導(dǎo)航載荷線性失真對BOC信號影響的研究

1、導(dǎo)航載荷線性失真對BOC信號影響的研究0 引 言為了提供精確定位服務(wù)，衛(wèi)星導(dǎo)航載荷必須提供連續(xù)，準確和高完好性的信號。傳輸路徑的非理想效應(yīng)是定位精度的限制因素。星載導(dǎo)航載荷的非理想特性使傳輸信號發(fā)生失真，從而使接收信號與本地復(fù)現(xiàn)信號不匹配。這種不匹配的主要后果是跟蹤性能的惡化。失真信號與本地復(fù)現(xiàn)信號的不匹配會改變延遲鎖定環(huán)(DLL)的鑒相特性，使DLL的輸出(S曲線)的過零點與接收信號和本地復(fù)現(xiàn)信號相關(guān)曲線的峰值不對應(yīng)，這種偏移被稱為“定時偏移”(TO)，針對不同的導(dǎo)航載荷配置不同的相關(guān)器間隔得到的定時偏移的最大值被定義為“S曲線偏移”(SCB)1。同時，功率損失(PL)，相關(guān)損失(CL)，S

2、曲線斜率也是值得評估的參數(shù)。為了評估對上述參數(shù)影響最大的導(dǎo)航載荷失真因素，本文借鑒文獻2提出的評估導(dǎo)航載荷非理想特性的仿真框架，利用Matlab軟件進行了仿真分析，評估了線性失真(幅度、相位和群延遲)對BOC信號的影響。1 導(dǎo)航載荷仿真模型一般導(dǎo)航載荷鏈框圖如圖1所示。其中，最重要的單元是導(dǎo)航信號產(chǎn)生單元(NSGU)，頻率生成和上變頻器單元(FGUU)，高功率放大器(HPA)，輸出多工器(OMUX)和天線(ANT)。每個單元引入以下失真進而造成了總的信號失真：(1) 線性失真，如幅度、相位和群時延波動失真，主要由信號發(fā)生器、濾波器、多工器和天線引入。(2) 非線性無記憶失真，由高功率放大器引入

3、。由于高功放帶寬比信號帶寬寬很多，因此不存在頻率選擇性，其非線性可認為是無記憶的。將線性失真等效為濾波器的幅度、相位和群時延特性，可以得到如圖2所示的導(dǎo)航載荷仿真框圖4,包括三個主要模塊：(1) 理想的信號發(fā)生器，“理想”意味著不考慮來自該模塊的失真。其實它們都被納入到了導(dǎo)航載荷模塊。(2) 導(dǎo)航載荷模塊。(3) 理想的接收機模塊，模擬開環(huán)非相干DLL，“理想”是指沒有載波頻率偏移或熱噪聲的存在。產(chǎn)生的信號送入導(dǎo)航載荷模型，它由三個主要分塊構(gòu)成：(1) 前置濾波器，模擬高功放之前的線性失真，主要是由NSGU和FGUU引入的。(2) 高功率放大器(HPA)的模塊。(3) 后置濾波器，模擬高功放之

4、后的線性失真，主要來自于OMUX和ANT。最后，理想接收機實現(xiàn)了接收信號的捕獲(存在熱噪聲的情況下)和DLL的開環(huán)跟蹤。該模塊的輸出是S曲線，從它可以估計定時偏移(TO)和S曲線偏移(SCB)。導(dǎo)航載荷模塊是整個仿真框架的核心，主要包括以下幾個部分：(1) HPA前/后置濾波器線性失真可通過不同類型的濾波器模擬，如標準FIR/IIR數(shù)字濾波器(巴特沃斯、切比雪夫)，只要給定它們的主要參數(shù)(帶寬、滾降系數(shù)、波紋等)或帶寬有限的FIR濾波器，其頻率響應(yīng)是以表格形式輸入的。使用標準的濾波器大大簡化了過濾器的定義，并能快速估計其對S曲線偏差的影響。(2) 高功率放大器無記憶高功率放大器可通過查找表存儲

5、所需放大器的AM/AM和AM/PM傳輸特性來模擬。這種方法能夠仿真不同種類的HPA(TWTA,SSPA)，只要提供適當?shù)腁M/AM和AM/PM傳輸特性。由于篇幅限制，本文僅分析線性失真(振幅、相位和群延遲)對單路BOC信號的影響。不考慮實際的物理模型，僅從信號處理的角度出發(fā)，可采用圖3所示的仿真模型5。2 評估參數(shù)為了評估信號失真對碼跟蹤精度的影響，本文采用非相干DLL的S曲線斜率和偏移以及相關(guān)損失進行評估。作為導(dǎo)航載荷規(guī)范的重要參數(shù)6，本文也考察了功率損失。對于周期為T的理想信號Sin(t)的和經(jīng)過失真處理后的輸出信號Sout(t)，功率損失(PL)被定義為:式中Pk是Sin中的Sin,k分

6、量的相對功率。S曲線分析是基于一個最普遍的接收機概念非相干DLL的跟蹤回路7。遲早間隔為的DLL的鑒別函數(shù)或歸一化S曲線(SC)由式(4)給出：3 仿真分析本文仿真采用BOC(10,5)基帶信號，采樣率為1 023 MHz，時間長度為一個CA碼周期，即1 ms。3.1 幅度失真典型的幅度失真的類型有幅度波紋、拋物面幅度、幅度斜坡等，本文僅對幅度波紋做詳細分析。幅度波紋的頻率響應(yīng)H(f)定義為：從以上的分析推導(dǎo)，可以得出以下結(jié)論：(1) 上述方程與輸入信號的Sin(t)的形狀無關(guān)。(2) 考慮到BOC(m,n)信號自相關(guān)函數(shù)ACF的特性，當波紋周期f與碼速率相比擬時，對于固定的n/m，所有評估參

7、數(shù)(CL，PL和dSlope)與n無關(guān)。圖4給出了各評估參數(shù)隨A變化的趨勢。圖4 振幅紋波對評估參數(shù)的影響3.2 相位失真典型的相位失真類型有相位波紋、拋物線相位、立方相位等，本文僅對立方相位做詳細分析。立方相位的幅頻響應(yīng)如式(12)所示：H(f)=expj23(fc+s)fc+sff0fc+s3(12)式中:在頻率fs+c處的群時延為(fc+s)，相對中心頻率的偏移為f0。相應(yīng)的相頻響應(yīng)和群時延如圖5所示。 圖6顯示出輸出信號發(fā)生了不對稱的失真，相應(yīng)的S曲線出現(xiàn)了平滑效應(yīng)，S曲線斜率隨著鑒相間隔的改變劇烈變化且不對稱。從圖7的仿真結(jié)果可以看出，隨著群時延斜率的增加，S曲線斜率劇烈變化。由于相

8、位的奇對稱，S曲線偏移不再由輸出信號相對于輸入信號的延遲決定，而是包括了由S曲線不對稱引入的偏差。最終的偏差與(fc+s)關(guān)系密切，即使群時延很小。CL受(fc+s)影響較大。3.3 橢圓濾波器線性失真橢圓濾波器是一種頻率特性最常見的微波濾波器10。一般橢圓濾波器的群延遲響應(yīng)有以下特征：通帶內(nèi)的拋物線特征，可通過立方相位響應(yīng)FIR濾波器來模擬；通帶邊緣的耳狀特征，可以通過有耳狀群時延特性的FIR濾波器模型來模擬。同時，橢圓濾波器很容易滿足通帶損失小于1 dB，阻帶衰減多達幾十分貝，過渡帶陡峭的幅頻響應(yīng)，可用來分析帶限和群時延共同作用引入的線性失真的影響。圖8顯示了橢圓濾波器的幅頻響應(yīng)和群延遲特

9、性，這是一個6階橢圓濾波器，通帶內(nèi)的損失不超過0.5 dB，阻帶衰減50 dB。對BOC(m,n)信號，通帶邊緣頻率fp應(yīng)滿足：2*fp/fc+s取值為15，其中fc+s=(m+n)*1.023 MHz。從圖8可見，橢圓濾波器對相關(guān)損失有強烈的影響，對BOC信號來說，帶限到主瓣會使相關(guān)損失達到大于1 dB。S曲線斜率也明顯受到帶限的影響，帶限到主瓣會使S曲線斜率增加。但隨著帶寬的增加，S曲線斜率會減小。時間偏移對橢圓濾波器引入的線性失真相當敏感，尤其是群時延響應(yīng)失真。然而，當相關(guān)器間距趨于零時，時間偏移也趨于零。4 結(jié) 語為了評估線性失真對BOC(m,n)型信號的影響，采用PL，CL，dSlope和TO這幾個參數(shù)比較合理。通過仿真可以看出，帶限是最關(guān)鍵的失真類型，這也會出現(xiàn)在任何端到端的實際系統(tǒng)中，即使是相對很寬的帶寬，也會對碼跟蹤精度造成相當?shù)挠绊??？傮w看來，典型的線性相位失真對評估參數(shù)(CL,dSlope,