CN1156994C - 用于全球定位系统的多信道数字接收机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种接收数字无线电信号系统，更为具体地涉及接收编码伪噪声序列的无线电信号的接收机，该系统用于全球定位系统GPS(USA)和GLONASS(俄罗斯)，这些接收机补偿窄带干扰的影响，并包括一个用于自动调整放大的可控制的处理器设备，多级模拟到数字转换器和用于检测正弦干扰的附加相干信道。附加相干信道包括：数字载波发生器，正交混频器和多个累加器。来自累加器输出的信息由处理器读出，在处理器中检测干扰的出现 或缺席，估算其幅值，根据结果，处理器控制自动调整放大的设备中的信号的放大。

Description

用于全球定位系统的多信道数字接收机

技术领域

本发明涉及数字无线电信号接收的系统，更为具体地说，本发明涉及由伪噪声序列编码的无线电信号的接收机，该接收机用于全球定位系统GPS(USA)和GLONASS(全球卫星导航系统)(俄罗斯)。

背景技术

全球定位系统GPS(全球定位系统USA)和GLONASS(全球卫星导航系统)允许具有数字信号无源接收机的用户执行其坐标(经度，纬度，高度)和时间的准确定义(参看“全球卫星导航系统-GLONASS接口控制文件”，KNITS VKS俄罗斯1995，还可以参看“全球定位系统.标准定位业务.信号规范”，USA，1993)。由全球定位系统发送的导航无线电信号是多分量相位变换信号，其中由具有1023字符(GPS)或511字符(GLOSSNAS)长度的相干伪噪声二进制序列±1(π弧度上的相位变换)调制大约1.6GHz的载波频率L1的信号。调制序列的脉冲重复频率对于GPS为1.023MHz而对于GLOSSNAS为0.511GHz，脉冲重复周期为1ms。数字接收方法的应用和类似的相关宽带数字信号允许执行位于远远低于自然热噪声水平的极低幅值信号的成功接收和解码。这样，在GPS的情况下，C/A信号电平从-157dBdBW高至-160dBW，因此在标准的热噪声密度-205.2dBW/Hz以及2MHz的射频信道的最小频带处产生的信噪比为-14.81dB...-17.8dB。

另外，宽带相位变换信号的接收和数字处理的方法的应用允许从本质上减少会导致不能接收窄带幅值调制或频率调制信号导致的窄带干扰的消极作用。尽管如此，迫切需要抑制伪噪声信号(PNS)的数字接收机的窄带(正弦波)干扰，特别是对于其幅值大于热噪声幅值的大功率伪噪声干扰的情况。进一步，GLOSSNAS系统是一个具有用于基于GLOSSNAS系统的接收机的信号的频率分割系统，而对于组合GPS/GLOSSNANS的接收机，射频信道的宽度大约加宽10MHz。使用“窄相干器”技术还导致加宽接收机的射频频带(参照：A.J.Dierendonck，P.Fentor，N.Ford，GPS接收机内间隔的窄相干器的理论和性能，Navigation：Journal of the Institute of Navigationvol.39，No.3，Fall92)。射频信道范围的扩展导致增加了捕捉大功率窄频道干扰的概率，结果是，必须提供对大功率窄频道的抑制。

本领域公知的是一种使用允许减少数字PNS接收机操作上的窄频道干扰作用的自适应模拟到数字转换器的方法(参照：FrankAmoroso，Jacob L.Bricker“组合CW和高斯干扰内的自适应ADC的性能“，vol.COM-J4，No.3，March 1986)。使用两位自适应ADC作为具有可变量化阈值Δ的模拟数字转换器，有可能显著减少数字相干器操作上的窄带干扰的影响。

本领域公知的是一种用于解码由很多伪噪声信号组成的复杂信号的接收机/所述接收机包括一个基准发生器，一个具有复杂PNS输入和控制放大系数的信号输入的自动增益控制(AGC)设备，一个其输入连接到AGC输出并且时钟输入连接到基准发生器的输出的多级自适应模拟到数字转换器，所述转换器在其输出产生复杂信号的同相I和正交Q分量。接收机还具有一组数字计数器，其中每个计数器计算每个信道内其幅值处于预定量化区间之内的数字信号量，读取计数器输出并基于分析所得到的数据产生一个增益控制信号的控制设备(Patric Fenton，Kkwok-Ki K.Ng，.Thomas J.Ford“用于全球定位系统的多信道接收机”，US专利No.5,101,416)。

本发明的主要思想在于，具有多级模拟到数字转换器并计算两个相邻量化阈值之间出现的数字信号的百分比，我们可以得出，复杂数字信号的分布函数对应于一个高斯函数。这样，在本发明的一个实施例，提供一个6级复合量化器，在其输出正交分量可以取值±1，±2，±3。设定量化阈值之间的Δ-距离值，可以得到在一个或另一个量化区间出现的数字信号量所必须的比率。在所述一个实施例，对于来自对应于量化区间Δ＝0.66σ的区间±1，±2，±3的信号，建议使用49％，32％，19％的比率，其中σ是高斯分布的宽度(dispersion)的平方根。可以通过改变AGC电路的增益和量化器输出值补偿从给定分布点到出现窄带干扰的偏差。在该实施例，当所有量化值仅处于六个量化区间中的四个，即，对于来自区间±1，±2，±3的信号分布为49％，51％，0％时，记录窄带干扰的出现。在该情况下，改变所述窄带干扰的出现和量化阈值，因此对应于±1的区间内的数字值量等于85％，对应于±2的区间内的数字值量等于15％，对应于±3的区间内的数字值量等于0％。通过这样作，改变量化值的数字值：±1被0替换，即，忽略小于量化阈值±Δ信号的85％，±2被±1替换，±3被0替换。这样，在进一步计算期间在相干器信道处理Δ＜|信号幅值|＜2Δ内出现的数字信号的15％。

所述设备的缺点包括，第一，其需要复杂的多级多比特模拟到数字转换器(A/D)的技术应用，第二，在分布函数的某些点有可能仅得到粗糙的窄带干扰的幅值估计，这就立刻导致了改变量化阈值的粗略的增益控制。在上述实例，作为一个事实，我们进行离散调整：49％，51％，0％被85％，15％，0％替换。实际上，在每个比率V_si/σ，从窄带干扰对有用信号的作用最小的角度看有可能选择最好的量化阈值值，其中V_si是正弦干扰幅值而σ是高斯噪声离差。

发明内容

本发明的基本目的是开发补偿窄带干扰影响并允许消除由于窄带干扰的直接检测，其幅值的估计以及所测量比率V_si/σ的最佳量化阈值的选择所导致的上述不足的数字PNS接收机。所给出的设备还允许将ADC放大到最大程度，因为只有三级量化器(0，±1)使得有可能通过量化阈值值的正确选择执行对干扰信号的有效抑制。

本发明提供一种用于接收和解码复合无线电信号的设备，所述的复合无线电信号由大量被伪噪声信号调制的无线电信号组成，所述设备包括无线电射频模块，该射频模块的输入与接收天线相连接，它把高频输入信号变成中频信号；一种自动增益控制装置，它的输入与该射频模块的输出相连接，该装置加强了中频信号，并具有用于调整增益系数的控制输入；和一个从模拟到数字的转换器，该转换器的输入与自动增益控制装置的输出相连接，该转换器包含至少三级量化；多信道数字相干器，该数字相干器的输入与从该模拟到数字的转换器的数字输出相连接；并且包括大量完全相同的跟踪信道，其中每个信道对来自大量的所发射的伪噪声信号中的一个信号进行跟踪和解码，还包括许多输入与该模拟到数字的转换器的输出相连接的数字计数器，用于执行计算在一定时间内属于每一个量化区间的脉冲数；信息处理器装置，其通过双向数据母线与该数字相干器和该数字计数器相连接，其控制输出与该自动增益控制装置的控制输入相连接，该信息处理器装置用以计算来自该相干器信道的信息，使伪噪声信号的频率、相位和代码的跟踪周期关闭，并控制该相干器信道和该自动增益控制装置的工作，其特征在于，由数字发生器、正交混频器和累加器组成的多信道数字相干器包含用于检测正弦干扰的附加信道，来自累加器输出的信息由检测干扰是否存在并评价其幅值的该信息处理器装置读出，因此该信息处理器装置控制着该自动增益控制装置中的信号放大。

在本发明的一个实施例中，其中从模拟到数字的转换器具有一个与该信息处理器装置的控制输出相连接的控制输入，相对于输入的模拟信号，更为准确地设定量化阈值。

在本发明的另一实施例中，其中该多信道数字相干器的跟踪信道包括反转延迟信号的发生器、正交混频器和累加器，反转延迟信号的发生器包括数字载波控制发生器和代码的数字控制发生器，在未调制该数字载波控制发生器的输出的情况下可由一个外部命令断开该代码的数字控制发生器，这样跟踪信道可转换为用于检测的信道。

由于接收机具有一个多信道相干器而能够实现上述结果，其中与PNS信道的常规相干并列，多信道相干器由一个具有伪噪声信号的准确副本的相干器以及一个早-减-晚(early-minus-late)复制伪噪声信号的相干器表示，多信道相干器还具有一个检测窄带正弦干扰的附加相干器。给定信道包括一个数字控制载波发生器，该数字控制载波发生器产生正交相位计数。该信道还包括数字相干器和存储正交分量的累加器。相干器还包括用于在预定时间周期期间计数每个量化区间的计数值的数字计数器。在三级量化的情况下该计数值等于在提供统计确信，例如N计数＞10⁴的区间内计算的-1，0，+1。通过读取来自附加信道的累加器的值并将这些值与检测阈值比较，处理器可以就窄带干扰的出现作出判定并评价其幅值。根据评价的比率Vsi/σ，处理器确定每个量化区间的计数量之间的最佳关系并调整量化阈值Δ和放大系数AGC。这样，可以通过预定量化区间内量化的计数值检查阈值Δ的值。

所述发明的本质在于，当正弦噪声信号叠加在PNS噪声时，量化之后的信号噪声本质上取决于正弦干扰和量化阈值。图1示出这种依赖关系，其中在图1(a)示出纯伪噪声信号，在图1(b)示出混合正弦干扰的相同信号。从图1(b)可以清楚看出，与干扰背景区别的PNS碎片数在选择阈值V2＞V1时增加。此外，通过以这样的方式设定数字值，即，ADC的输出A＝O的信号对应于所有小于V2信号的所有V，我们可以消除在大功率正弦干扰的背景下的PNS分辨率模糊性所引起的噪声影响。

事实上，在噪声背景选择有用PNS极为困难，由于在热高斯噪声和正弦干扰的混合背景下接收有用PNS信号。这样，在正弦干扰V₀sin(ωt)的情况下的信号值的概率密度分布由该函数描述：

$\mathrm{\ρ}\left(V\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}\sqrt{1-{(V/V_0)}^2}},\left|V\right|\≤V_0$

              ρ(V)＝0，        |V|＞V₀使用[1]所述方法，并考虑高斯热噪声干扰，正弦干扰以及数字信号为统计上无关的值，我们通过一个有效的放大系数：

$G=[\frac{V_a/{\mathrm{\σ}}_a}{V_i/{\mathrm{\σ}}_i}{]}^2$

确定信号的数字化效率，其中V_i，σ_iV_a，σ为ADC前和后的信号的幅值和离差(dispersion)，σ_i ²＝N+I，N是高斯噪声功率，I是正弦干扰功率。

可以通过下面的公式计算三级模拟到数字转换器的V_a，σ_a：

$P(V_a=+1)={\∫}_{\mathrm{\Δ}-V_i}^{\∞}H\left(y\right)\mathrm{dy},$

$P(V_a=+1)={\∫}_{-\∞}^{-\mathrm{\Δ}-V_i}H\left(y\right)\mathrm{dy},$

$P(V_a=+0)={\∫}_{-\mathrm{\Δ}-V_i}^{\mathrm{\Δ}-V_i}H\left(y\right)\mathrm{dy},$

这里P(V_a＝+1)，P(V_a＝-1)，P(V_a＝0)是在具有输入信号V_i和量化阈值Δ的ADC上的输出为值+1，-1，0的生成概率。从高斯和正弦干扰的幅值的共同概率分布确定输入信号幅值H(y)的分布密度：

$H\left(y\right)=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}\mathrm{\ρ}\left(V\right)G(y-v)\mathrm{dv},$

|V|≤V₀

$\mathrm{\ρ}\left(v\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}\sqrt{1-{(V/V_0)}^2}}$

-是正弦波信号分布

ρ(V)＝0，|V|＞V₀

$G\left(V\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}{\mathrm{\σ}}^2}}{e}^{{-v}^2/2{\mathrm{\σ}}^2}$ -是完全由离差σ表现的高斯热噪声分布。对于数字计算作为积分的无限限定的值H(y)和P(V_a)由值替换，其中可以认为高斯分布函数等于0。通常，值3σ就足够。这样，计算公式将采取如下形式：

$P(\mathrm{Va}=1)={\∫}_{\mathrm{\Δ}-V_i}^{V_0+3\mathrm{\σ}}H\left(y\right)\mathrm{dy},$

$P(\mathrm{Va}=-1)={\∫}_{-V_0-3\mathrm{\σ}}^{-\mathrm{\Δ}-V_i}H\left(y\right)\mathrm{dy}$

这里V_o是正弦干扰的幅值。

通过概率值P如下计算值V_a：

E(V_a)≡V_a＝(-1)*P(V_a＝-1)+(+1)*P(V_a+1)

允许的最小V_a，

σ_a≡E(V² _a)＝P(V_a＝-1)+P(V_a＝+1)。

这样，有可能计算了解被检测信号的幅值，正弦干扰信号和高斯噪声离差之间的比率的有效增益G。

最佳值G与Δ和V_i的相干性的分析已经表明，当V_i＜＜V_o，V_o＜＜σ时，G几乎与V_I无关。根据正弦干扰幅值与噪声离差的比率V_o/σ，我们可以得到下面的阈值Δ计算的简单选择：

在V_o＜＝0.5σ处，第0次计数量＝50％，+1计数量＝50％；

在0.5σ＜V_o＜2σ处，第0次计数量＝0％，±1计数量＝30％；

在V_o＝2σ处，第0次计数量＝85％，±1计数量＝15％；

对于三级量化情况已给出了上面分析，然而，对于具有任何级别数量的ADC可以很容易地扩展上述分析。

还应该注意到可以以具有断开代码发生器，即，代码发生器应简单产生1而不是一个伪噪声序列的跟踪信道相干器的形式实现窄带干扰检测器。

附图简述

由下面附图描述本发明：

图1是描述PNS接收和量化阈值Δ选择上的窄带干扰影响的图；

图2是PNS数字接收机的方框图；

图3是包括检测窄带干扰的信道的数字相干器的方框图；

图4是数字相干器的跟踪信道的方框图；

图5是检测窄带干扰的数字相干器的信道的方框图；

图6是2比特四级量化器的ADC输出值的图；

图7是2比特三级量化器的ADC输出值的图；

具体实施方式

图1是一个说明选择正弦干扰出现时的量化阈值的重要性的示意图。图1(a)说明查找信号PNS，图1(b)表示具有窄带干扰的PNS。可以很容易地看出量化阈值增加V₂＞V₁，则PNS碎片增加，其可以与正弦噪声背景明确区分。

图2示出PNS接收机的方框图。接收机可以按情况分为射频部分和数字部分。标准的射频部分由输入射频模块组成，该模块包括第一高频带通滤波器1，低噪声放大器2和串联并执行输入信号的初级放大和滤波的第二高频带通滤波器。放大信号在其输出连接到IF带通滤波器5的混频器4中转换为中间频率，从而抑制高频谐波。应用到混频器4的第二输入的是电压控制发生器(VCG)14的信号，电压控制发生器(VCG)依次由基准发生器11，分频器13，相位检测器12和低频16组成的AFC环路控制。电压控制发生器(VCG)14与分频器15一起作为ADC7和处理器10的操作的基准频率源。将IF滤波器5的输出信号应用到AGC6的输入，借助于数字到模拟转换器(DAC)8将数字信号转换为控制电压AGC6的放大系数由处理器控制。根据分频器13，15的分频系数的选择可将这样的射频信道电路用于GPS和GLONASS信号。AGC电路放大的模拟信号在多级模拟到数字转换器7被数字化。ADC7具有控制量化阈值的值的控制输入，ADC7经DAC8连接到处理器10的输出。在数字化之后该信号用于多信道相干器9的输入，多信道相干器9执行具体PNS的跟踪和解码并检测窄带干扰。处理器10从存储相干器9的正交输出的累加器读取信息，通过确定GPS代码序列和GLONASS的分配频率的组合控制跟踪信道的操作，通过关闭跟踪频率的周期及代码设定主发生器的频率和相干器信道的代码发生器的频率，产生控制AGC6的增益并设定ADC7的量化阈值的数字控制信号。该数字控制信号在双DAC8中被转换为模拟信号。由于处于恒定量化阈值的AGC内的放大改变等效于处于恒定放大级的ADC阈值的改变，所以控制AGC或ADC的阈值的方案也是可能的。然而，前者的方案更为可取，因为其可以提供灵活的控制。例如，通过控制ADC阈值，有可能补偿模拟电路的零漂移。ADC7可用作一个正交，或实数量化器。在给定实例，考虑一个实数ADC。

图3是数字相干器的方框图。该相干器包括一组相同的跟踪信道17，每个信道跟踪其本身的PNS，和一个检测窄带干扰的信道18，以及一个统计模块19。统计模块19计算在一个具体的时间区间内落入每个量化区间的ADC输出的计数，例如，三级ADC输出的0，+1，-1的计数量。统计模块的计数由处理器读出。用于检测窄带干扰的信道形成相干器的累加器的正交输出的脉冲信号，以用于处理器20的输入。图4是跟踪信道的方框图。应用到该信道的输入是一个数字信号，该信号可从两个射频信道：GPS和GLONASS的输出得到。在输入信号切换电路21选择所要求的信道，将其与正交混频器23，24内的载波发生器22的数字信号混频。接着具有消除载波的该信号的正交分量与代码序列(P)的准确副本相乘，以及与乘法器27，28内的信号(E-L)的差值(早-减-晚)副本相乘。由于下面操作的结果形成伪随机编码序列的副本：代码-频率发生器29形成用于PCS发生器30的输入的一列时钟脉冲，PCS发生器30借助于伪随机序列(PCS)的唯一代码调制时钟列。所产生的时钟列输入延迟PCS脉冲形成电路31的输入，在跟踪模式延迟PCS脉冲形成电路31在输出形成准时和差分PCS。在查找模式脉冲形成延迟PCS31形成PCS信号的早和晚的副本。借助于信道控制寄存器32控制信道的操作模式，信道控制寄存器32的输入通过双向总线37连接到处理器并且其输出连接到确定信道操作的单元21，22，29，30，31。来自乘法器25，26，27，28的输出的相干结果存储在累加器33，34，35，36，从这里被处理器通过数据总线37读取。为检查查找和跟踪，处理器执行记录和从单元22，29，30，32读取的操作。在操作期间处理器执行到跟踪信道的各个单元的信息记录和从跟踪信道的各个单元的信息读取的操作。控制信道32的寄存器包含系统(GPS/GLONASS)信息和信道操作(查找/诊断)模式信息，这些信息由处理器读取，处理器通过检查信道操作可以改变这些寄存器参数。载波发生器22产生处理器在测量时刻输出的载波频率的全部相位。接着，处理器将新的频率值记录到载波发生器，从而控制频率跟踪过程。代码频率发生器29计算测量时刻的代码的全部相位，将其输入到处理器并定义伪-范围。接着，处理器将新的频率代码值记录到发生器，执行代码跟踪过程。PCS发生器30包括形成二进制伪噪声序列的寄存器，该序列可由处理器读出并修改，从而允许系统指定跟踪具体PNS的信道。

图5所示为检测信道的窄带干扰的方框图。可以看出该给定信道为一个跟踪信道的简单电路。来自输入信号切换电路38输出的数字信号应用到正交混频器40，41的输入，其中该数字信号与数字载波发生器39的正交输出相乘。相关结果存储在累加器42，43并且可由处理器通过总线44读出。

图5和图6描述两比特模拟到数字转换器的操作。图5示出具有加权系数±R的四比特ADC的操作。具有0＜U＜Δ，-Δ＜U＜0的信号对应于输出±1以及具有Δ＜U，U＜-Δ的信号对应于输出±R，其中一般来说加权系数R可以变化。图6示出三级ADC的操作，其中输入U＜-Δ，-Δ＜U＜Δ，Δ＜U对应于输出-1，0，+1。

这样，从上面所述可以清楚看出，所声明的用于全球定位系统的数字接收机在技术上可行，具有实用性和说服力，并决定在窄带干扰影响下系统GSP和GLONASS的伪噪声信号的有效接收的技术任务。

Claims (3)

1、一种用于接收和解码复合无线电信号的设备，所述的复合无线电信号由大量被伪噪声信号调制的无线电信号组成，所述设备包括无线电射频模块，该射频模块的输入与接收天线相连接，它把高频输入信号变成中频信号；一种自动增益控制装置，它的输入与该射频模块的输出相连接，该装置加强了中频信号，并具有用于调整增益系数的控制输入；和一个模拟到数字的转换器，该转换器的输入与该自动增益控制装置的输出相连接，该转换器包含至少三级量化；多信道数字相干器，该数字相干器的输入与该模拟到数字的转换器的数字输出相连接；并且包括大量完全相同的跟踪信道，其中每个信道对来自大量的所发射的伪噪声信号中的一个信号进行跟踪和解码，还包括许多输入与该模拟到数字的转换器的输出相连接的数字计数器，用于执行计算在一定时间内属于每一个量化区间的脉冲数；信息处理器装置，其通过双向数据母线与该数字相干器和该数字计数器相连接，其控制输出与该自动增益控制装置的控制输入相连接，该信息处理器装置用以计算来自该相干器信道的信息，使伪噪声信号的频率、相位和代码的跟踪周期关闭，并控制该相干器信道和该自动增益控制装置的工作，其特征在于，由数字发生器、正交混频器和累加器组成的多信道数字相干器包含用于检测正弦干扰的附加信道，来自累加器输出的信息由检测干扰是否存在并评价其幅值的该信息处理器装置读出，因此该信息处理器装置控制着该自动增益控制装置中的信号放大。

2、根据权利要求1所述的设备，其中该模拟到数字的转换器具有一个与该信息处理器装置的控制输出相连接的控制输入，相对于输入的模拟信号，更为准确地设定量化阈值。

3、根据权利要求1所述的设备，其中该多信道数字相干器的跟踪信道包括反转延迟信号的发生器、正交混频器和累加器，该反转延迟信号的发生器包括数字载波控制发生器和代码的数字控制发生器，在未调制该数字载波控制发生器的输出的情况下可由一个外部命令断开该代码的数字控制发生器，这样跟踪信道可转换为用于检测的信道。

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