導航載荷線性失真對BOC信號影響的研究
2012-04-12 00:00:00郭媛媛王崗謝軍
現代電子技術 2012年5期
摘 要：導航載荷的非理想特性使傳輸信號發生失真，影響信號的跟蹤性能，帶來定位誤差。在Matlab軟件平臺上仿真分析，利用定時偏移、S曲線偏移、功率損失、相關損失、S曲線斜率等參數，評估了導航載荷線性失真(幅度、相位和群時延)對BOC信號跟蹤性能的影響機理和程度，對導航載荷設計過程中能容忍的線性失真的程度有指導作用，進而約束了各單元器件的技術指標，有一定的實用價值。
關鍵詞：導航載荷; 線性失真; S曲線; 跟蹤誤差
中圖分類號：
TN96134
文獻標識碼：A
文章編號：1004373X(2012)05
0032
04
Research on impact of navigation payload linear distortion on BOC signal
GUO Yuanyuan1， WANG Gang1， XIE Jun2
(1.Xi’an Branch，China Academy of Space Technology， Xi’an 710000， China; 2.China Academy of Space Technology， Beijing 100094， China)
Abstract：
The nonideality of navigation payload which causes distortion of signal transmission， influences signal tracking performance and produces positioning error. By simulating and analyzing MATLAB， using timing offset， S curve bias， power loss， correlation loss and S curve slope to assess the impact of linear distortion(amplitude， phase and group delay) on BOC signal tracking performance， thus give recommendations on the degree of bearable linear distortion during navigation payload design process and bound the single components' technical specifications. It is of some practical value.
Keywords： navigation payload; linear distortion; S curve; tracking error
收稿日期：20111012
0 引 言
為了提供精確定位服務，衛星導航載荷必須提供連續，準確和高完好性的信號。傳輸路徑的非理想效應是定位精度的限制因素。星載導航載荷的非理想特性使傳輸信號發生失真，從而使接收信號與本地復現信號不匹配。這種不匹配的主要后果是跟蹤性能的惡化。失真信號與本地復現信號的不匹配會改變延遲鎖定環(DLL)的鑒相特性，使DLL的輸出(S曲線)的過零點與接收信號和本地復現信號相關曲線的峰值不對應，這種偏移被稱為“定時偏移”(TO)，針對不同的導航載荷配置不同的相關器間隔得到的定時偏移的最大值被定義為“S曲線偏移”(SCB)［1］。同時，功率損失(PL)，相關損失(CL)，S曲線斜率也是值得評估的參數。
為了評估對上述參數影響最大的導航載荷失真因素，本文借鑒文獻［2］提出的評估導航載荷非理想特性的仿真框架，利用Matlab軟件進行了仿真分析，評估了線性失真(幅度、相位和群延遲)對BOC信號的影響。
1 導航載荷仿真模型
一般導航載荷鏈框圖如圖1所示［3］。
其中，最重要的單元是導航信號產生單元(NSGU)，頻率生成和上變頻器單元(FGUU)，高功率放大器(HPA)，輸出多工器(OMUX)和天線(ANT)。每個單元引入以下失真進而造成了總的信號失真：
(1) 線性失真，如幅度、相位和群時延波動失真，主要由信號發生器、濾波器、多工器和天線引入。
(2) 非線性無記憶失真，由高功率放大器引入。由于高功放帶寬比信號帶寬寬很多，因此不存在頻率選擇性，其非線性可認為是無記憶的。
將線性失真等效為濾波器的幅度、相位和群時延特性，可以得到如圖2所示的導航載荷仿真框圖［4］，包括三個主要模塊：
(1) 理想的信號發生器，“理想”意味著不考慮來自該模塊的失真。其實它們都被納入到了導航載荷模塊。
(2) 導航載荷模塊。
(3) 理想的接收機模塊，模擬開環非相干DLL，“理想”是指沒有載波頻率偏移或熱噪聲的存在。
產生的信號送入導航載荷模型，它由三個主要分塊構成：
(1) 前置濾波器，模擬高功放之前的線性失真，主要是由NSGU和FGUU引入的。
(2) 高功率放大器(HPA)的模塊。
(3) 后置濾波器，模擬高功放之后的線性失真，主要來自于OMUX和ANT。
最后，理想接收機實現了接收信號的捕獲(存在熱噪聲的情況下)和DLL的開環跟蹤。該模塊的輸出是S曲線，從它可以估計定時偏移(TO)和S曲線偏移(SCB)。
導航載荷模塊是整個仿真框架的核心，主要包括以下幾個部分：
(1) HPA前/后置濾波器
線性失真可通過不同類型的濾波器模擬，如標準FIR/IIR數字濾波器(巴特沃斯、切比雪夫)，只要給定它們的主要參數(帶寬、滾降系數、波紋等)或帶寬有限的FIR濾波器，其頻率響應是以表格形式輸入的。使用標準的濾波器大大簡化了過濾器的定義，并能快速估計其對S曲線偏差的影響。
(2) 高功率放大器
無記憶高功率放大器可通過查找表存儲所需放大器的AM/AM和AM/PM傳輸特性來模擬。這種方法能夠仿真不同種類的HPA(TWTA，SSPA)，只要提供適當的AM/AM和AM/PM傳輸特性。由于篇幅限制，本文僅分析線性失真(振幅、相位和群延遲)對單路BOC信號的影響。不考慮實際的物理模型，僅從信號處理的角度出發，可采用圖3所示的仿真模型［5］。
2 評估參數
為了評估信號失真對碼跟蹤精度的影響，本文采用非相干DLL的S曲線斜率和偏移以及相關損失進行評估。作為導航載荷規范的重要參數［6］，本文也考察了功率損失。
對于周期為T的理想信號Sin(t)的和經過失真處理后的輸出信號Sout(t)，功率損失(PL)被定義為:
式中
Pk是Sin中的Sin，k分量的相對功率。
S曲線分析是基于一個最普遍的接收機概念——非相干DLL的跟蹤回路［7］。遲早間隔為δ的DLL的鑒別函數或歸一化S曲線(SC)由式(4)給出：
3 仿真分析
本文仿真采用BOC(10，5)基帶信號，采樣率為1 023 MHz，時間長度為一個CA碼周期，即1 ms。
3.1 幅度失真
典型的幅度失真的類型有幅度波紋、拋物面幅度、幅度斜坡等，本文僅對幅度波紋做詳細分析。
幅度波紋的頻率響應H(f)定義為：
從以上的分析推導，可以得出以下結論：
(1) 上述方程與輸入信號的Sin(t)的形狀無關。
(2) 考慮到BOC(m，n)信號自相關函數ACF的特性，當波紋周期Δf與碼速率相比擬時，對于固定的n/m，所有評估參數(CL，PL和dSlope)與n無關。
圖4給出了各評估參數隨A變化的趨勢。
圖4 振幅紋波對評估參數的影響
3.2 相位失真
典型的相位失真類型有相位波紋、拋物線相位、立方相位等，本文僅對立方相位做詳細分析。
立方相位的幅頻響應如式(12)所示：
H(f)=exp－j23πτ(fc+s)fc+sf－f0fc+s3
(12)
式中:在頻率fs+c處的群時延為τ(fc+s)，相對中心頻率的偏移為f0。相應的相頻響應和群時延如圖5所示。
圖6顯示出輸出信號發生了不對稱的失真，相應的S曲線出現了平滑效應，S曲線斜率隨著鑒相間隔的改變劇烈變化且不對稱。
從圖7的仿真結果可以看出，隨著群時延斜率的增加，S曲線斜率劇烈變化。由于相位的奇對稱，S曲線偏移不再由輸出信號相對于輸入信號的延遲決定，而是包括了由S曲線不對稱引入的偏差。最終的偏差與τ(fc+s)關系密切，即使群時延很小。CL受τ(fc+s)影響較大。
3.3 橢圓濾波器線性失真
橢圓濾波器是一種頻率特性最常見的微波濾波器［10］。一般橢圓濾波器的群延遲響應有以下特征：通帶內的拋物線特征，可通過立方相位響應FIR濾波器來模擬；通帶邊緣的耳狀特征，可以通過有耳狀群時延特性的FIR濾波器模型來模擬。同時，橢圓濾波器很容易滿足通帶損失小于1 dB，阻帶衰減多達幾十分貝，過渡帶陡峭的幅頻響應，可用來分析帶限和群時延共同作用引入的線性失真的影響。
圖8顯示了橢圓濾波器的幅頻響應和群延遲特性，這是一個6階橢圓濾波器，通帶內的損失不超過0.5 dB，阻帶衰減50 dB。對BOC(m，n)信號，通帶邊緣頻率fp應滿足：2*fp/fc+s取值為1~5，其中fc+s=(m+n)*1.023 MHz。
從圖8可見，橢圓濾波器對相關損失有強烈的影響，對BOC信號來說，帶限到主瓣會使相關損失達到大于1 dB。S曲線斜率也明顯受到帶限的影響，帶限到主瓣會使S曲線斜率增加。但隨著帶寬的增加，S曲線斜率會減小。
時間偏移對橢圓濾波器引入的線性失真相當敏感，尤其是群時延響應失真。然而，當相關器間距趨于零時，時間偏移也趨于零。
4 結 語
為了評估線性失真對BOC(m，n)型信號的影響，采用PL，CL，dSlope和TO這幾個參數比較合理。
通過仿真可以看出，帶限是最關鍵的失真類型，這也會出現在任何端到端的實際系統中，即使是相對很寬的帶寬，也會對碼跟蹤精度造成相當的影響。
總體看來，典型的線性相位失真對評估參數(CL，dSlope，TO)的影響要比典型的線性幅度失真強烈。但實際系統中，相位失真總是伴隨著帶限，這可能會降低系統對單一相位失真類型的敏感性。
本文研究了導航載荷線性失真效應對BOC信號跟蹤性能的影響機理和程度，對導航載荷設計過程中能容忍的線性失真的程度有指導作用，進而約束了各單元器件的技術指標，有一定的實用價值。
參 考 文 獻
［1］HOLMES J K. Noncoherent late minus early power code tracking performance with front end filtering \\[C\\]// ION GPS97. Kansas City， Missouri： \\[s.n.\\]， 1997: 1619.
［2］SOELLNER M， KOHL R， LUETKE W. The impact of linear and nonlinear signal distortions on Galileo code tracking accuracy \\[C\\]//ION GPS2002. Portland， OR： \\[s.n.\\]， 2002: 2427.
［3］ANGELETTI P， CASINI E， RAPISARDI M. Results of GALILEO payload analysis \\[M\\]. \\[S.l.\\]: TECETC/2006.49/EC， ESAESTEC， 2007.
［4］ANGELETTI P， CASINI E， RAPISARDI M. A simulation framework for the assessment of navigation payload nonidealities \\[C\\]. \\[S.l.\\]: Proc. of the Navitec Conference， 2008.
(下轉第38頁)
