偽碼體制中碼跟蹤環(huán)詳細(xì)設(shè)計(jì)與分析

趙傳豐

【摘要】對(duì)偽碼體制中的碼跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)整個(gè)環(huán)路的各個(gè)部分設(shè)計(jì)都進(jìn)行了較為詳盡的分析，具備一定的參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】 偽碼 碼環(huán) 延遲鎖定環(huán)鑒別器 環(huán)路濾波器 載波輔助 載波環(huán)

一、引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，偽碼調(diào)相及其各種復(fù)合體制（統(tǒng)稱(chēng)為偽碼體制）由于具有良好的抗干擾能力和測(cè)距、測(cè)速能力，現(xiàn)已成為通信導(dǎo)航領(lǐng)域中重要的發(fā)展方向之一。

本文對(duì)偽碼體制數(shù)字接收機(jī)的延遲鎖定環(huán)（DLL）、環(huán)路濾波器、碼環(huán)的載波輔助等進(jìn)行分析，分析了DLL鑒別器，環(huán)路濾波器的階數(shù)和噪聲帶寬對(duì)性能的影響，存在多普勒情況下碼環(huán)的載波輔助功能。通過(guò)上述分析，詳細(xì)闡述了偽碼跟蹤環(huán)應(yīng)對(duì)不同復(fù)雜環(huán)境下的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

二、碼跟蹤環(huán)路結(jié)構(gòu)分析

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，偽碼的同步可分為粗捕獲、細(xì)跟蹤2個(gè)過(guò)程，粗捕獲可以減少系統(tǒng)的搜索時(shí)間，細(xì)跟蹤可以提高系統(tǒng)的精度測(cè)量。通過(guò)粗捕獲可使本地碼與接收碼保持基本同步，獲得二分之一碼元寬度的同步精確度，通過(guò)精跟蹤可以使碼片位置精確鎖定跟蹤位置。

其工作原理為：經(jīng)AD采樣后的數(shù)字中頻信號(hào)通過(guò)載波剝離后，輸出I和Q兩支路信號(hào)，進(jìn)入到相關(guān)器（碼剝離）和積分清洗器后，得到三組信號(hào)，分別為超前、即時(shí)、滯后。三組信號(hào)通過(guò)DLL碼環(huán)鑒別器，鑒別器輸出的相位差經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波后，與載波環(huán)提供的多普勒輔助、碼NCO偏差一起送入數(shù)控振蕩器。碼NCO產(chǎn)生兩倍的碼發(fā)生器時(shí)鐘速率2fc0，并且將其送至移位寄存器。利用這種組合，碼發(fā)生器的輸出經(jīng)移位寄存器產(chǎn)生兩種相位延遲滯后的版本，結(jié)果存在三種復(fù)現(xiàn)碼相位，分別為超前（E）、即時(shí)（P）、滯后（L）。E和L之間通常相差一個(gè)碼片，P位于正中間，這樣就構(gòu)成了整個(gè)偽碼跟蹤環(huán)路。

三、延遲鎖定環(huán)（DLL）鑒別器

常用的延遲鎖定環(huán)有4種，有歸一化的超前滯后包絡(luò)、非相干超前減去滯后功率、準(zhǔn)相干點(diǎn)積功和相干點(diǎn)積，其中歸一化的超前滯后包絡(luò)鑒別器因其輸出誤差在1個(gè)碼片的范圍內(nèi)呈線(xiàn)性而得到了廣泛采用，算法為1/2（E-L）/（E+L）。

如果復(fù)現(xiàn)碼是對(duì)準(zhǔn)的，那么E=L，鑒別器輸出為零，不產(chǎn)生誤差信號(hào)，如果復(fù)現(xiàn)碼沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)，那么E≠L，相差的大小與復(fù)現(xiàn)碼和輸入信號(hào)之間碼相位誤差的大小成正比。碼鑒別器檢測(cè)出復(fù)現(xiàn)碼的偏差大小和方向（超前或滯后），這個(gè)偏差經(jīng)過(guò)濾波后加到碼環(huán)的NCO上，使其輸出頻率做必要的增加或減小，以根據(jù)接收到的發(fā)射碼相位糾正復(fù)現(xiàn)碼發(fā)生器的相位。

四、碼環(huán)濾波器

環(huán)路濾波器的用處是降低噪聲以便在其輸出端對(duì)原始信號(hào)產(chǎn)生精確的估計(jì)，環(huán)路濾波器的階數(shù)和噪聲帶寬決定了環(huán)路濾波器對(duì)信號(hào)的動(dòng)態(tài)相應(yīng)。

在接收機(jī)與被測(cè)目標(biāo)較遠(yuǎn)時(shí)，到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)變得非常微弱，接收機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲會(huì)引起跟蹤環(huán)路測(cè)量偏差加大，還有高動(dòng)態(tài)環(huán)境中接收機(jī)與被測(cè)目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，也會(huì)使接收機(jī)同步電路對(duì)信號(hào)參數(shù)估計(jì)的誤差增大。由于熱噪聲引起DLL環(huán)的跟蹤誤差為：σtDLL={Bndn0/2c[1+2n0/Td（2-d）c]}1/2，σtDLL是偽碼跟蹤誤差；Bn是偽碼跟蹤環(huán)路等效帶寬；Td是積分時(shí)間；d是超前滯后相關(guān)器間隔，是關(guān)于一個(gè)碼片的歸一化值，通常為1。

從上式可以看出，在設(shè)計(jì)碼跟蹤環(huán)路時(shí)，環(huán)路帶寬是影響偽碼跟蹤熱噪聲誤差重要參數(shù)。下圖為環(huán)路在不同帶寬下的跟蹤性能，d取1，Td取50ms。從下圖可以看出，在信噪比較低時(shí)，環(huán)路跟蹤的均方根誤差受帶寬影響很明顯，而且環(huán)路的帶寬設(shè)計(jì)越窄，環(huán)路對(duì)噪聲的抑制能力就越強(qiáng)。接收機(jī)要在低信噪比環(huán)境下可靠工作，帶寬就必須設(shè)計(jì)的窄一些。當(dāng)信噪比較高時(shí)，環(huán)路性能受帶寬的影響就較小了。

由載體動(dòng)態(tài)引入的多普勒頻移表示為：fd=（v/c）fc；為了分析動(dòng)態(tài)特性對(duì)接收機(jī)跟蹤環(huán)路的影響，將多普勒頻率在t= 0時(shí)刻進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)可得：fd≈f0+f1t+1/2f2t2；f0為多普勒頻率，f1是一階變化率，f2是二階變化率，其余項(xiàng)忽略。f0、f1、f2的大小分別與接收機(jī)速度、加速度、加加速度有關(guān)。

由于多普勒頻率的影響，偽碼相位R在t0=0附近展開(kāi)可表示為：R（t）=R0+R1t+1/2R2t2+1/6R3t3；表示多普勒分量對(duì)偽碼相位不同的影響，要在接收機(jī)中準(zhǔn)確解調(diào)接收到的信號(hào)，碼跟蹤環(huán)就必須按照載體的動(dòng)態(tài)性能來(lái)設(shè)計(jì)，不同多普勒分量要求不同階數(shù)、不同帶寬的跟蹤環(huán)，否則環(huán)路容易失鎖。

理想情況下，一階環(huán)路濾波器對(duì)速度應(yīng)力敏感；二階環(huán)路濾波器對(duì)加速度應(yīng)力敏感，；三階環(huán)路濾波器對(duì)加加速度應(yīng)力敏感。

非相關(guān)超前滯后跟蹤環(huán)閾值的經(jīng)驗(yàn)值標(biāo)準(zhǔn)為測(cè)量誤差均方根的3倍，應(yīng)不超過(guò)相關(guān)器相關(guān)間隔的1/2，即：σDLL=σtDLL+Re/3≤d/6；σDLL為測(cè)量的均方根誤差，σtDLL為熱噪聲引入的均方根誤差，Re為接收機(jī)動(dòng)態(tài)引入的誤差。由上式可得：Re≤d/2-3σtDL。

由以上分析可知，環(huán)路帶寬的選擇需折中考慮環(huán)路的噪聲誤差和環(huán)路的動(dòng)態(tài)性能。如果把信噪比做為調(diào)整環(huán)路帶寬的標(biāo)準(zhǔn)，就可以設(shè)計(jì)出最佳的自適應(yīng)帶寬，從而減小跟蹤誤差。

五、碼環(huán)的載波輔助功能

載波環(huán)濾波器的輸出按比例因子調(diào)整后作為輔助量加到碼環(huán)濾波器的輸出端，被成為載波輔助的碼環(huán)。因?yàn)樾盘?hào)上的多普勒效應(yīng)與信號(hào)的波長(zhǎng)成反比，所有需要有一個(gè)比例因子。由此，對(duì)于接收機(jī)與被測(cè)目標(biāo)之間的相對(duì)速度，在載波（或者中頻）上的多普勒比在碼上的多普勒要大得多。

載波環(huán)的輸出應(yīng)一直對(duì)碼環(huán)提供多普勒輔助，這是因?yàn)檩d波環(huán)顫動(dòng)比碼環(huán)顫動(dòng)的噪聲要小幾個(gè)量級(jí)，因而準(zhǔn)確的多。

六、結(jié)論

本文詳細(xì)論述了偽碼體制中碼環(huán)的設(shè)計(jì)，對(duì)碼環(huán)路中的DLL鑒別器進(jìn)行了分析，對(duì)環(huán)路濾波器的特性進(jìn)行了分析，給出了自適應(yīng)最優(yōu)帶寬的概念，針對(duì)接收機(jī)與被測(cè)目標(biāo)之間的動(dòng)態(tài)性，對(duì)碼環(huán)的載波輔助因子進(jìn)行了描述。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]“GPS原理及應(yīng)用”，Elliott D.Kaplan，電子工業(yè)出版社.