CN103558612B - 锁相环与副载波环联合鉴相跟踪环路 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种锁相环与副载波环联合鉴相跟踪环路，包括载波跟踪环、副载波跟踪环和扩频码跟踪环，其中，载波跟踪环首先对接收到的中频BOC信号进行载波剥离处理，得到的输出信号作为副载波跟踪环的输入，与副载波数控振荡器产生的本地余弦和正弦信号相乘，得到的信号输入到扩频码跟踪环中进行码相位跟踪，针对二进制偏移载波信号跟踪的模糊性问题，在载波跟踪环和副载波跟踪环联合跟踪环路中采用一种联合鉴相方法解决了在信噪比较低时由噪声导致的相位模糊度问题，该方法提高了鉴相精度，实现精确跟踪。

Description

锁相环与副载波环联合鉴相跟踪环路

技术领域

本发明涉及卫星导航跟踪技术领域，具体涉及一种BOC调制信号锁相环与副载波环联合跟踪的环路。

背景技术

在GPS***、Galileo***和中国北斗***中，二相相移键控（BPSK）调制是卫星导航***最先采用的调制方式，然而由于信号数量增加和可用频带资源有限，在有限带宽下提高信号性能以及减小相邻信号间的干扰成为研究重点。独立的欧洲伽利略***将在相同频带和新频带两者中使用类似的新导航信号。虽然一些新导航信号将继续使用BPSK调制，但是它们中的大多数将使用新的二进制偏移载波（BOC）调制方法，BOC调制的主要思想是减少BPSK调制信号之间的干扰。

二进制偏移载波（BOC）调制是以BPSK调制为基础，增加一个以方波作为子载波，对卫星产生的码信号辅助调制，子载波调制函数可以表示为，子载波速率是码率的整数倍，或者是码率的整数又二分之一倍，BOC调制标准表示形式为。之后再调制到主载波上，即信号和一个频率为的副载波相乘，使得信号的频谱***成两部分，位于主载波频率的左右两部分。

当接收的BOC信号使用本地产生的匹配BOC参考信号来相关时，作为结果的相关函数具有多个峰，当L门值和E门值之间的差产生的误差信号能够将P门引导到中心峰的顶点，从而将试验延迟等于真实延迟，实现精确延迟估计。但是若当E门和L门居于次级峰之一的两侧时，误差信号会将P门引导到次级峰（可能是负的），此时误差信号也为零，但试验延迟与真实延迟并不相对应，跟踪环路可能错误地锁定在边峰上，即出现跟踪模糊性。该现象被称为“假锁”或“滑移”。

为了消除BOC信号跟踪的模糊性问题，已提出了许多跟踪算法，如被称为“撞击跳跃”技术、二元估计技术以及将副载波与扩频码分离的三重环路跟踪技术。“撞击跳跃”技术通过增加一对称为特早门和特迟门与P门值进行比较，从而确定试验延迟。该算法是以长时间等待为代价，这对于导航***来说是很严重的问题。

二元估计技术将BOC信号的多峰自相关函数映射为无模糊的二维函数。该技术可保证跟踪环路锁定在BOC信号相关函数的主峰上。但是，二元估计技术没有充分利用副载波的周期性，因此对于弱信号的跟踪稳定性较差。

在2010年由北航大学申请的名为一种二进制偏移载波信号跟踪环路专利中，引入了副载波跟踪环来消除BOC信号模糊性的问题，其中载波环和副载波环使用的鉴相器算法为二象限反正切鉴相器，但是没有考虑噪声对鉴相误差的影响。若有噪声存在的情况下，即：

其中，和分别代表载波环和副载波环鉴相器输出的相位误差。这里选用的二象限ATAN鉴相器虽然对180度相位不敏感，避免了输入中频BOC信号比特跳变对PLL和SLL的影响。当考虑在、、积分表达式中存在噪声项时，若和都很小，并且处在信噪比很低的环境下，会发现鉴相误差值淹没在噪声中，给鉴相结果带来很高的模糊度。

另外，在副载波与扩频码分离跟踪技术中，超前减滞后功率鉴相器算法采用的是单一的支路，即：

然而，超前和滞后码支路分别包括和两个支路，若只使用单一的支路进行鉴相会导致码跟踪环鉴相误差很大。

发明内容

本发明的一种锁相环与副载波环联合鉴相跟踪环路，其特征在于，包括载波跟踪环、副载波跟踪环和扩频码跟踪环。其中，载波跟踪环首先对接收到的中频BOC信号进行载波剥离处理，得到的输出信号作为副载波跟踪环的输入，与副载波数控振荡器产生的本地余弦和正弦信号相乘，得到的信号输入到扩频码跟踪环中进行码相位跟踪。

载波跟踪环包括载波数控振荡器、互相关处理单元、积分清零单元、载波环与副载波环联合鉴相器和PLL环路滤波器；

副载波跟踪环包括副载波数控振荡器、互相关处理单元、积分清零单元、载波环与副载波环联合鉴相器和SLL环路滤波器；

扩频码跟踪环包括扩频码数控振荡器、互相关处理单元、积分清零单元、扩频码环鉴相器和DLL环路滤波器。

所述锁相环与副载波环联合鉴相跟踪环路对BOC信号进行处理的步骤包括：

环路中的载波跟踪环首先对输入的中频BOC信号进行处理，将其与载波环数控振荡器生成的本地余弦和正弦载波信号进行相乘，本地余弦和正弦信号与接收信号频率同为，此过程即为正交解调，实现了载波剥离，得到路和路信号。

环路中的副载波跟踪环，其中，副载波数控振荡器产生的本地余弦和正弦副载波信号与接收副载波信号频率同为，将得到的路和路信号与本地余弦和正弦副载波信号进行相关，得到、、和四个支路，实现对BOC信号副载波相位的锁相环跟踪，完成副载波剥离。

环路中的码跟踪环，其中，由码数控振荡器产生的三路本地超前（E）、即时（P）和滞后码分别与、、和四个之路信号进行相关，实现扩频码的解扩。将解扩后的码输入到积分清零单元，由积分清零单元对相关运算结果进行累加，得到多路相关值分别为、、、、、、、、和、、。

设本发明中接收到的中频BOC信号表达为：

其中，代表调制载波的扩频码，代表副载波分量，代表载波分量，为载波角频率，为载波的初始相位。

设载波数控振荡器产生的本地中频载波分别为和，其中是本地中频载波的初始相位；副载波数控振荡器产生的副载波分别为和，其中，是初始相位；码数控振荡器生成本地码的即时、超前和滞后分量分别为，和，其中，是扩频码跟踪环的超前减滞后间隔，且满足，是扩频码的码片宽度；积分清零单元输出多路相关值分别为：

同理，

其中，是积分时间；是载波的相位误差；是副载波的相位误差；是扩频码的自相关函数，是扩频码延迟。对上面四个即时之路分别进行平方，对进行归一化得到：

环路中载波跟踪环、副载波跟踪环和扩频码跟踪环中的积分清零单元，将得到的多路相关值、、、、、、、、和、、各自输入至载波跟踪环和副载波跟踪环中的载波环与副载波环联合鉴相器和扩频码跟踪环中的扩频码跟踪环鉴相器，载波环与副载波环联合鉴相器检测载波相位的跟踪误差和副载波相位的跟踪误差，扩频码跟踪环鉴相器测量扩频码的跟踪误差。

本发明的有益效果是：针对二进制偏移载波信号跟踪的模糊性问题，在载波跟踪环和副载波跟踪环联合跟踪环路中采用一种联合鉴相方法解决了在信噪比较低时由噪声导致的相位模糊度问题，该方法提高了鉴相精度，实现精确跟踪。

附图说明

图1是本发明一种锁相环与副载波环联合鉴相跟踪环路的结构方框图；

图2是三阶数字环路滤波器方框图；

图3是本地载波与输入载波之间的真实频率误差的，相位矢量图。

图中：

01——载波跟踪环，02——副载波跟踪环，03——扩频码跟踪环，

04——鉴相器模块，05——环路滤波器模块，

101——乘法器单元，102——载波环数控振荡器，103——副载波环数控振荡器，

104——码环数控振荡器，105——DLL鉴相器，106——PLL与SLL联合鉴相器，

107——DLL环路滤波器，108——SLL环路滤波器，109——PLL环路滤波器，

110——积分清零单元。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

一种锁相环与副载波环联合鉴相跟踪环路，如图1所示，包括载波跟踪环01、副载波跟踪环02和扩频码跟踪环03；载波跟踪环简称PLL，副载波跟踪环简称SLL，扩频码跟踪环简称DLL。

载波跟踪环01，包括载波数控振荡器102、互相关处理单元（乘法器）101、积分清零单元110、载波环与副载波环联合鉴相器106和PLL环路滤波器109；

副载波跟踪环02，包括副载波数控振荡器103、互相关处理单元（乘法器）101、积分清零单元110、载波环与副载波环联合鉴相器106和SLL环路滤波器108；

扩频码跟踪环03，包括扩频码数控振荡器104、互相关处理单元（乘法器）101、积分清零单元110、扩频码环鉴相器105和DLL环路滤波器107。

所述锁相环与副载波环联合鉴相跟踪环路对BOC信号进行处理的步骤包括：

环路中的载波跟踪环01首先对接收到的中频BOC信号进行处理，将其与载波环数控振荡器102生成的本地余弦和正弦载波信号进行相乘，本地余弦和正弦信号与接收信号频率同为，此过程即为正交解调，实现了载波剥离，得到路和路信号。

环路中的副载波跟踪环02，其中，副载波环数控振荡器103产生的本地余弦和正弦副载波信号与接收副载波信号频率同为，将得到的路和路信号与本地余弦和正弦副载波信号进行相关，得到、、和四个支路，实现对BOC信号副载波相位的锁相环跟踪，完成副载波剥离。

环路中的扩频码跟踪环03，其中，由码环数控振荡器104产生的三路本地超前（E）、即时（P）和滞后码分别与、、和四个之路信号进行相关，实现扩频码的解扩。将解扩后的码输入到积分清零单元110，由积分清零单元110对相关运算结果进行累加，得到多路相关值分别为、、、、、、、、和、、。

本专利中采用锁相环与副载波环相结合的联合鉴相跟踪方法获得无模糊度的载波相位，并且利用改进的扩频码跟踪环鉴相器算法降低扩频码鉴相误差，解决了现有带有副载波环的跟踪技术由于没有考虑到噪声对鉴相误差的影响而带来的相位模糊度问题。

设本发明中接收到的中频BOC信号表达为：

其中，代表调制载波的扩频码，代表副载波分量，代表载波分量，为载波频率，为载波的初始相位。

设载波数控振荡器102产生的本地中频载波分别为和，其中是本地中频载波的初始相位；副载波数控振荡器103产生的副载波分别为和，其中，是初始相位；码数控振荡器104生成本地码的即时、超前和滞后分量分别为，和，其中，是扩频码跟踪环的超前减滞后间隔，且满足，是扩频码的码片宽度；积分清零单元输出多路相关值分别为：

同理，

其中，是积分时间；是载波的相位误差；是副载波的相位误差；是扩频码的自相关函数，是扩频码延迟。对上面四个即时之路分别进行平方，对进行归一化得到：

积分清零单元得到多路相关值、、、、、、、、和、、输入至载波跟踪环与副载波跟踪环联合鉴相器106和扩频码跟踪环鉴相器105；载波跟踪环与副载波跟踪环联合鉴相器106检测出的载波相位跟踪误差为，副载波相位跟踪误差为，扩频码跟踪环鉴相器105测量扩频码的跟踪误差。

载波跟踪环01和副载波跟踪环02中的载波环与副载波环联合鉴相器106采用权利要求2的算法来降低载波相位差与副载波相位差的模糊度，有：

可以发现当和都很小时，它们各自的余弦与正弦值不可能同时小，那么在有噪声存在情况下，鉴相误差模糊度很高，而鉴相误差模糊度较小，则可通过对和取平均值来降低模糊度。对于副载波跟踪环02的鉴相误差处理同理。

另外，还可以通过以下式子计算出与各自的余弦值与正弦值的模值，即：

比较与模值大小及与模值大小，在噪声环境中选择模值大的去计算载波环01与副载波环02的鉴相误差与。

载波跟踪环01和副载波跟踪环02可以采用权利要求3中的联合鉴相算法，即对所有的即时（P）之路都进行如下变换：

得到：

其中，、、、和都是已知量。从而由上述四式可以求得和，进而求得载波跟踪环鉴相器的相位误差和副载波跟踪环鉴相器的相位误差。

载波跟踪环01和副载波跟踪环02还可以采用权利要求4中的联合鉴相算法，对所有的即时（P）支路进行如下变换：

得到载波跟踪环鉴相误差和副载波跟踪环鉴相误差分别为：

扩频码跟踪环鉴相器105采用的鉴相算法依据传统的非相干超前减滞后功率鉴相器算法，考虑到副载波跟踪环的存在，利用载波环01和副载波环02中超前和滞后支路分别包含的路和路两路同时进行扩频码鉴相，其算法如下：

其中，是扩频码跟踪环鉴相器输出的扩频码跟踪误差。

载波跟踪环与副载波跟踪环联合鉴相器106和扩频码跟踪环鉴相器105的鉴相结果分别输出到载波跟踪环环路滤波器109、副载波跟踪环环路滤波器108和扩频码跟踪环环路滤波器107中，环路滤波器的用处是降低噪声以便在其输出端对鉴相结果产生精确的估计。载波跟踪环环路滤波器109、副载波跟踪环环路滤波器108和扩频码跟踪环环路滤波器107输出的跟踪误差转化为相应的频率控制字，对应反馈到载波数控振荡器102、副载波数控振荡器103和扩频码数控振荡器104，控制载波数控振荡器102、副载波数控振荡器103和扩频码数控振荡器104调整载波、副载波和扩频码的相位，跟踪输入的中频BOC信号，完成闭合跟踪环路。

根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。

Claims (4)

1.锁相环与副载波环联合鉴相跟踪环路，包括载波跟踪环、副载波跟踪环和扩频码跟踪环，其中，载波跟踪环首先对接收到的中频BOC信号进行载波剥离处理，得到的输出信号作为副载波跟踪环的输入，与副载波数控振荡器产生的本地余弦和正弦信号相乘，得到的信号输入到扩频码跟踪环中进行码相位跟踪；

载波跟踪环包括载波数控振荡器、互相关处理单元、积分清零单元、载波环与副载波环联合鉴相器和PLL环路滤波器；

副载波跟踪环包括副载波数控振荡器、互相关处理单元、积分清零单元、载波环与副载波环联合鉴相器和SLL环路滤波器；

扩频码跟踪环包括码数控振荡器、互相关处理单元、积分清零单元、扩频码环鉴相器和DLL环路滤波器；

接收到的中频信号处理过程如下：

设接收到的中频BOC信号表达为：

其中，c(t-τ)代表调制载波的扩频码，sc(t-τ)代表副载波分量，代表载波分量，ω_c＝2πf_c为载波频率，为载波的初始相位，τ是扩频码延迟；

设载波数控振荡器产生的本地中频载波分别为和其中是本地中频载波的初始相位；副载波数控振荡器产生的副载波分别为和其中ω_sc＝2πf_sc，是初始相位；码数控振荡器生成本地码的即时、超前和滞后分量分别为c(t)，c(t+λ/2)和c(t-λ/2)，其中，λ是扩频码跟踪环的超前减滞后间隔，且满足λ＜T_c，T_c是扩频码的码片宽度；积分清零单元输出多路相关值分别为：

同理，

其中，T是积分时间；是载波的相位误差；Δθ是副载波的相位误差；是扩频码的自相关函数；对上面四个即时支路分别进行平方，对R_c(τ)进行归一化得到：

$R_c\left(\mathrm{\τ}\right)=\sqrt{I_{QP}^2+I_{IP}^2+Q_{IP}^2+Q_{QP}^2};$

锁相环与副载波环联合鉴相跟踪环路，其特征在于，载波环与副载波环联合鉴相器选用联合鉴相算法，对所有的即时（P）支路都进行如下变换：

得到：

其中，I_IP、I_QP、Q_IP、Q_QP和R_c(τ)都是已知量；从而由上述（1）、（2）、（3）、（4）四式求得和进而求得载波跟踪环鉴相器的相位误差和副载波跟踪环鉴相器的相位误差Δθ。

2.如权利要求1所述的锁相环与副载波环联合鉴相跟踪环路，其特征在于，联合鉴相器针对传统采用副载波环的跟踪技术中忽略噪声存在而引起相位模糊度的情况，采用以下方法来降低模糊度的影响，有：

发现当和Δθ都很小时，它们各自的余弦与正弦值不可能同时小，那么在有噪声存在情况下，鉴相误差模糊度很高，而鉴相误差模糊度较小，则可通过对和取平均值来降低模糊度；对于副载波跟踪环的鉴相误差处理同理；另外，还可以通过以下式子计算出与Δθ各自的余弦值与正弦值的模值，即：

$Q_{IP}^2+I_{IP}^2=|cos\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}{|}^2$

$Q_{QP}^2+I_{QP}^2=|sin\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}{|}^2$

比较与模值大小及sinΔθ与cosΔθ模值大小，在噪声环境中选择模值大的去计算载波环与副载波环鉴相误差与Δθ。

3.如权利要求1所述的锁相环与副载波环联合鉴相跟踪环路，其特征在于，联合鉴相器所选用的联合鉴相方法，还可以选择对即时（P）支路进行如下变换：

2(I_QP*I_IP+Q_QP*Q_IP)＝sin2Δθ

$I_{IP}^2+Q_{IP}^2-(I_{QP}^2+Q_{QP}^2)=cos2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}$

得到载波跟踪环鉴相误差和副载波跟踪环鉴相误差Δθ分别为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}atan\[\frac{2(I_{QP}*I_{IP}+Q_{QP}*Q_{IP})}{I_{IP}^2+Q_{IP}^2-(I_{QP}^2+Q_{QP}^2)}\].$

4.如权利要求1所述的锁相环与副载波环联合鉴相跟踪环路，其特征在于，扩频码跟踪环鉴相器算法依据传统的非相干超前减滞后功率鉴相器算法，考虑到副载波跟踪环的存在，利用载波环和副载波环中超前和滞后支路分别包含的I路和Q路两路同时进行扩频码鉴相，其算法如下：

${\mathrm{\σ}}_{DLL}=\frac{1}{2}\frac{\[\left(\right|I_{IE}{|}^2+\left|I_{QE}{|}^2\right)+\left(\right|Q_{IE}{|}^2+\left|Q_{QE}{|}^2\right)\]-\[\left(\right|I_{IL}{|}^2+\left|I_{QL}{|}^2\right)+\left(\right|Q_{IL}{|}^2+\left|Q_{QL}{|}^2\right)\]}{\[\left(\right|I_{IE}{|}^2+\left|I_{QE}{|}^2\right)+\left(\right|Q_{IE}{|}^2+\left|Q_{QE}{|}^2\right)\]+\[\left(\right|I_{IL}{|}^2+\left|I_{QL}{|}^2\right)+\left(\right|Q_{IL}{|}^2+\left|Q_{QL}{|}^2\right)\]}$

其中，σ_DLL是扩频码跟踪环鉴相器输出的扩频码跟踪误差。