偽碼體制中碼跟蹤環詳細設計與分析

趙傳豐

【摘要】對偽碼體制中的碼跟蹤環路設計進行了詳細分析，對整個環路的各個部分設計都進行了較為詳盡的分析，具備一定的參考價值。

【關鍵詞】 偽碼 碼環 延遲鎖定環鑒別器 環路濾波器 載波輔助 載波環

一、引言

隨著電子技術的發展，偽碼調相及其各種復合體制（統稱為偽碼體制）由于具有良好的抗干擾能力和測距、測速能力，現已成為通信導航領域中重要的發展方向之一。

本文對偽碼體制數字接收機的延遲鎖定環（DLL）、環路濾波器、碼環的載波輔助等進行分析，分析了DLL鑒別器，環路濾波器的階數和噪聲帶寬對性能的影響，存在多普勒情況下碼環的載波輔助功能。通過上述分析，詳細闡述了偽碼跟蹤環應對不同復雜環境下的詳細設計。

二、碼跟蹤環路結構分析

在系統設計中，偽碼的同步可分為粗捕獲、細跟蹤2個過程，粗捕獲可以減少系統的搜索時間，細跟蹤可以提高系統的精度測量。通過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AD采樣后的數字中頻信號通過載波剝離后，輸出I和Q兩支路信號，進入到相關器（碼剝離）和積分清洗器后，得到三組信號，分別為超前、即時、滯后。三組信號通過DLL碼環鑒別器，鑒別器輸出的相位差經過環路濾波后，與載波環提供的多普勒輔助、碼NCO偏差一起送入數控振蕩器。碼NCO產生兩倍的碼發生器時鐘速率2fc0，并且將其送至移位寄存器。利用這種組合，碼發生器的輸出經移位寄存器產生兩種相位延遲滯后的版本，結果存在三種復現碼相位，分別為超前（E）、即時（P）、滯后（L）。E和L之間通常相差一個碼片，P位于正中間，這樣就構成了整個偽碼跟蹤環路。

三、延遲鎖定環（DLL）鑒別器

常用的延遲鎖定環有4種，有歸一化的超前滯后包絡、非相干超前減去滯后功率、準相干點積功和相干點積，其中歸一化的超前滯后包絡鑒別器因其輸出誤差在1個碼片的范圍內呈線性而得到了廣泛采用，算法為1/2（E-L）/（E+L）。

如果復現碼是對準的，那么E=L，鑒別器輸出為零，不產生誤差信號，如果復現碼沒有對準，那么E≠L，相差的大小與復現碼和輸入信號之間碼相位誤差的大小成正比。碼鑒別器檢測出復現碼的偏差大小和方向（超前或滯后），這個偏差經過濾波后加到碼環的NCO上，使其輸出頻率做必要的增加或減小，以根據接收到的發射碼相位糾正復現碼發生器的相位。

四、碼環濾波器

環路濾波器的用處是降低噪聲以便在其輸出端對原始信號產生精確的估計，環路濾波器的階數和噪聲帶寬決定了環路濾波器對信號的動態相應。

在接收機與被測目標較遠時，到達接收機的信號變得非常微弱，接收機工作時產生的隨機噪聲會引起跟蹤環路測量偏差加大，還有高動態環境中接收機與被測目標之間的相對運動的影響，也會使接收機同步電路對信號參數估計的誤差增大。由于熱噪聲引起DLL環的跟蹤誤差為：σtDLL={Bndn0/2c[1+2n0/Td（2-d）c]}1/2，σtDLL是偽碼跟蹤誤差；Bn是偽碼跟蹤環路等效帶寬；Td是積分時間；d是超前滯后相關器間隔，是關于一個碼片的歸一化值，通常為1。

從上式可以看出，在設計碼跟蹤環路時，環路帶寬是影響偽碼跟蹤熱噪聲誤差重要參數。下圖為環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，環路跟蹤的均方根誤差受帶寬影響很明顯，而且環路的帶寬設計越窄，環路對噪聲的抑制能力就越強。接收機要在低信噪比環境下可靠工作，帶寬就必須設計的窄一些。當信噪比較高時，環路性能受帶寬的影響就較小了。

由載體動態引入的多普勒頻移表示為：fd=（v/c）fc；為了分析動態特性對接收機跟蹤環路的影響，將多普勒頻率在t= 0時刻進行泰勒級數展開可得：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，其余項忽略。f0、f1、f2的大小分別與接收機速度、加速度、加加速度有關。

由于多普勒頻率的影響，偽碼相位R在t0=0附近展開可表示為：R（t）=R0+R1t+1/2R2t2+1/6R3t3；表示多普勒分量對偽碼相位不同的影響，要在接收機中準確解調接收到的信號，碼跟蹤環就必須按照載體的動態性能來設計，不同多普勒分量要求不同階數、不同帶寬的跟蹤環，否則環路容易失鎖。

理想情況下，一階環路濾波器對速度應力敏感；二階環路濾波器對加速度應力敏感，；三階環路濾波器對加加速度應力敏感。

非相關超前滯后跟蹤環閾值的經驗值標準為測量誤差均方根的3倍，應不超過相關器相關間隔的1/2，即：σDLL=σtDLL+Re/3≤d/6；σDLL為測量的均方根誤差，σtDLL為熱噪聲引入的均方根誤差，Re為接收機動態引入的誤差。由上式可得：Re≤d/2-3σtDL。

由以上分析可知，環路帶寬的選擇需折中考慮環路的噪聲誤差和環路的動態性能。如果把信噪比做為調整環路帶寬的標準，就可以設計出最佳的自適應帶寬，從而減小跟蹤誤差。

五、碼環的載波輔助功能

載波環濾波器的輸出按比例因子調整后作為輔助量加到碼環濾波器的輸出端，被成為載波輔助的碼環。因為信號上的多普勒效應與信號的波長成反比，所有需要有一個比例因子。由此，對于接收機與被測目標之間的相對速度，在載波（或者中頻）上的多普勒比在碼上的多普勒要大得多。

載波環的輸出應一直對碼環提供多普勒輔助，這是因為載波環顫動比碼環顫動的噪聲要小幾個量級，因而準確的多。

六、結論

本文詳細論述了偽碼體制中碼環的設計，對碼環路中的DLL鑒別器進行了分析，對環路濾波器的特性進行了分析，給出了自適應最優帶寬的概念，針對接收機與被測目標之間的動態性，對碼環的載波輔助因子進行了描述。

參 考 文 獻

[1]“GPS原理及應用”，Elliott D.Kaplan，電子工業出版社.