GNSS接收機中載波和偽碼NCO的設計

吳興存,何 謙,殷雪明,楊 恒

(中國衛(wèi)星海上測控部,江蘇 江陰 214431)

1 引 言

伴隨著全球導航定位系統(tǒng)的全面升級和發(fā)展,衛(wèi)星導航接收機也呈現(xiàn)出新的發(fā)展特點,主要有兩個方面:一是提高接收機的抗干擾性;二是發(fā)展軟件接收機技術,提高接收機的兼容性和互操作性[1]。研究發(fā)現(xiàn),可配置導航信號處理技術是一個解決多種衛(wèi)星導航系統(tǒng)兼容問題的有效的研究方向。所謂可配置,就是進行導航信號處理的數(shù)字邏輯或軟件算法可根據(jù)不同系統(tǒng)的導航信號特征進行靈活配置,實現(xiàn)多系統(tǒng)兼容的目的。而研究可配置導航信號處理通道的目的是探索高兼容性的導航信號處理技術,這種兼容性主要表現(xiàn)在兩個方面:一是兼容不同導航信號,即該可配置的導航信號處理通道可用于GPS、GLONASS、GALILEO 和“北斗”二代等不同衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的不同導航信號的處理;二是兼容不同的導航信號射頻處理電路,指的是該可配置導航信號處理通道可與大多數(shù)的導航信號射頻處理電路配合工作,更換射頻電路時修改通道的配置參數(shù)即可。本文以解決兼容不同導航信號為目的對可配置導航信號處理通道中關于載波數(shù)控振蕩器(Numerically Controlled Oscillator,NCO)和偽碼NCO的設計進行研究,為進一步開發(fā)“北斗”二代導航系統(tǒng)兼容的接收機打下良好的基礎。

2 可配置導航信號處理通道結構

可配置導航信號處理通道的高兼容性是通過對各種工作參數(shù)進行可重新配置來實現(xiàn)的。在可配置的導航信號處理通道中,關鍵部件如載波NCO、偽碼NCO和本地碼發(fā)生器都可通過重新配置以適應不同的需求。圖1所示就是可配置的導航信號處理通道基本結構,與一般的單一導航信號處理通道[2]不同的是,該導航信號處理通道在控制寄存器文件的基礎上還多出了一組配置寄存器文件,這些配置寄存器文件用于載波NCO、偽碼NCO和本地碼發(fā)生器的配置,通過對配置寄存器文件的設置,載波NCO和偽碼NCO都可具有不同的中心頻率,適應不同頻率的驅動時鐘,而本地碼發(fā)生器則可輸出不同類型的偽碼如GPS信號的C/A碼、GLONASS L1信號的C/A碼、GALILEO E5信號的偽碼和“北斗”二代B1(B2)信號的偽碼等。

因此,可配置導航信號處理通道的關鍵技術就在載波NCO的可配置、偽碼NCO的可配置和本地碼發(fā)生器的可配置,這三點正是可配置的導航信號處理通道設計的主要問題。由于篇幅所限,本文只對載波和偽碼NCO的可配置技術進行研究。

圖1 可配置的導航信號處理通道基本結構Fig.1 The basic structure of the configurable navigation signal processing channel

3 可配置載波NCO設計

可配置載波NCO的主要參數(shù)有中心頻率、頻率調(diào)節(jié)范圍、頻率調(diào)節(jié)粒度、驅動時鐘周期、載波周期相位點數(shù)和數(shù)字波形幅度位數(shù)。其中,中心頻率與導航信號的理論數(shù)字中頻信號的載波頻率一致;而頻率調(diào)節(jié)范圍則覆蓋導航信號載波多普勒頻移所能達到的范圍;頻率調(diào)節(jié)粒度指載波NCO的最小頻率調(diào)節(jié)步長;驅動時鐘周期是載波NCO的基準參考時間。

3.1 可配置載波NCO設計參數(shù)的確定

可配置載波NCO的基本框架如圖2所示,其中心頻率和驅動時鐘周期這兩個輸入信號由導航信號處理通道中配置寄存器文件提供,用于設定載波NCO的中心頻率值和驅動時鐘的周期;頻率偏移量這個輸入值則由可配置的導航信號處理通道中的控制寄存器文件提供,用于在電路工作時對載波NCO的實際輸出頻率進行動態(tài)調(diào)節(jié),使其與導航信號的載波頻率同步;而相位點數(shù)輸入端用虛線框表示,原因就是該值其實是一個預設的固定值,表示單個載波周期內(nèi)劃分的相位點個數(shù)。

圖2 可配置載波NCO的基本框架Fig.2 The basic framework of configurable carrier NCO

本文設計可用于實際工作的載波NCO,為了保證載波NCO的兼容性,對中心頻率設置范圍、頻率調(diào)節(jié)范圍、頻率調(diào)節(jié)粒度和驅動時鐘周期4個參數(shù)進行了詳細的研究,最后確定的參數(shù)及依據(jù)如下。

(1)中心頻率設置范圍

載波NCO的中心頻率主要由衛(wèi)星射頻信號處理電路所輸出的中頻信號載波頻率所決定。同時,載波NCO的中心頻率設置范圍應盡可能覆蓋各種射頻芯片的中頻信號載波頻率。射頻信號處理電路輸出的中頻信號載波頻率一般約為偽碼速率的4倍。由GPS、GLONASS 、GALILEO 及“北斗”二代[3]的導航信號結構可知,以GPS P碼、GALILEO E5和“北斗”二代B2(B3)信號碼速率最高,為10.23 Mchip/s,故確定本文的載波NCO的頻率設置范圍為0～40.96MHz。在實現(xiàn)載波NCO時,中心頻率設定值需一個26 bit的寄存器保存,故實際的中心頻率設置范圍為0～67.108864MHz,頻率設置的粒度為1 Hz。

(2)頻率調(diào)節(jié)范圍

頻率調(diào)節(jié)范圍由兩方面的因素決定,一是載波多普勒頻移,二是射頻信號處理電路中參考時鐘的誤差。其中,多普勒頻移在衛(wèi)星與接收設備相對運動速度為6000 m/s、載波頻率為1.6GHz時約為±32 KHz。為了覆蓋可能的頻偏,參考時鐘(對于1.2～1.6 GHz的本地振蕩器頻率,穩(wěn)定度為±1×10-5ppm的參考時鐘)引入的中頻信號載波頻率不確定度為±16 kHz。綜合上面兩個因素,確定頻率的可調(diào)節(jié)范圍為±48 KHz,應該可以覆蓋中頻信號載波頻率所能達到的范圍。

(3)頻率調(diào)節(jié)粒度

頻率調(diào)節(jié)粒度的選擇需要滿足最高的精度要求,為保證載波NCO頻率的精度,要求頻率調(diào)節(jié)粒度為幾兆赫到幾十兆赫。本文載波NCO性能是首位的,故頻率調(diào)節(jié)粒度設計為1 MHz。具體實現(xiàn)時,頻率調(diào)節(jié)粒度與頻率調(diào)節(jié)范圍的設定共用一個寄存器,寄存器位數(shù)為27 bit,在頻率調(diào)節(jié)粒度為1MHz下,頻率覆蓋范圍為±67.108864 KHz,從而進一步擴大了頻率調(diào)節(jié)范圍。

(4)驅動時鐘周期

驅動時鐘周期是載波NCO的基準參考時間,載波NCO輸出的數(shù)字載波信號頻率精度就是由它決定的。對于導航信號處理通道,載波NCO的驅動時鐘一般就是導航信號處理通道對輸入的數(shù)字中頻信號進行采樣的時鐘,為了兼容所有的導航信號,采樣頻率最低都在2 MHz以上,從而確定驅動時鐘周期的變化范圍為0～500 ns;有時驅動時鐘周期長度并不是整數(shù)納秒,為保證精度,驅動時鐘周期的精度設定為10-5ns,為了進行0～500 ns范圍內(nèi)的驅動時鐘周期設置,需要用到一個26 bit的寄存器,則實際驅動時鐘周期可設置的范圍為0～671.08864 ns,這樣的參數(shù)配置足以滿足要求。

單周期相位點數(shù)及輸出幅度位數(shù)的確定則比較簡單。單周期相位點數(shù)一般設為8,這是現(xiàn)有的導航信號處理通道普遍采用的方案[4],本文的載波NCO也采用這種方案。輸出幅度位數(shù)在導航信號處理通道的設計中采用較多的方案有兩種:一種是用兩位二進制碼表示輸出幅度,具體幅度為±1、±2這4個值;另一種是用3位二進制碼表示輸出幅度,具體幅度為0、±2、±3這5個值。由于三位二進制碼表示的輸出信號幅度精度更高,本文中載波NCO的輸出信號幅度將用3位二進制補碼表示。

3.2 載波NCO設計

本文設計的可配置載波NCO的基本結構如圖3所示,分三大功能塊:一是載波NCO的寄存器讀寫功能塊,負責對載波NCO的中心頻率、驅動時鐘周期的配置,對頻率偏移量的控制,同時也負責對載波NCO的狀態(tài)進行監(jiān)視;二是載波相位增量計算及累積功能塊,負責計算當前驅動時鐘周期內(nèi)的載波相位增加值及其與歷史累積相位值求和后的新累積相位值,并用相位點變化量和累積相位點來表示;三是載波波形輸出功能塊,主要包含sin函數(shù)映射表及cos函數(shù)映射邏輯,其中cos函數(shù)映射邏輯負責對當前的累積相位點值進行π/4相移,將與sin函數(shù)值對應的累積相位點值變換成對應于cos函數(shù)映射值的累積相位點;功能塊輸出的就是與當前累積相位點對應的sin和cos函數(shù)映射值。測試結果表明,該載波NCO符合上文提出的各種設計參數(shù),因此能兼容不同的射頻信號處理電路,處理不同的導航信號,可直接用到可配置導航信號處理通道中。

圖3 可配置載波NCO的結構Fig.3 The structure of configurable carrier NCO

4 可配置偽碼NCO設計

可配置偽碼NCO工作原理實際上就是可配置載波NCO的簡化。相對于載波NCO,這種簡化主要體現(xiàn)在4個方面:中心頻率有限,即對應于導航信號偽碼速率的偽碼NCO中心頻率只有有限的幾種,如1.022 MHz、2.046 MHz、20.46 MHz等 ;頻率偏移范圍較小,一般情況下對頻率進行偏置的目的是對偽碼的相位進行微調(diào);相位點數(shù)也只有兩個,即0和1,分別對應于0～π和π～2π的相位;輸出信號為0和1,直接對應于當前的相位點值。因此,在設計偽碼NCO時,不能完全照搬載波NCO,否則將造成大量的硬件資源浪費?？膳渲脗未aNCO的主要參數(shù)有中心頻率、頻率調(diào)節(jié)范圍、頻率調(diào)節(jié)粒度和驅動時鐘周期,這些參數(shù)的意義與載波NCO的相同,此處就不再重復。

4.1 可配置偽碼NCO設計參數(shù)的確定

本文設計可用于實際工作的偽碼NCO,同樣為了保證偽碼NCO的兼容性,對中心頻率設置范圍、頻率調(diào)節(jié)范圍、頻率調(diào)節(jié)粒度和驅動時鐘周期這4個參數(shù)也作了研究,最后確定的參數(shù)及依據(jù)如下。

(1)中心頻率設置范圍

偽碼NCO的中心頻率為導航信號偽碼速率的2倍,已知的導航信號其偽碼速率及對應的偽碼NCO中心頻率如表1所示。從表中可知,偽碼NCO的中心頻率的最大值為20.46 MHz,且均為1 KHz的整數(shù)倍。因此,若以1 KHz為單位設置偽碼NCO的中心頻率,用15 bit的配置寄存器即可,實際的中心頻率值設置范圍為0～32.768 MHz。

表1 不同衛(wèi)星導航信號偽碼速率及對應偽碼NCO中心頻率Table 1 PN code rate of different satellite navigation signals and the corresponding code NCO center frequency

(2)頻率調(diào)節(jié)范圍

與載波NCO不同的是偽碼NCO進行頻率調(diào)節(jié)的主要目的是對偽碼的相位進行微調(diào),用以保持本地碼與輸入信號偽碼的精確同步。因此,決定偽碼NCO頻率調(diào)節(jié)范圍的主要因素就是偽碼相位調(diào)節(jié)速度,相位調(diào)節(jié)速度的最大值一般為1個偽碼周期內(nèi)1/2個偽碼寬度(即1個偽碼NCO時鐘周期)的變化。表1所列的各種偽碼中,偽碼周期最小的為1 ms,對應最大頻率偏移量為1 KHz,因此偽碼NCO的頻率調(diào)節(jié)范圍可定為±1 KHz。

(3)頻率調(diào)節(jié)粒度

頻率調(diào)節(jié)粒度的選擇需要滿足最高的精度要求,與載波NCO一樣,為了保證偽碼NCO頻率的精度,要求頻率調(diào)節(jié)粒度為幾兆赫到幾十兆赫,本文的偽碼頻率調(diào)節(jié)粒度也設計為1 MHz。在本文設計的偽碼NCO中,頻率調(diào)節(jié)粒度與頻率調(diào)節(jié)范圍共用一個22 bit的寄存器進行設置,故實際的頻率調(diào)節(jié)范圍為±2.097152 KHz。

(4)驅動時鐘周期

偽碼NCO與載波NCO共用同一個驅動時鐘,因此驅動周期的配置方案與載波NCO的一致,也共用一個驅動時鐘周期配置寄存器,此處不再重復介紹。

由于偽碼NCO輸出的是方波信號,故單周期相位點數(shù)就是兩個,即0和1,分別對應于0～π和π～2π的相位,輸出信號為1和0,對當前的相位點值進行反相輸出即可。

4.2 偽碼NCO設計與實現(xiàn)

本文設計的可配置偽碼NCO的基本框架如圖4所示,分為三大功能塊:一是偽碼NCO的寄存器讀寫功能塊,這個功能塊與載波NCO的相應功能塊是共用的,圖中用省略號表示的部分就是載波NCO及其它部分的配置及監(jiān)控寄存器;二是載波相位增量計算及累積功能塊;三是偽碼NCO波形輸出功能塊,負責將累積相位值映射為1 bit的方波信號,并反相、二分頻后形成等于預設頻率值及1/2分頻值的兩路方波信號輸出。

圖4 可配置偽碼NCO框架Fig.4 The framework of configurable PN code NCO

本文用VHDL語言實現(xiàn)了可綜合的偽碼NCO邏輯結構,圖5所示為本文的偽碼NCO在ModelSim環(huán)境下輸出的仿真波形。仿真時的基本參數(shù)為:驅動時鐘頻率為50MHz,對應的驅動時鐘周期為20 ns;偽碼NCO 的 中 心 頻 率 為 1.022MHz、4.092MHz、10.23MHz;頻移偏移量變化范圍為±1 KHz。

圖5 不同中心頻率可配置偽碼NCO的輸出波形Fig.5 The outputwaveform of configurable PN code NCO at different center frequency

本文對所設計的偽碼NCO也進行了測試,測試結果表明,該偽碼NCO符合上文提出的各種設計參數(shù),因此,適應不同的導航信號處理的要求,也可直接用于可配置導航信號處理通道中,為多種衛(wèi)星導航兼容接收機信號處理通道設計提供了很好的思路。

[1]李健文,李作虎,郝金明,等.GNSS的兼容與互操作初步研究[J].測繪科學技術學報,2009,26(3):177-180.LI Jian-wen,LI Zuo-hu,HAO Jin-ming,et al.A Preliminary Study on Compatibility and Interoperability of GNSS[J].Journal of Geomatics Science and Technology,2009,26(3):177-180.(in Chinese)

[2]劉基余.GPS衛(wèi)星導航定位原理與方法[M].北京:科學出版社,2003:164-204.LIU Ji-yu.GPS satellite navigation and positioning principles and methods[M].Beijing:Science Press,2003:164-204.(in Chinese)

[3]鄭睿.中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)的最新進展[J].衛(wèi)星與網(wǎng)絡,2009,82(4):60-62.ZHENG Rui.The latest progress of China′s satellite navigation[J].Satellite and Internet,2009,82(4):60-62.(in Chinese)

[4]Kaplan E D.Understanding GPS Principles and Applications[M].Boston:Artech House Publishers,1996.

[5]來彥鳴.伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收機的設計[D].浙江:浙江大學,2006:15-28.LAI Yan-ming.Design ofGalileo satellite positioning system receiver[D].Zhejiang:Zhejiang University,2006:15-28.(in Chinese)

[6]朱學勇,柴俊栓.BD2接收機P碼直接捕獲設計[J].科學技術與工程,2009,9(17):4960-4962.ZHU Xue-yong,CHAI Jun-shuan.A Method of P-code Direct Acquisition for BD2 Receiver[J].Science Technology and Engineering,2009,9(17):4960-4962.(in Chinese)