FPGA+DSP”平台上配置1210MHz本振将卫星导航信号下变频至58.52MHz，再通过AD9266芯片78MHz欠采样将信号搬移至19.48MHz，针对19.48MHz中频卫星信号完成捕获跟踪；在捕获阶段，将副载波和载波一起剥离，虽然码相位搜索精度只有0.5码片，但是简单通用；在跟踪阶段，采用载波环、副载波环、码环的三环路结构，既可以容忍0.5码片的牵入范围，又具有与传统跟踪环路相当的跟踪灵敏度和更高的跟踪精度。

Description

一种用于BOC调制的新型接收方法

技术领域

本发明属于卫星导航接收机信号处理方法，具体涉及一种用于BOC调制的新型接收方法。

背景技术

BOC调制方式是未来北斗和GPS都会采用的卫星导航调制方式，其特点是在BPSK调制的伪码调制和载波调制中间增加一个副载波调制环节，将卫星信号的频谱向中心频点左右两侧搬移，既能保证与早期信号共用载波中心频点，避免系统间频谱干扰，又能带来更大的Gabor带宽，提高导航信号的潜在码跟踪精度，但是BOC信号的自相关函数具有多峰值特性，一旦误锁副峰，就会造成较大的码跟踪误差。

针对BOC信号的这一特点，新型BOC信号接收机的实现以消除副峰影响为目的。在基带信号处理的捕获阶段，可以将副载波和载波一起剥离，信号不受副峰影响，或将副载波和伪码一起剥离，需要额外的处理消除副峰，但是精度较高；在跟踪阶段，既可以将副载波与载波或伪码一起剥离，也可以采用三环路结构将载波、副载波、伪码分别处理，在精度、去模糊、通用性方面具有优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于BOC调制的新型接收方法，它给出一种简单、通用的用于BOC调制的新型接收机在“FPGA+DSP”平台上的实现方法。

本发明是这样实现的，一种用于BOC调制的新型接收方法，包括以下步骤：

步骤1包括以下操作：

在FPGA中实现1210MHz本振配置；根据ADF4360-6芯片的DataSheet，通过SPI总线向配置寄存器中写入相应的值，完成对ADF4360-6芯片的上电配置，配置成功后，输出1210MHz本振信号用于卫星导航信号下变频，配置时钟由10MHz晶振信号经FPGA分频后通过SPI总线提供；

步骤2包括以下操作：

在FPGA中实现AD9266芯片的配置，由AD9266芯片完成模数转换；

根据AD9266芯片的DataSheet，通过SPI总线向配置寄存器中写入相应的值，完成对AD9266芯片的上电配置，配置成功后，以78MHz的采样速率将模拟卫星信号转换为数字信号，并滤除多余边带；

步骤3包括以下操作：

在FPGA中调用两个FIR Compiler IP核分别实现上边带、下边带的带通滤波；

步骤4包括以下操作：

在FPGA中搭建载波NCO、上边带载波NCO、下边带载波NCO、副载波NCO和伪码NCO；

载波NCO通过累加DSP提供的载波频率控制字，并将累加值作为取样地址送入相幅转换电路得到本地复制正余弦载波信号和其中ω_IF为中频频率，为本地载波信号初相；

上边带载波NCO产生本地正余弦上边带载波信号和下边带载波NCO产生本地正余弦下边带载波信号和其中f_s为副载波频率；

副载波NCO产生本地复制正余弦副载波信号和其中为本地副载波初相；

伪码NCO累加DSP提供的伪码频率控制字，并根据累加值得到二倍于伪码速率的半码片发生使能信号Code_En，对这个使能信号生成的半码片进行计数，当计数值为偶数时，依次读取伪码码片值，得到本地超前E、即时P 和滞后L伪码序列c(t+D/2)、c(t)和c(t-D/2)，其中D为码相关器间距，宽度为1码片。

步骤5包括以下操作：

在FPGA中完成上边带支路和下边带支路的混频、伪码相关、部分累积、 FFT和取模，以及两条支路的取模结果非相干叠加；

上边带支路的处理过程如下：

混频：经上边带带通滤波的卫星中频信号与上边带载波NCO输出的载波信号混频；

伪码相关：在FPGA内部利用Code_En将伪码NCO输出的伪码信号依次延时半个码片，得到N路并行伪码，再将这N路伪码分别与混频后的上边带卫星中频信号相关，得到N路混频相关结果；

部分累积：N条支路分别进行50us相关累积，得到M个累积结果，一共N×M个累积结果；

FFT和取模：N条支路上的M个累积结果分别进行L(L≥M)点FFT，并对FFT结果的实部和虚部作取模运算；

下边带支路的处理过程与上边带类似，只是混频采用的载波信号由下边带载波NCO提供；

上边带和下边带支路并行处理，在FPGA中实现两路N×L检测矩阵的非相干叠加，并将叠加矩阵中的最大值及其地址传给DSP。

步骤6包括以下操作：

在DSP中实现Tong判决；

在Tong判决器中，计数变量K预设为初始值B，每次FPGA完成一段相干积分时间的捕获运算并将最大值传给DSP后，如果最大值超过捕获门限，则K值加1，否则K值减1；当K值累加至门限值A时，声明捕获成功，当 K值减至0时，声明捕获失败，开启下一颗星的捕获，当K值大于0却小于 A时，继续该颗星的捕获。

步骤7包括以下操作：

在DSP中根据捕获到的多普勒频率调整本地载波NCO、上边带载波 NCO、下边带载波NCO、副载波NCO和伪码NCO的频率控制字；根据捕获到的码相位置跟踪初始相位；

步骤8包括以下操作：

在FPGA中实现数字中频卫星信号与本地载波、副载波、伪码信号混频相关，以及七路相关结果的积分清除；

中频卫星信号的表达式为

其中，τ为卫星信号时延，为卫星信号初相；

与余弦载波、正弦副载波、超前伪码混频相关，再进行积分清除，结果为

与余弦载波、正弦副载波、即时伪码混频相关，再进行积分清除，结果为

与余弦载波、正弦副载波、滞后伪码混频相关，再进行积分清除，结果为

与余弦载波、余弦副载波、即时伪码混频相关，再进行积分清除，结果为

与正弦载波、正弦副载波、超前伪码混频相关，再进行积分清除，结果为

与正弦载波、正弦副载波、即时伪码混频相关，再进行积分清除，结果为

与正弦载波、正弦副载波、滞后伪码混频相关，再进行积分清除，结果为

其中，T为积分时间，为载波相位误差，为副载波跟踪误差，R_c(τ)为伪码自相关函数。

步骤9包括以下操作：

在DSP中实现载波环、副载波环和码环的鉴相和滤波；

载波环PLL的鉴相：

副载波环SPLL的鉴相：

码环DLL的鉴相：

其中，超前支路自相关幅值滞后支路自相关幅值

载波环、副载波环和码环的滤波分别由三个环路滤波器实现。

步骤10包括以下操作：

DSP输出相应的载波频率控制字、副载波频率控制字和伪码频率控制字对FPGA中的本地载波NCO、上边带载波NCO、下边带载波NCO、副载波 NCO和伪码NCO进行重置。

所述的步骤1、步骤2中：接收机中北斗B3C信号的下变频本振频率为 1210MHz，信号模数转换速率为78MHz。

所述的步骤7、步骤10中：本地载波NCO、上边带载波NCO和下边带载波NCO同步调节；

所述的步骤9中：码环采用数字中频卫星信号与本地载波、同相副载波和超前或滞后伪码的积分清除结果鉴相。

所述的步骤1、步骤2中：下变频本振频率：1210MHz；模数转换速率： 78MHz；中频频率：58.52MHz；欠采样后的中频频率：19.48MHz。

所述的步骤7、步骤10中：捕获锁定的多普勒频移由中频卫星信号分别与上下边带载波NCO输出信号混频计算得到，用于同时调节本地载波NCO 和上下边带载波NCO；跟踪锁定的多普勒频移由中频卫星信号与载波NCO 输出信号混频计算得到，用于同时调节本地载波NCO和上下边带载波NCO。

所述的步骤9中：码环采用I_IE、I_IL、Q_IE和Q_IL四路积分清除结果鉴相，对超前支路的同相、正交载波相关结果作取幅值运算对滞后支路的同相、正交载波相关结果作取幅值运算而对于副载波环，认为副载波环相位跟踪误差为0，接收信号能量全部位于副载波环的同相支路，不产生I_QE、I_QL、Q_QE和Q_QL，简化了运算。

本发明的优点是，它给出了一组射频前端频谱搬移参数，既降低了下变频后硬件带通滤波器的设计难度，又不会造成欠采样中宽带BOC信号的频谱混叠；近似的认为副载波环相位跟踪误差为0，接收信号能量全部位于副载波环的同相支路，避免了额外产生四条相关支路，节约了芯片资源；将北斗 B3C信号的捕获、跟踪作为一个整体设计，三个载波NCO同步调节，降低了捕获难度，不影响跟踪精度及灵敏度，且对所有调制系数的BOC信号通用。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的用于BOC调制的新型接收机进行详细说明。

一种用于BOC调制的新型接收方法，在射频信号处理阶段，通过合理调整下变频本振频率和模数转换频率实现中频卫星信号的无混叠欠采样；在捕获阶段，采用简单无模糊捕获方法实现卫星信号的粗同步；在跟踪阶段，采用载波环、副载波环、码环的三环路结构，载波NCO与捕获所用的载波NCO 同步调节，环路牵入范围与捕获的搜索范围相适应，协同实现BOC接收机的基带信号处理功能。

一种用于BOC调制的新型接收方法，包括以下步骤：

步骤1包括以下操作：

在FPGA中实现1210MHz本振配置；

根据ADF4360-6芯片的DataSheet，通过SPI总线向配置寄存器中写入相应的值，完成对ADF4360-6芯片的上电配置，配置成功后，输出1210MHz 本振信号用于卫星导航信号下变频，配置时钟由10MHz晶振信号经FPGA分频后通过SPI总线提供。

步骤2包括以下操作：

在FPGA中实现AD9266芯片的配置，由AD9266芯片完成模数转换；

根据AD9266芯片的DataSheet，通过SPI总线向配置寄存器中写入相应的值，完成对AD9266芯片的上电配置，配置成功后，以78MHz的采样速率将模拟卫星信号转换为数字信号，并滤除多余边带。

步骤3包括以下操作：

在FPGA中调用两个FIR Compiler IP核分别实现上边带、下边带的带通滤波。

步骤4包括以下操作：

伪码NCO累加DSP提供的伪码频率控制字，并根据累加值得到二倍于伪码速率的半码片发生使能信号Code_En，对这个使能信号生成的半码片进行计数，当计数值为偶数时，依次读取伪码码片值，得到本地超前(E)、即时(P)和滞后(L)伪码序列c(t+D/2)、c(t)和c(t-D/2)，其中D为码相关器间距，宽度为1码片。

步骤5包括以下操作：

上边带支路的处理过程如下：

步骤6包括以下操作：

在DSP中实现Tong判决；

步骤7包括以下操作：

在DSP中根据捕获到的多普勒频率调整本地载波NCO、上边带载波 NCO、下边带载波NCO、副载波NCO和伪码NCO的频率控制字；根据捕获到的码相位置跟踪初始相位。

步骤8包括以下操作：

中频卫星信号的表达式为

其中，τ为卫星信号时延，为卫星信号初相；

步骤9包括以下操作：

在DSP中实现载波环、副载波环和码环的鉴相和滤波；

载波环(PLL)的鉴相：

副载波环(SPLL)的鉴相：

码环(DLL)的鉴相：

其中，超前支路自相关幅值滞后支路自相关幅值

步骤10包括以下操作：

作为优选方案：

步骤1、2中：接收机中北斗B3C信号的下变频本振频率为1210MHz，信号模数转换速率为78MHz；

步骤7、10中：本地载波NCO、上边带载波NCO和下边带载波NCO同步调节；

步骤9中：码环采用数字中频卫星信号与本地载波、同相副载波和超前(滞后)伪码的积分清除结果鉴相。

作为进一步的优选方案：

步骤1、2中：由于北斗B3C信号的带宽为35.805MHz，AD9266芯片的最高模数转换速率为80MHz，本振下变频后的信号越接近零中频，所需中频滤波器越陡峭，设计越复杂，所以设计参数如下：

下变频本振频率：1210MHz；

模数转换速率：78MHz；

中频频率：58.52MHz；

欠采样后的中频频率：19.48MHz；

本振下变频后的信号既尽可能远离了零中频，欠采样后也不至于造成混叠。

步骤7、10中：捕获锁定的多普勒频移由中频卫星信号分别与上下边带载波NCO输出信号混频计算得到，用于同时调节本地载波NCO和上下边带载波NCO；跟踪锁定的多普勒频移由中频卫星信号与载波NCO输出信号混频计算得到，用于同时调节本地载波NCO和上下边带载波NCO。

步骤9中：码环采用I_IE、I_IL、Q_IE和Q_IL四路积分清除结果鉴相，为了消除载波环相位跟踪误差的影响，对超前支路的同相、正交载波相关结果作取幅值运算对滞后支路的同相、正交载波相关结果作取幅值运算而对于副载波环，由于副载波起始相位与伪码周期起始相位对齐，所以近似的认为副载波环相位跟踪误差为0，接收信号能量全部位于副载波环的同相支路，不产生I_QE、I_QL、Q_QE和Q_QL，简化了运算。

Claims

1.一种用于BOC调制的新型接收方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1包括以下操作：

步骤2包括以下操作：

在FPGA中实现AD9266芯片的配置，由AD9266芯片完成模数转换；

步骤3包括以下操作：

步骤4包括以下操作：

伪码NCO累加DSP提供的伪码频率控制字，并根据累加值得到二倍于伪码速率的半码片发生使能信号Code_En，对这个使能信号生成的半码片进行计数，当计数值为偶数时，依次读取伪码码片值，得到本地超前E、即时P和滞后L伪码序列c(t+D/2)、c(t)和c(t-D/2)，其中D为码相关器间距，宽度为1码片。

步骤5包括以下操作：

在FPGA中完成上边带支路和下边带支路的混频、伪码相关、部分累积、FFT和取模，以及两条支路的取模结果非相干叠加；

上边带支路的处理过程如下：

步骤6包括以下操作：

在DSP中实现Tong判决；

在Tong判决器中，计数变量K预设为初始值B，每次FPGA完成一段相干积分时间的捕获运算并将最大值传给DSP后，如果最大值超过捕获门限，则K值加1，否则K值减1；当K值累加至门限值A时，声明捕获成功，当K值减至0时，声明捕获失败，开启下一颗星的捕获，当K值大于0却小于A时，继续该颗星的捕获。

步骤7包括以下操作：

在DSP中根据捕获到的多普勒频率调整本地载波NCO、上边带载波NCO、下边带载波NCO、副载波NCO和伪码NCO的频率控制字；根据捕获到的码相位置跟踪初始相位；

步骤8包括以下操作：

中频卫星信号的表达式为

其中，τ为卫星信号时延，为卫星信号初相；

步骤9包括以下操作：

在DSP中实现载波环、副载波环和码环的鉴相和滤波；

载波环PLL的鉴相：

副载波环SPLL的鉴相：

码环DLL的鉴相：

其中，超前支路自相关幅值滞后支路自相关幅值

步骤10包括以下操作：

DSP输出相应的载波频率控制字、副载波频率控制字和伪码频率控制字对FPGA中的本地载波NCO、上边带载波NCO、下边带载波NCO、副载波NCO和伪码NCO进行重置。

2.如权利要求1所述的一种用于BOC调制的新型接收方法，其特征在于：所述的步骤1、步骤2中：接收机中北斗B3C信号的下变频本振频率为1210MHz，信号模数转换速率为78MHz。

3.如权利要求1所述的一种用于BOC调制的新型接收方法，其特征在于：所述的步骤7、步骤10中：本地载波NCO、上边带载波NCO和下边带载波NCO同步调节。

4.如权利要求1所述的一种用于BOC调制的新型接收方法，其特征在于：所述的步骤9中：码环采用数字中频卫星信号与本地载波、同相副载波和超前或滞后伪码的积分清除结果鉴相。

5.如权利要求1所述的一种用于BOC调制的新型接收方法，其特征在于：所述的步骤1、步骤2中：下变频本振频率：1210MHz；模数转换速率：78MHz；中频频率：58.52MHz；欠采样后的中频频率：19.48MHz。

6.如权利要求1所述的一种用于BOC调制的新型接收方法，其特征在于：所述的步骤7、步骤10中：捕获锁定的多普勒频移由中频卫星信号分别与上下边带载波NCO输出信号混频计算得到，用于同时调节本地载波NCO和上下边带载波NCO；跟踪锁定的多普勒频移由中频卫星信号与载波NCO输出信号混频计算得到，用于同时调节本地载波NCO和上下边带载波NCO。

7.如权利要求1所述的一种用于BOC调制的新型接收方法，其特征在于：所述的步骤9中：码环采用I_IE、I_IL、Q_IE和Q_IL四路积分清除结果鉴相，对超前支路的同相、正交载波相关结果作取幅值运算对滞后支路的同相、正交载波相关结果作取幅值运算而对于副载波环，认为副载波环相位跟踪误差为0，接收信号能量全部位于副载波环的同相支路，不产生I_QE、I_QL、Q_QE和Q_QL，简化了运算。