GPS軟件接收機載波跟蹤環路設計

余小輝

(中國電子科技集團公司第13研究所，石家莊 050051)

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GPS軟件接收機載波跟蹤環路設計

余小輝

(中國電子科技集團公司第13研究所，石家莊 050051)

為研究GPS信號處理技術，首先設計了GPS軟件接收機的總體方案，然后對其中的關鍵模塊——載波跟蹤環進行深入分析并擬定環路各部件的實現方案，利用MATLAB對環路進行仿真分析，驗證了該方案的可行性，最后在Altera公司的FPGA上完成了環路的設計。結果表明，Costas載波跟蹤環性能良好，完全能夠滿足GPS軟件接收機的工作要求，具有一定的工程參考價值。

GPS軟件接收機；載波跟蹤環；科斯塔斯環

0 引 言

全球定位系統(GPS)，作為成熟的衛星導航系統之一，目前已經被廣泛應用到軍事、民用的各個領域，作為GPS用戶設備的接收機一直是國內外很多公司和研究機構的研發對象。目前，由于國外廠商對接收機核心技術的壟斷，國內很多GPS接收機的生產還依賴國外原始設備制造(OEM)板的進口，而我國的導航定位市場需求在日益擴大，因此，完全地研制出自主知識產權的接收機，對于我國在GPS接收機技術上的獨立及發展我國的北斗二代衛星導航系統都具有重要的意義[1]。

GPS軟件接收機，設計靈活，并能迅速分析和實現各類算法。本文所設計的是GPS L1信號軟件接收機，主要由信號接收、射頻前端、相關器和導航解算4個部分組成。

相關器和導航解算部分是軟件接收機的核心， GPS軟件接收機的技術核心是相關器，用于捕獲并跟蹤GPS信號，送到后級處理。載波跟蹤環路，又稱同相正交環、Costas環，是設計相關器的關鍵技術，因為載波的頻率和相位同步與否將直接影響到GPS接收機的性能和定位精度；Costas環中環路濾波器的參數對基帶信號處理部分的頻率帶寬和噪聲誤差會有重要影響[2]。因此本文重點介紹載波跟蹤環的設計。

1 Costas載波跟蹤環分析與設計

Costas載波跟蹤環由數控振蕩器、鑒相器、環路濾波器、低通濾波器等部分組成[3]。

數控振蕩器(NCO)用來產生本地載波信號，它與輸入中頻信號同相相乘及相移90°再相乘，相乘后再經低通濾波器輸出，2路低通濾波器的輸出都加到arctan鑒相器上，它的輸出Δφe為輸入信號相位φs和NCO相位φr之差，經環路濾波器濾波后加到NCO，在環路未鎖定時，Δφe控制NCO的頻率和相位，向縮小跟蹤誤差的方向調整。在環路鎖定后，相位差Δφe很小，從環路中的I路上的輸出數據即為導航電文。

在作者所設計的GPS接收機中，數據速率為50 bit/s，量化位數為2位，采樣速率為5 MHz，載波中心頻率為 1.405 MHz，輸入信噪比大于0 dB，要求環路鎖定后相位抖動小于5°。

1.1 低通濾波器模塊

低通濾波器的作用是濾除中頻輸入信號相乘后產生的高次諧波和窄帶噪聲，由于在現場可編程門陣列(FPGA)中處理的GPS中頻信號為數字信號，采用積分清零器作為低通濾波器，先將輸入數字信號經過2n個載波周期的累加，然后將數據通過移位寄存器右移n位，這樣既可以起到低通濾波的作用，又保證了環路的增益不變，不會使數據過大而溢出。

1.2 鑒相器模塊

鑒相器采用四象限反正切鑒相器，因為它的輸出信號與輸入幅值無關，在高信噪比和低信噪比時鑒相性能均為最佳，且輸出值直接為相位差φe，但計算量較大。反正切運算采用查表法來實現時，要用到一個只讀存儲器(ROM),占用了FPGA很大的資源空間。為節省FPGA的資源，采用近似算法y=90°×Q/(Q+I)來代替y=arctan(Q/I)。這樣做的誤差很小，可以忽略，而且只需要一個加法器和一個除法器就可以實現。

1.3 NCO模塊

NCO的結構框圖如圖1所示，累加器將輸入的N位頻率控制字M不斷累加，直到累加器溢出，得到以M為步長的數字相位，通過保持寄存器得到要輸出的當前相位，由當前相位映射得到正余弦信號。每次NCO累加到溢出時，就完成了1個復現載波周期。采樣頻率fs為5 MHz，32 bit的NCO時鐘fclk為64 MHz，則NCO的頻率控制字為：

M=2Nfs/fclk=5×232/64=3.035 544×108

(1)

頻率分辨率為：

(2)

圖1 NCO的結構框圖

1.4 環路濾波器模塊

環路濾波器的作用包括低通濾波和調節環路的跟蹤速度。環路濾波器采用一階數字環路濾波器來實現，原理圖如圖2所示。

圖2 一階數字環路濾波器框圖

通過建立數字鎖相離散域模型[4]，可以得到環路濾波器的2個參數:

(3)

(4)

式中：ξ為阻尼系數，取ξ=0.707；BL為等效環路噪聲帶寬；T為NCO的相位校正間隔；Ko為鑒相器增益K0=2πfs/2NT；Kd為NCO增益，Kd=0.5Q(2N-1-1)·2B-1Dr。

在環路中，BL越小，環路噪聲越小，跟蹤精度越高，但跟蹤速度越慢；BL越大，跟蹤速度越快，但環路噪聲大，精度較低，并且環路容易失鎖[5]。根據經驗折衷考慮，取BL=30 Hz，算得環路自然角頻率ωn=8εBL/(4ε2+1)=56 Hz。

根據采樣時間取得T=1 ms, NCO采樣頻率fs取64 MHz，N為NCO中相位累加的位數，這里為32 bit。最后算得C1=0.035 5，C2=0.001 04，近似算法得到C1=2-5，C2=2-10。

2 載波跟蹤環路的仿真和實現

為了驗證前文設計的載波跟蹤環方案的可行性，對環路進行MATLAB仿真，如圖3。由仿真結果看到，環路在300 ms左右進入了穩定狀態，穩定后載波相位差一直在0°上下，環路已經完全鎖定。為了便于觀察環路仿真結果，仿真時設多普勒頻移為常值，仿真結果顯示，多普勒頻移在環路穩定后一直穩定在2 474 Hz左右。

圖3 載波相位差和多普勒頻移仿真圖

按照前文設計和仿真的參數對環路的各個部件在FPGA中用VHDL語言來實現。對各個時鐘進行了設置，GPS載波跟蹤環路的采樣時鐘頻率clk為5 MHz,環路中累加器的清零時鐘clr頻率為1 kHz,NCO的輸入時鐘頻率 nco_clk為64 MHz。圖4為FPGA仿真軟件QuartusⅡ實現的載波跟蹤環路原理圖。

圖4 QuartusⅡ上實現的頂層寄存器傳輸級原理圖

在QuartusⅡ上對原理圖進行仿真，得到環路的波形圖，如圖5所示。在仿真中將載波的初始相位差設為22.5°，初始頻率誤差設為110 Hz，在大約6.4 ms時，載波相位和頻率與給定值完全同步，環路鎖定，此后環路一直處于鎖定狀態。在環路中加入噪聲，輸入信噪比為5 dB時，同步時間約60 ms，鎖定后相位抖動約8°，環路能夠較好地鎖定。該載波跟蹤環可以在含噪聲的GPS信號中使用，解調出碼調制的導航電文。

圖5 載波同步時環路的波形仿真圖

3 結束語

本文所設計的Costas載波跟蹤環已在GPS L1信號軟件接收機測試平臺上(如圖6所示)測試使用。

圖6 GPS L1信號軟件接收機測試平臺圖

測試使用的結果表明,該設計實現了捕獲靈敏

度≤-158 dBW，跟蹤靈敏度≤-160 dBW，定位精度≤3 m(1 rms，-158 dBW，GDOP<2)，性能良好，從而證明了設計的正確性和可行性。在以后的研究中，可以進一步優化跟蹤環路的算法，提高環路的性能。

[1] 劉基余．GPS衛星導航定位原理與方法[M]．北京：科學出版社,2003：6-7.

[2] COSTAS J P.Synchronous Communication[J]．Proceedings of the IRE，1956，44(12)：1713-1718.

[3] 張欣．擴頻通信數字基帶信號處理算法及其VLSI實現 [M].北京:科學出版社,2004.

[4] 余小輝．GPS L1信號處理技術研究與實現[D]．哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

[5] 張安安,杜勇,韓方景．全數字Costas環在FPGA上的設計與實現[J]．電子工程師，2006(1)：18-20.

Design of Carrier Tracking Loop for Software GPS Receiver

YU Xiao-hui

(The 13th Research Institute,CETC,Shijiazhuang 050051,China)

To research into GPS signal processing technology,this paper firstly designs the total scheme for software GPS receiver,then deeply analyzes the key module——carrier tracking loop and designs the realization scheme of each part of the loop,uses MATLAB to perform simulation and analysis to the loop,validates the feasibility of this scheme,finally finishes the scheme design of the loop based on FPGA of Altera Co..The result indicates that the tracking performance of Costas carrier loop is well,can satisfy the requirements of software GPS receiver completely and has definite engineering reference value.

software GPS receiver;carrier tracking loop;Costas loop

2016-04-27

TN911.25

A

CN32-1413(2016)04-0088-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.04.020