基于副載波跟蹤的 BOC信號跟蹤環路設計

楊再秀 黃智剛 耿生群

(北京航空航天大學 電子信息工程學院,北京 100191)

基于副載波跟蹤的 BOC信號跟蹤環路設計

楊再秀 黃智剛 耿生群

(北京航空航天大學 電子信息工程學院,北京 100191)

針對二進制偏移載波(BOC,Binary Offset Carrier)調制信號跟蹤的模糊性問題,提出了一種新的基于副載波跟蹤的環路結構.通過增加副載波跟蹤模塊,對副載波和擴頻碼進行分離跟蹤,解決了 BOC信號跟蹤的模糊性問題;針對副載波信號周期性的特點,以正弦波作為本地信號,利用鎖相環實現對副載波的穩定跟蹤.通過軟件仿真,分析對比了該環路的碼跟蹤誤差、跟蹤門限和平均失鎖時間(MTLL,Mean Time to Lose Lock)等性能指標.結果表明,新的環路結構能在保證跟蹤精度的前提下,提高對弱信號的跟蹤性能,具有較高的環路穩定性.

二進制編移載波;跟蹤環路;副載波跟蹤;碼跟蹤誤差;平均失鎖時間

新一代的 GPS系統和 Galileo系統的衛星導航信號將普遍采用二進制偏移載波(BOC,Binary Offset Carrier)調制技術.與 BPSK(Binary Phase Shift Keying)調制方式相比,BOC調制方式具有抑制多徑干擾、提高定位精度等優點[1].但是,由于 BOC信號自相關函數的多峰特性,使得跟蹤環路可能錯誤地鎖定在邊鋒上,即出現所謂的“假鎖”現象(跟蹤模糊性).為消除 BOC信號跟蹤的模糊性,已提出了一些新的跟蹤算法,如:邊帶處理法、峰跳法和雙重估計技術(DET,Dual Estimate Technique)等.

邊帶處理法以擴頻碼作為本地信號,對 BOC信號的上(下)邊帶分量進行跟蹤.該算法對 BOC信號的穩定跟蹤是以展寬相關峰為代價的,所以碼跟蹤精度將大幅下降.峰跳法[2]通過比較主峰和邊鋒峰值,避免環路鎖定在邊鋒上.該算法除了采用典型的超前滯后環路外,還需要增加遠超前和遠滯后相關器對邊鋒進行跟蹤.峰跳法適用于自相關函數邊峰較少的 BOC信號,而且對信噪比和接收機帶寬比較敏感[3].DET算法將 BOC信號的多峰自相關函數映射為無模糊的二維函數.該技術可保證跟蹤環路鎖定在 BOC信號相關函數的主峰上[3-4].但是,DET算法未充分利用副載波的周期性,因此對于弱信號的跟蹤穩定性較差.

根據副載波信號周期性的特點,本文提出了一種新的基于副載波跟蹤的環路設計方案.該環路采用正弦信號對副載波進行跟蹤,實現了副載波和擴頻碼的分離跟蹤處理,消除了跟蹤環路的假鎖現象,提高了環路穩定性.文中分析了 BOC信號的相關函數特性和無模糊跟蹤原理,給出了新環路的結構框圖,仿真分析了該環路的主要性能指標,并與 DET算法進行了對比.

1 BOC信號的相關函數特性

BOC調制信號是通過將擴頻碼與方波副載波相乘得到的,可表示為

其中,c(t)為擴頻碼信號;sc(t)為副載波;sgn(·)為符號函數;fsc為副載波頻率.可見,副載波信號是同頻正弦信號的符號函數.擴頻碼 c(t)的正弦調制(BPSK)信號如下:

BOC信號 s(t)與 BPSK信號 sL(t)的互相關函數[5]記為 RssL(τ),則

圖1給出了有限帶寬條件下 BOC(1,1)和BOC(15,2.5)的自相關函數曲線,以及它們與相應 BPSK信號的互相關函數曲線.由圖可見,在有限帶寬條件下,互相關函數曲線與自相關函數曲線幾乎完全重合.考慮到實際接收機都是限帶的,故利用 BPSK信號來跟蹤 BOC信號是可行的.

圖1 BOC信號的相關函數

為了消除相關函數的模糊性,文獻[3]中提出將 BOC信號的擴頻碼和副載波作為二維的獨立信號進行處理.考慮到采用 BPSK信號作為本地碼,二維的互相關函數可表示為

其中,τ表示擴頻碼延遲;τ*表示副載波延遲.顯然,式(4)中本地信號相對于 s(t)的 τ和 τ*不一定相同.BOC(1,1)與 BPSK信號的二維互相關函數如圖 2所示.由圖可見,對于固定的 τ*,R(τ,τ*)具有無模糊的正(或負)相關峰.而對于固定的 τ,R(τ,τ*)在(n為整數 )時出現相關峰值.

圖2 BOC(1,1)與BPSK信號的二維互相關函數

根據二維互相關函數 R(τ,τ*)的特點,可將BOC信號的跟蹤轉化為兩個獨立的環節:擴頻碼跟蹤環和副載波跟蹤環.擴頻碼跟蹤環對應于R(τ,τ*)中 τ*固定的情況.類似地,副載波跟蹤環對應于 R(τ,τ*)中 τ固定的情況.由前面的分析可知,當延遲 τ*≠0時副載波跟蹤環可能出現多個相關峰.但是,類似于載波跟蹤,副載波跟蹤過程中不會出現假鎖,而只可能有 180°的相位模糊.可見,采用擴頻碼和副載波分離跟蹤技術可消除跟蹤過程的模糊性[3].

2 BOC信號跟蹤環路

2.1 環路結構

新的 BOC信號跟蹤環路如圖 3所示,主要包括鎖相環(PLL,Phase Lock Loop),擴頻碼跟蹤環(DLL,Delay Lock Loop),副載波相位跟蹤環(SPLL,Subcarrier Phase Lock Loop),積分清零單元,鑒相器和環路濾波器.與傳統的跟蹤環路相比,增加了副載波跟蹤環路,實現了副載波與擴頻碼的分離跟蹤處理.與 DET算法利用碼環來跟蹤副載波不同,新環路充分考慮了副載波與正弦信號的相關性,采用鎖相環(SPLL)來跟蹤副載波信號.環路中的副載波 NCO(Numerical Controlled Osciuator)產生頻率為 fsc的正弦信號,實現對副載波的相位跟蹤[5].

圖3 BOC信號跟蹤環功能框圖

跟蹤環路的中頻輸入信號可表示為

其中,ωIF是中頻載波頻率;φ是輸入信號的初相.相應的載波 NCO產生的本地信號分別為)和,其中 φ^是本地載頻的初相.副載波 NCO輸出為)和,其中是初相.擴頻碼NCO生成本地擴頻碼的即時(P),超前(E)和滯后 (L)分量 ,即 c(t),c(t+D/2)和 c(t-D/2).其中,D是擴頻碼跟蹤環的超前減滯后間隔,且滿足D＜Tc(Tc是擴頻碼的碼片寬度).積分清零器的輸出為

同理

鑒相器單元處理積分清零器的輸出信號,給出 PLL,SPLL和 DLL的跟蹤誤差.跟蹤誤差通過環路濾波器進行降噪和平滑處理后,反饋控制對應的 NCO模塊,閉合跟蹤環路.

2.2 環路鑒相器

由圖 3可見,新的 BOC信號跟蹤環將包括 3個鑒相器.由于本環路采用鎖相環來跟蹤副載波信號,因此 PLL和 SPLL可選用同類型的鑒相器,具體的鑒相器算法如下:

這里選用二象限反正切鑒相器,該鑒相器對180°相位不敏感,這就避免了導航電文比特跳變對 PLL和 SPLL的影響.

在本文的分析中,采用了兩種碼環鑒相器:超前減滯后功率(NELP,Noncoherent Early-Late Power)鑒相器和點積(DP,Dot Product)鑒相器

在式(13)和式(14)中忽略了 Δφ和 Δθ的影響.

當采用傳統環路跟蹤 BOC信號時,要求捕獲精度在信號自相關函數主峰寬度范圍內.而采用新環路時,只要適當調整 DLL的超前減滯后間隔,捕獲精度只需在一個偽碼寬度之內即可.因此,采用新環路可大大降低對捕獲精度的要求.由于可以采用較大的碼鑒相器間隔,也使得 DLL能夠處理更大動態范圍和更低信噪比的信號.

3 仿真結果

本文通過對碼跟蹤誤差、跟蹤門限和平均失鎖時間(MTLL,Mean Time to Lose Lock)等指標的仿真分析,評估新環路的跟蹤性能.由文獻[6]的結果可知,DET環路的性能整體上優于其他無模糊的 BOC信號跟蹤算法.不失一般性,新環路僅與 DET算法的性能指標進行對比.仿真過程中,相干積分時間設為 20ms,采用二階環路濾波器.其中,載波和副載波跟蹤環路濾波器帶寬為10Hz,碼跟蹤環濾波器帶寬為 1Hz.

碼跟蹤誤差是衡量環路跟蹤性能的主要技術指標之一,文獻[1]給出了其理論分析結果.針對BOC(1,1)和 BOC(15,2.5)碼跟蹤誤差的仿真結果如圖 4所示(DLL均采用 DP鑒相器).顯然,新環路具有與 DET算法相近的碼跟蹤誤差性能.特別地,對于低信噪比條件下 BOC(15,2.5)的跟蹤,新環路的性能略優于 DET算法.這說明在低信噪比情況下,對于具有高頻副載波的 BOC信號,新環路具有較好的碼跟蹤精度.

圖4 BOC信號碼跟蹤誤差比較圖

跟蹤門限是環路實現穩定跟蹤的最低載噪比[6].圖 5給出了不同環路跟蹤門限的仿真結果.可見,新環路的跟蹤門限低于 DET算法 2 dB左右.另外,不同的 DLL鑒相器對新環路跟蹤門限的影響并不明顯.這說明,新環路的跟蹤動態范圍較大,而且對于 DLL鑒相器的類型并不敏感.

圖5 環路跟蹤門限比較圖

平均失鎖時間(MTLL)利用文獻[7]的改進模型進行仿真.圖 6給出了針對 BOC(1,1)和BOC(15,2.5)的仿真結果,其中 DLL采用 DP鑒相器,超前減滯后間隔 D=0.2碼片.正如所預期的,新環路的平均失鎖時間優于 DET算法,尤其對于平均失鎖時間較低的 BOC(15,2.5)而言,新環路帶來明顯的性能提升.

以上仿真結果可知,由于充分利用了副載波周期性的特點,新環路可實現對具有高頻副載波的 BOC信號的穩定跟蹤.與 DET算法相比,新環路具有更低的跟蹤門限和更高的平均失鎖時間.

圖6 平均失鎖時間比較圖

4 結束語

針對 BOC信號的結構特點,本文給出了一種新的基于副載波跟蹤的環路結構.該環路以正弦信號作為本地信號,對副載波信號進行跟蹤,消除了 BOC信號跟蹤的模糊性.與傳統環路相比,新環路可大大降低對捕獲精度的要求,而且能夠處理更大動態范圍和更低信噪比的信號.對于信噪比較低和具有高頻副載波的 BOC信號,新環路在保證跟蹤精度的前提下,提高了環路的穩定性.因此,本文為 BOC信號跟蹤環路設計提供了一種有價值的參考方案.

References)

[1]Betz JW.Binary offset carrier modulations for radio navigation[J].Journal of The Institution of Navigation,2001,48(4):227-246

[2]Fine P,Wilson W.Tracking algorithm for GPS offset carrier signal[C]//Proceedings of the ION 1999 National Technical Meeting.San Diego,CA:Institute of Navigation,1999:671-676

[3]Hodgart M S,Blunt PD,Unwin M.Double estimator-a new receiver principle for tracking BOC signals[J].Inside GNSS,2008,3(3):26-36

[4]HodgartM S,Blunt PD.Dual estimate receiver of binary offset carrier modulated signals for global navigation satellite systems[J].Electronics Letters,2007,43(16):877-878

[5]Latour A,Grelier T,Artaud G,et al.Subcarrier tracking performances of BOC,ALTBOC and MBOC signals[C]//ION GNSS 2007.FortWorth:Institute of Navigation,2007:769-781

[6]Anantharamu P B,Borio D,Lachapelle G.Pre-filtering,side-peak rejection and mapping:several solutions for unambiguous BOC tracking[C]//IONGNSS 2009.Savannah,GA:Institute of Navigation,2009:3142-3155

[7]Golshan A R.Post-correlator modeling for fast simulation and joint performance analysis of GNSS code and carrier tracking loops[C]//Proceedings of the ION 2006 National Technical Meeting.Monterey,CA:Institute of Navigation,2006:312-318

(編 輯 :婁 嘉)

Nove l tracking loop of BOC signal based on subcarrier tracking

Yang Zaixiu Huang Zhigang Geng Shengqun

(School of Electronics and Information Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

In order to eliminate the tracking ambiguity of binary offset carrier(BOC)signal,a novel tracking loop based on subcarrier tracking was proposed.Compared with traditional tracking loop,the proposed architecture provides a subcarrier locked loop to track subcarrier.The innovative tracking loop architecture resolves the tracking ambiguity problem by tracking the subcarrier and spread spectrum code respectively.The subcarrier was synchronized with the local sinusoidal signalusing phase lock loop(PLL),which exploits the periodic feature of the subcarrier of BOC signal.Figures of merit,such as code tracking error,tracking threshold and mean time to lose lock(MTLL)havebeen analyzed and evaluated through software simulations.Simulation results show that the novel tracking loop can improve the tracking performance of weak signal and enhance the tracking loop stability with little degradation in tracking accuracy.

binary offset carrier(BOC);tracking loop;subcarrier tracking;code tracking error;mean time to lose lock(MTLL)

TN 961

A

1001-5965(2011)02-0245-04

2009-12-09

國家 973計劃資助項目(2010CB731800)

楊再秀(1981-),男,河北滄州人,博士生,yangzaixiu cxy@126.com.