通道非理想特性對導航信號相關峰的影響分析

通道非理想特性對導航信號相關峰的影響分析

曾威,李柏渝,劉文祥,歐鋼

(國防科學技術大學電子科學與工程學院衛星導航定位技術工程研究中心，長沙 410073)

摘要：衛星導航信號質量直接影響導航系統的各項性能指標,因此信號質量評估是衛星導航系統設計和運行控制過程中的重要環節。接收射頻通道幅頻特性和相頻特性會對信號質量的評估產生影響。本文主要針對導航信號相關峰等評估方法,建立射頻通道的非理想模型,分析通道不同頻率特性對GNSS信號相關峰的影響。仿真結果表明：通道的非理想特性會對導航信號產生較大的影響。

關鍵詞：導航信號質量;射頻通道;非理想特性;相關峰;濾波器

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.05.013

中圖分類號：P228.4

文獻標志碼：A

文章編號：1008-9268(2015)05-0071-06

收稿日期：2015-05-26

作者簡介

Abstract:GNSS (Global Navigation Satellite System) signal is likely to be affected in the process of producing, transmitting, spreading and receiving. In view of the non-ideal characteristic of RF-channel, the GNSS signal quality monitoring and assessment can be carried out and the abnormal of the frond-end can be found and warned. In this regard, there is no comprehensive system research results at home and abroad at present. So it can’t effectively evaluate the influence of non-ideal characteristic of channel on the quality of navigation signal. This paper establishes the non-ideal model of the RF-channel, and analyses the impact of the different frequency characteristics on GNSS signal correlation peak by a navigation signal correlation peak assessment method. The simulation results show that the non-ideal characteristic of channel can cause a large effect on.

0引言

GNSS系統中,導航信號作為衛星、地面運控以及用戶之間協調工作的紐帶,其優劣將直接關系到GNSS定位、授時和測速等基本功能,并反映衛星有效載荷的工作狀態及電性能指標。開展GNSS信號監測評估,可以及時準確發現異常并快速告警,確保用戶可靠使用。

導航信號質量監測評估通常利用高增益天線和高速數據采集設備對單頻點衛星下行信號進行接收采集,以離線數據分析的方法對解調后的I/Q支路基帶信號進行分析,評估眼圖、星座圖和相關峰曲線等參數[1]。隨著導航信號現代化,信號調制方式和復用方法越來越復雜,傳統的眼圖、星座圖已經不能充分描述信號質量,而相關峰作為評估導航信號的重要參數將變得尤為重要。信號質量監測評估主要是對信號本身性能及各項指標的綜合測量,但其結果通常受到發射和接收通道特性、干擾和多徑等因素的影響。怎樣有效地評估導航信號質量,建立準確的通道非理想模型,是一個非常重要的課題，以往的文獻少有對此問題進行分析。

本文首先對相關峰評估方法[2]進行了介紹,采用相關損耗和S曲線評估通道功率變化和測距誤差,然后在許曉勇等人[3]的導航接收機高精度等效低通分析模型基礎上,建立基帶信號接收通道非理想的簡化模型,分析不同頻率特性對導航信號相關峰的影響,最后利用北斗BPSK(2)信號仿真驗證在不同情況下的相關峰評估,并給出具體的結論分析。

1導航信號相關峰及通道非理想建模

1.1　相關函數

相關函數的異常和變形直接體現接收導航信號的失真[4]。利用相關函數曲線,可以評估由信道帶限和失真等因素引起的相關功率損耗及其對導航性能的影響。根據導航信號跟蹤復現本地載波,對射頻信號進行載波剝離和多普勒去除,得到I/Q兩路正交的基帶信號,計算其與本地參考碼的歸一化互相關,相關函數定義為

CCF(sout,sin,τ)=

(1)

式中: Sout(t)是實測衛星基帶信號; Sin(t)為理想的非失真本地參考信號;相關積分時間T通常對應參考信號的一個碼周期。輸入參考信號的自相關函數為理想的相關峰形

ACF(τ)=CCF(sin,sin,τ).

(2)

聯系人： 曾威E-mail: 464115809@qq.com

1.2　相關峰參數評估

相關峰的評估目的是將實測相關函數與理想相關函數進行對比,通過對實測相關曲線的相關損耗、S曲線偏差、相關峰對稱性和中心距等參數的分析,評估相關函數畸變,分析接收信號對測距性能的影響。相關損耗和S曲線偏差都是基于功率歸一化的相關函數(CCF)。相關損耗反映了相關器中接收信號的失真損耗,定義為

(3)

S曲線是跟蹤環路中常用的超前減滯后相關值的鑒相曲線,其過零點偏移即為S曲線偏差,是衡量導航測距誤差的常用指標。S曲線可表示為

(4)

其中信號鎖定點τ(δ)滿足:

SC(τ(δ),δ)=0.

(5)

τ(δ)與真實零點的偏移就是測距誤差。

1.3　非理想通道建模

GNSS導航信號質量不僅與衛星信號狀態和傳播路徑有關,也可能會受到通道特性的影響。射頻前端是導航接收信號鏈路中的一個重要組成部分,通過天線接收衛星導航信號,依次經前置放大器、下變頻器和A/D轉換器變成數字中頻信號。基帶數字信號處理模塊對射頻前端輸出信號進行處理,實現捕獲與跟蹤,得到基帶信號[5]。信號質量評估模塊對剝離載波的基帶信號進行分析,根據分析結果達到評估目的。導航信號質量監測評估功能流程如圖1所示。

圖1　導航信號質量監測評估功能模塊

在射頻前端的處理過程中,信道濾波、放大、下變頻等會對導航信號產生作用,進而影響信號質量的后續評估。簡化信號處理過程,建立一般的通道傳輸模型[6],刻畫非理想特性對信號相關峰評估的影響。通道非理想特性模型建立如圖2所示。

圖2　非理想通道模型

理想輸入信號Sin(t),通過非理想通道,得到失真輸出結果Sout(t),再與理想信號進行相關。這里主要關注由濾波器帶限、幅度特性和相位特性等引起的失真,對應不同的通道頻率響應H(f),所以得到輸出信號的傅立葉變換為

Sout(f)=H(f)·Sin(f).

(6)

具體的通道特性分析將在下文中分別展開,單獨考慮每一特性對相關峰評估的影響,可以得到一般化的結論。

2通道非理想對導航信號相關峰的影響

2.1　總述

導航信號質量分析是在數字基帶進行的,其假設條件是通道帶內具有理想的頻率響應,且各通道間的幅相特性一致。但是射頻前端、AD 轉換器等模擬器件實現時的各種誤差、制造公差、溫度及環境特性都會導致通道特性非理想。本章主要通過理論分析得出通道內幅度波動大小、相位波動大小對導航信號相關峰的影響,反映信號的功率損耗和測距偏差的性能,對導航信號質量監測分析系統的通道設計具有一定的參考意義。

2.2　非理想特性對相關峰的影響分析

理想情況下,通道為一個全通的線性相位濾波器,通帶內|H(f)| ≡1,有一個為常數的群時延τ0,信號經過通道后僅在時間上有一個延遲,不會引起信號失真,也不會對信號質量產生影響。但在實際應用中,理想的恒幅度線性相位濾波器一般并不能保證,濾波器的幅度和相位響應是關于f的函數,通帶內有一定的波動,導航信號經過濾波器之后產生失真,影響信號質量的評估。

2.2.1濾波器帶限影響分析

濾波器帶限是指信號經過濾波器通道后有效頻帶外的濾波作用,假設單邊帶帶寬Δf/2,表達式為

(7)

式中,H(f)的單位沖激響應為sinc函數,所以衛星信號經過接收通道,將引起碼片邊緣類似于sinc函數的變形,這種振蕩稱為振鈴效應,如圖3所示。

圖3　振鈴效應的碼片邊緣曲線

得到信號輸出和相關函數分別為

sout(t)=h(t)*sin(t),

(8)

(9)

信號通道對相關函數的影響核心模型為三角波形經過濾波器h(t)。三角波的傅立葉變換為sinc2函數,其能量主要集中在頻率范圍為±1/Tc之間的主瓣之內,旁瓣的能量迅速衰減。得到相關

圖4　濾波器帶限對相關峰的展寬

曲線的形狀主要由H(f)在±1/Tc之間的特性決定,高頻分量僅對結果進行細節上的微小調整。所以帶限作用得到的結果為sinc2函數濾掉高頻的部分,對應相關峰波形頂峰尖銳處被展寬,如圖4所示。同時,因為h(t)為實數,不影響CCF的對稱性,不會造成S曲線的偏移。

2.2.2幅度起伏影響分析

通常情況,信道幅度不可能恒為1,正弦波動的頻率響應可以反映這種特點

(10)

式中： α是根據起伏峰峰值A(dB)得到的,α=(1-10-A/20)/2; 波動周期為Δf; 相對補償相位為φ0,如圖5所示。

圖5　幅度波動頻率響應

通道輸出失真信號

Sout(t) =F-1[H(f)Sin(f)]

Δt)-e-iφ0sin(t-Δt)),

(11)

式中,Δt=1/Δf,輸出結果受到幅度正弦波動的影響,由輸入信號在時間上的超前和滯后量疊加。所以相關函數和相關損耗分別為

(12)

CL =-20log10[|CCF(0)|]

=-20log10[ (1-a)+aACF(Δt)sin(φ0)/[ [(1-a)2+a2/2]+2a(1-a)ACF(Δt)sin(φ0)-

a2/2·ACF(2Δt)cos(2φ0)]1/2.

(13)

由上式可以得出:三個參數都可能會影響相關函數曲線,特別當φ0=90°,270°,CCF(τ)=CCF(-τ),即保持對稱性,不影響S曲線頻移;幅度起伏越大,對信號質量的影響也越大。

2.2.3相位起伏影響分析

當通道內存在相位起伏,假設為正弦波動,頻率響應可設為

(14)

式中: b為波動幅度; 周期為Δf; 補償相位為φ0,如圖6所示。

圖6　相位波動頻率響應

輸出結果為

sout(t) =F-1[H(f)Sin(f)]=J0(b)sin(t)+

(15)

式中,Jn為n階第一類貝塞爾函數展開式。同幅度波動一樣,相位波動結果也是由輸入信號時間上的超前和滯后量疊加,階數無窮。對應相關函數為

(16)

相關函數由一系列權重Jn(b),相位因子exp(-inφ0),時延nΔt的自相關函數疊加。只有當φ0=90°,270°時曲線左右對稱,相位波動幅度越大信號失真越嚴重。

3仿真結果與分析

3.1　帶限影響

濾波器帶限振鈴效應使得載波剝離后測距碼片邊緣產生波動,這些變化將使信號相關峰尖銳處被展寬,相關峰增益降低,并且濾波器帶寬不同，相關峰形狀也相應地變化。考慮不同濾波器帶寬對BPSK(2)導航信號相關峰形狀的影響,相關峰對比結果如圖7,相關損耗變化如圖8所示。

由圖7和圖8可知,無限帶寬即不經過濾波處理,本地恢復的信號同接收信號的相關峰接近理論值,保持對稱且尖銳,無相關損耗。而信號經過帶限濾波器后,由于高頻分量被濾除,導致相關峰被平滑,隨著濾波帶寬的減小,該現象變得更加顯著,相關損耗增大。4.026 M帶寬的北斗B1信號在濾波器帶寬為5～75 M變化時相關損耗不會超過0.35 dB.濾波器帶寬雖然不會使得測距偏差變大,但是增大了復原信號與接受信號之間的矢量誤差。在實測情況下,導航信號中必然混入各種各樣的干擾信號以及噪聲,必須考慮適當的濾波器帶寬以濾除其他信號。

圖7　不同濾波器帶寬下相關峰對比

圖8　濾波器雙邊帶寬對相關損耗的影響

3.2　幅相波動影響

根據2.2節信道幅度和相位起伏波動分析模型,幅度起伏和相位起伏對信號質量的影響都是不可忽略的。仿真條件下,得到測距偏差隨波動幅度變化的情況如圖9所示,測距偏差是在相關間隔為0.5個碼片下得到的,波動周期Δf設為15 MHz.

圖9　S曲線偏差隨波動幅度的變化

從圖上可以看到,幅度起伏波動對測距偏差的影響非常小,不會隨著起伏峰峰值的增大而變化,總體保持在一個小幅偏差變化的狀態。而對于相位幅度變化的情況就要相對復雜一些,測距偏差受到的影響較大,當相位幅度b在0～30°內變化時,測距偏差大幅增大;當b在30～60°內變化,測距偏差又緩慢減小。

當對比設置射頻通道內幅度起伏峰峰值A=4 dB和相位起伏幅度b=30°,比較這兩種特定情況下的相關峰結果,如圖10所示,同時其評估參數如表1所示。

圖10　兩種情況下的相關峰對比

相關損耗/dB峰尖所在位置/chipS曲線偏差0.20.5理想通道0000A=4dB4.123300.00630.0051b=30°0.38470.10.70010.4829

圖10和表1反映了兩種特定情況下的相關峰狀態:幅度起伏波動使得相關峰尖銳性不如理想信道,但還是很好地保持了峰形,有一定的相關損耗,但不同于濾波器帶限帶來的展寬效應,北京這種情況稱之為“矮峰”效應;相位起伏波動的情況會使相關峰峰尖偏移,不能夠保持其尖銳性,同時也會造成偽距定位的測距偏差,稱這種情況為“偏峰”效應。

4結束語

本文介紹了導航信號相關峰評估的方法,在現有分析模型的基礎上,建立射頻前端的通道非理想模型,分析通道幅相特性等因素對導航信號相關峰的影響。利用射頻通道的非理想特性評估仿真信號質量,結果表明：濾波器帶限會使相關峰具有展寬效應,幅度起伏帶來相關損耗增大的矮峰效應,相位的起伏也會引起相關峰的偏移,即為文中提到的偏峰。本文研究成果可為GNSS導航信號質量監測平臺射頻通道的設計提供參考,在監測到信號異常的同時,也能為快速排查問題提供數據和參考。

參考文獻

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[6] SOELLNER M. The impact of linear and nonlinear signal distortions on Galileo code tracking accuracy[C].//ION GNSS, Portland Oregon, 2002.

曾威(1990-),男,四川隆昌人,碩士生,主要研究方向為衛星導航信息處理技術。

李柏渝(1982-),男,重慶人,講師,主要研究方向為星基導航與定位技術。

劉文祥(1982-),男,江西宜春人,主要研究方向為星基導航與定位技術。

歐鋼(1969-),男,湖南株洲人,教授,主要研究方向為星基導航與定位技術。

Impact of Non-Ideal Channel Characteristic on

Correlation Peak of Navigation Signal

ZENG Wei,LI Baiyu,LIU Wenxiang,OU Gang

(SatelliteNavigationandPositioningR&DCenter,SchoolofElectronicScienceand

Engineering,NationalUniversityofDefenseandTechnology,Changsha410073,China)

Key words: GNSS signal quality; RF-channel; non-ideal characteristic; correlation peak; filter