一種GNSS接收機基帶處理電路低消耗設計方法

摘 要：文章提出了一種用于提高GNSS接收機基帶處理電路捕獲和跟蹤效率的設計方法，采用優化的混合串并行時分復用、延遲鎖定環（DLL）和鎖相環（PLL）等設計方法，從而減小基帶處理電路的硬件規模，降低消耗，使GNSS接收機實現提高捕獲速度和定位精度的目的。

關鍵詞：GNSS信號；基帶處理；捕獲；跟蹤；混合串并行時分復用

1 GNSS信號捕獲模塊的設計

GNSS信號的捕獲實際上是一個粗同步過程，通過粗同步可將接收信號與本地信號的相位之差縮小到PN碼的一個碼片或更小范圍內。為提高硬件的使用率、減少硬件的規模和提高捕獲的速度，采用優化的混合串并行時分復用的捕獲技術，如圖1所示，假設衛星偽碼長度為N，碼速率為f，則碼周期為N/f（s）。為了不丟失信號中攜帶的有用信息，選擇奈奎斯特采樣定理所要求的采樣速率Af（A≥2）進行采樣。碼長為N的序列經過Af采樣后就得到了長度為A×N的序列，如果按照純并時處理，需要A×N個并行的寄存器，這對于序列長度較長的序列來說，硬件開銷很大，因此要使用第一重時分復用，即利用少數的寄存器實現對碼序列中的所有碼的搜索。

第一重時分復用：選擇寄存器的長度為B（要求B至少是N的因數，這樣可以提高硬件使用率），B也是并行捕獲的長度（B也稱為碼循環時分復用因子），如果共享B個寄存器，則長度為A×N的序列分為M=■段，而且完成每一段需要的時間是■，這些寄存器一次可以對B個1/A碼片執行相關運算。經過復用這組寄存器M次，就可以對A×N個碼全部執行一次相關運算。此外，考慮到接收機接收到的信號是包含多顆衛星信號（假設為C顆衛星）的混合信號，對于B個1/A碼片的采樣數據而言，其中包含了C顆衛星的部分偽碼信息。因此，需要再使用第二重時分復用，即在每一個B個1/A碼片的時間范圍內，通過時分復用的方式與不同衛星偽碼進行相關。

第二重復用：假設接收機接收到的信號中包含C顆衛星的信號，則把每一段時間片段（B個1/A碼片）再分為C段，這時每一段的時間就變為■秒，也就是在每■秒鐘內完成一顆衛星部分碼相位的搜索，這樣通過時分復用的方式，可以在■秒內完成C顆衛星部分碼相位的搜索。由于在每■秒內只能搜索一顆衛星的部分相位，所以如果只搜索一個相位，則搜索速度會比較慢，因此需要使用第三重復用技術來加快搜索速度。

第三重復用：假設在每■秒內能搜索D（要求D是N的某個因子的整數倍數）個不同相位，則要想提高搜索速度，就必須要求D個不同相位能夠在■秒內全部搜索完。因此，如果把每一個相位搜索所需要的時間限制在■秒內，即使用時分復用的技術，則在■秒內可搜索完D個不同的相位。

2 GNSS信號跟蹤模塊的設計

GNSS信號的跟蹤是一個精同步的過程。接收機通道在完成了捕獲以后，得到粗同頻的碼相位，其誤差值優于0.5個碼片，但這個誤差對于信號解調來說是不可接受的。此外，由于多普勒效應的影響，這個誤差還會擴大。為保證與衛星信號的精確同頻，本地振蕩器還必須隨衛星信號頻率的變化進行自動調整，這個過程稱為跟蹤。跟蹤分為碼跟蹤和載波跟蹤，分別由不同的環路完成。碼跟蹤環采用延遲鎖定環（DLL），碼跟蹤環為了使接收機擴頻碼序列同步，一般采用3個E-P-L相關器模式，其中即時相關器（即P相關器）的相關結果用于解調數據，超前相關器（即E相關器）和滯后相關器（L相關器）用來調整碼跟蹤相位差。用超前相關器的相關結果和滯后相關器的相關結果之差可確定輸入超前相關器和滯后相關器的擴頻碼序列的一定時間內的細微差別，用于產生誤差信號：e（？子）=RL（？子）-RE（？子），其中RL（？子）為滯后相關器的輸出，RE（？子）為超前相關器的輸出，如圖1所示，輸出信號e（？子）用來調整信號驅動壓控振蕩器，壓控振蕩器輸出誤差電壓Ve（t）可以調節PN碼發生器的時鐘。當PN碼發生器的相位落后于輸入序列的相位時，誤差電壓Ve（t）會使時鐘加快，由時鐘控制的本地碼隨之加速，直到本地碼“對齊”接收碼為止。若PN碼發生器的相位超前，則誤差電壓Ve（t）會使時鐘減慢，由時鐘信號控制的本地碼隨之減速，直到本地碼“對齊”接收碼為止。此時，本地碼發生器所輸出的本地碼G'（t）便等效于接收碼G（t）。至此，偽噪聲碼跟蹤環電路便達到了跟蹤偽噪聲碼的目的，其跟蹤精度達十分之一碼元甚至更高。載波跟蹤環采用由鎖相環（PLL）或正交-同相環（COSTAS環）組成。載波跟蹤環以鑒相器輸出的相位誤差函數Ve（t）作為調整量來控制壓控振蕩器，相位誤差函數的零點就是跟蹤環路的穩定點。當被跟蹤信號的載波相位？漬s變化時，鎖相環電路能及時調整參數，保持與被跟蹤信號的相位一致，從而完成對衛星信號載波相位的鎖定。所圖2所示，來自碼跟蹤環路的解擴信號分別送至同相乘法器M1和正交乘法器MQ，壓控振蕩器的振蕩信號uc=sin？棕t，信號的幅度為I，它分別送至M1和MQ，只是因為送到正交乘法器的信號經過90°相移后變成了cos？棕0t。

乘法器輸出的兩信號經過各自的低通濾波器后，變為

這兩個信號同時送到差分乘法器Md。后者輸出的誤差電壓為

誤差電壓ud經過環路濾波器和環路乘法器Mp的濾波和補償作用，送到壓控振蕩器（VCO）的控制端作為控制信號控制輸出頻率的調整量，當VCO的振蕩頻率被鎖定在中頻信號的中心頻率上時，？漬=0。這時載波跟蹤環路相位鎖定，從而可以達到跟蹤載波的目的。這樣同相乘法器M1經過低通濾波器輸出的信號才是一個純凈的數據碼在D（t），進而可以解譯得到衛星所發送的導航電文。

3 結束語

文章對GNSS接收機基帶處理電路的設計進行了分析與探討，采用優化的混合串并行時分復用方法對GNSS信號進行捕獲，采用延遲鎖定環（DLL）的碼跟蹤方法和鎖相環（PLL）的載波跟蹤方法對GNSS信號進行跟蹤，從而減小基帶處理電路的硬件規模，降低消耗，使GNSS接收機實現提高捕獲速度和定位精度的目的。

參考文獻

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