北斗衛(wèi)星信號多普勒頻移的電路設(shè)計

北斗衛(wèi)星信號多普勒頻移的電路設(shè)計摘要：接收機在接收衛(wèi)星信號時，由于接收機與衛(wèi)星的相對運動，導(dǎo)致衛(wèi)星信號在傳播過程中出現(xiàn)多普勒頻移。為了實現(xiàn)衛(wèi)星信號中載波多普勒的剝離，設(shè)計了一種基于北斗衛(wèi)星信號的載波多普勒剝離電路。描述了載波多普勒產(chǎn)生的原因以及剝離的方法，并詳細(xì)論述了該電路的設(shè)計方法。最后對該電路進(jìn)行MATLAB和Modelsim仿真，驗證了設(shè)計的載波多普勒剝離模塊性能滿足北斗衛(wèi)星接收機的要求。關(guān)鍵詞：北斗；抽取濾波器；多普勒頻移；載波NCO0引言我國獨立自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自2012年12月27日提供測試運行服務(wù)以來，為全球在全天候、不同天氣狀況下提供了高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航和授時功能，此外還包括我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)特有的短報文功能。2013年12月27日，在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務(wù)一周年后，在之前發(fā)布的北斗B1頻點信號內(nèi)容的基礎(chǔ)上新增發(fā)布了北斗B2頻點的信號內(nèi)容。雙頻點信號內(nèi)容的公布為用戶提供高精度雙頻服務(wù)，使定位精度從單頻時的10m躍升至米級、甚至分米級。北斗衛(wèi)星在橢圓近地軌道上繞地球運行,由于衛(wèi)星相對于地面的北斗接收機存在著相對運動,導(dǎo)致用戶接收機接收到的北斗衛(wèi)星所發(fā)射的信號產(chǎn)生了頻率變化,即多普勒頻移。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的基帶數(shù)字處理部分需要通過混頻徹底剝離掉數(shù)字中頻中包含多普勒頻移的載波，并且通過偽碼相關(guān)運算徹底剝離信號中的偽碼，從而得到所需要的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)碼。除此之外，還可以根據(jù)測得的多普勒頻移來精確地計算衛(wèi)星接收機的速度和加速。由此看來，對載波多普勒頻移的測量有一定的必要性，更有其重要的現(xiàn)實意義。本文根據(jù)北斗接收機的需要，設(shè)計了載波多普勒頻移模塊，實現(xiàn)了包含多普勒頻移的載波剝離。載波多普勒設(shè)計背景衛(wèi)星導(dǎo)航信號包含載波、C/A碼和導(dǎo)航電文。在傳播過程中，多普勒頻移的產(chǎn)生對衛(wèi)星信號接收機來說是不可避免的，而C/A的頻率很低，所以在C/A碼上產(chǎn)生的多普勒頻移相當(dāng)?shù)男。瑢d波來說則不然。當(dāng)?shù)孛嫔霞虞d有接收機的交通工具以朝向衛(wèi)星引起最大多普勒效應(yīng)的方向運動時，對于被C/A碼調(diào)制的L1頻率fr=1561.092MHz，所產(chǎn)生的多普勒頻移為[1]：其中，vdm是根據(jù)軌道速率，沿地平線方向；c是光速；fdr為算出的最大多普勒速率，約為929m/s，與高速軍用飛機的速度相當(dāng)。由上分析可知，當(dāng)接收機在低速載體上時，可認(rèn)為多普勒頻移為±5kHz；如果接收機裝在高速載體上，假設(shè)多普勒頻移的最大值為±10kHz是比較合理的。因此，在捕獲過程中，一般將載波多普勒頻率的搜索范圍定為±10kHz。載波多普勒剝離具體設(shè)計衛(wèi)星信號的捕獲作為整個接收機基帶信號處理的前提，其捕獲信號的準(zhǔn)確與速度對后續(xù)的基帶信號處理有至關(guān)重要的作用。接收機中信號的捕獲可以認(rèn)為是一個二維的搜索過程，包括從偽碼相位方向的搜索和從多普勒頻移方向的搜索[2]。其中從多普勒方向的搜索，由上述分析可知，多普勒頻移的最大搜索范圍是±10kHz，它通過本地產(chǎn)生載波，并調(diào)節(jié)本地載波的值與輸入信號相乘，從而去除輸入信號中的高頻載波分量。MATLAB仿真結(jié)果。圖1為算法的驗證示意圖，橫軸代表800個數(shù)據(jù)點，縱軸代表數(shù)據(jù)的值。圖中基帶數(shù)據(jù)信號為C/A碼，調(diào)制信號為載波和C/A碼調(diào)制后的信號，按照本設(shè)計算法，在本地產(chǎn)生的載波和信號中的載波頻率相位均一致的情況下，解調(diào)結(jié)果，為了減少基帶信號處理的功耗問題，將從RF采樣得到的中頻信號經(jīng)過抽取濾波器對數(shù)據(jù)進(jìn)行降頻處理，將數(shù)據(jù)采樣率從18.67fo降為2fo(因為C/A碼頻譜帶寬為約為2MHz，將數(shù)據(jù)速率降為2fo可以保證得到的信號包含C/A碼頻譜主瓣），這樣即保證了采樣后信號的完整性，又使基帶信號處理部分功耗降為最低。經(jīng)過抽取濾波器后出來的I/Q兩路信號中，高頻載波信號已被剝離，剩下的只是攜帶有多普勒頻率分量的載波、C/A碼和導(dǎo)航電文的中頻信號。該中頻信號被繼而送往所設(shè)計的多普勒模塊，從而找出載波的多普勒分量。多普勒模塊主要分為載波NCO模塊和載波多普勒剝離模塊兩個子模塊。下面對其相關(guān)內(nèi)容做詳細(xì)的分析介紹。2.1載波NCO的原理及其設(shè)計載波數(shù)控振蕩器（NCO）的作用是生成時間、幅度都離散的正余弦信號[3]，通常用在通信系統(tǒng)中，在載波跟蹤環(huán)中用來生成I-Q路混頻需要的同相與正交載波。載波NCO的實現(xiàn)方法有實時計算法與查找表法。通過實時計算產(chǎn)生正余弦信號的數(shù)據(jù)樣本，只適用于信號采樣頻率相對較低的情況。本文所設(shè)計的接收機采樣頻率為18.67fo(其中fo為北斗衛(wèi)星的基準(zhǔn)頻率2.046MHz)，用實時計算的方法實現(xiàn)起來較為困難，因此查找表是最有效、最簡單的方法。，載波NCO是由加法器和寄存器組成的相位累加器，它就是一個累加溢出再累加的過程。其中控制位有兩個，一個是相位控制字Phase，另一個是頻率控制字Freq。相位控制字旨在給模塊一個初始值，然后不斷累加頻率控制字，其中dopload為相位控制字的控制使能。fs是驅(qū)動累加時鐘頻率。載波NCO在每一個時鐘周期就增加Freq，相當(dāng)于每秒鐘增加Freq·fs。當(dāng)寄存器滿時，就溢出歸零，此時也就完成了一個循環(huán)周期?？刂评奂幼衷黾?，對應(yīng)的載波NCO產(chǎn)生的正余弦信號頻率fo增加fs/2N（其中N為設(shè)計的控制字的位數(shù)），這一頻率又稱為該載波NCO的頻率分辨率。在實際的電路系統(tǒng)中，為了保證載波信號的頻率精度，寄存器必須滿足一定的長度要求，即N的值要符合一定的精度要求。本次設(shè)計中，要求信號頻率誤差滿足f≤0.3Hz，由之前的分析可知，控制字的位數(shù)應(yīng)該滿足N≥23.7013。而且增加累加器的位數(shù)可以提高輸出信號頻率精度，正弦信號的量化位數(shù)越高，波形序列的相位越精確。尤其是對長度較短的信號序列，在序列量化的粗糙時，由于量化引入的噪聲會影響真實信息的顯現(xiàn)，但過長會增加硬件的功率損耗。所以，綜合考慮得出要達(dá)到跟蹤環(huán)頻率誤差?駐f≤0.3Hz，載波NCO采用24位的累加器，即Phase和Freq設(shè)置為24bit，采樣頻率為18.67fo，便可滿足設(shè)計要求。由上分析可知，累加器的位數(shù)N是由頻率分辨率來決定的，而對于正余弦查找表的選址地址位數(shù)J以及正余弦量化位數(shù)K則是由雜散度來決定的[4]。理想情況下，為了輸出信號達(dá)到一個高精度，設(shè)計將累加器位數(shù)N全部用來作為地址的尋址位數(shù)J，而將正余弦的量化幅度無限細(xì)分，但這樣的結(jié)果是需要一個非常大容量的存儲器，在正常情況下，實際上是無法實現(xiàn)并且不可取的。所以就要選擇一個合適的尋址位數(shù)J和正余弦量化位數(shù)K。工程實現(xiàn)中，一般取得J<N，K是一個有限的位數(shù)，然而這又必然會導(dǎo)致相位截斷誤差和幅值量化誤差的出現(xiàn)。這兩個誤差將導(dǎo)致載波NCO輸出信號的頻譜出現(xiàn)雜散譜。其中尋址位數(shù)J對雜散的影響體現(xiàn)為輸出信號頻譜中的主譜S和最強雜散譜sspur的幅度之比，公式如下：而幅值量化位數(shù)K對雜散的影響體現(xiàn)為信噪比SNR：SNR≈6.02×K+1.76dB(3)要保證在不惡化雜散性能的前提下盡量壓縮存儲空間。而在本次工程設(shè)計中，已知該設(shè)計在雜散抑制約為24dB時即可很好地滿足要求。所以，取地址尋址位數(shù)與幅值量化位數(shù)均為4。該模塊電路的Modelsim仿真圖。2.2載波多普勒剝離原理分析經(jīng)過射頻采樣得到的中頻信號在通過抽取濾波器對中頻進(jìn)行降頻處理后，要與載波生產(chǎn)的本振信號進(jìn)行相應(yīng)運算才能實現(xiàn)載波的剝離。其中中頻降頻后得到的是兩個2bit的I、Q信號，而載波NCO中通過正余弦查找表產(chǎn)生的是兩個分別為4bit的正余弦幅值信號cos(j)和sin(j)。在該模塊中，分別將cos(j)、sin(j)與Iin、Qin做乘法運算，即可將中頻信號中的載波多普勒剝離掉[5]。將Iin、Qin兩路信號用以下式子來簡化表示：其中A是信號的幅度，C(t)是C/A碼，D(t)是導(dǎo)航信息。按照上述分析，將cos(j)、sin(j)與Iin、Qin分別做乘法運算后得到如下表達(dá)式：將式(4)、式(5)帶入式(6)、式(7)后，可以得到如下等式：由上述等式(8)、式(9)可以得出，當(dāng)載波產(chǎn)生的正余弦信號cos(j)、sin(j)的相位j與衛(wèi)星接收到的中頻信號的相位t相一致時，就表示載波多普勒被完全剝離掉。如果還有一定的相位差，可以通過后續(xù)相關(guān)電路再反饋給載波NCO的相位控制字Phase和頻率控制字Freq對載波本振信號進(jìn)行調(diào)整，直到兩相位相一致為止。具體電路圖。載波多普勒模塊的設(shè)計驗證根據(jù)上述分析所設(shè)計的多普勒模塊可以很好地滿足工程需求。進(jìn)入載波多普勒模塊的中頻信號頻率是2fo，采樣時鐘頻率為2fo，寄存器為24bit，其Modelsim驗證仿真圖。在Modelsim仿真中，給定初始相位控制字為二進(jìn)制值100000000000000000000000，頻率控制字為二進(jìn)制值0001000000000000000000。中頻I/Q信號均以一定的基準(zhǔn)速率輸入，并按照上述旋轉(zhuǎn)模塊的公式進(jìn)行相關(guān)運算，最后得到的sumI和sumQ就是對射頻接收到的中頻信號進(jìn)行載波多普勒剝離后的結(jié)果。然后對其按照固定的兩個門限值，將其轉(zhuǎn)換為與輸入射頻信號一致的2bit數(shù)據(jù)。最后得到完整處理后的信號iOut和qOut，。由仿真結(jié)果得出，iOut輸出