一種新型直接抽取算法的數(shù)字下變頻設(shè)計(jì)

【摘要】為了簡(jiǎn)化衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)框架，提出一種基于數(shù)字信號(hào)抽取的下變頻方法。通過(guò)分離和累計(jì)法，人們發(fā)現(xiàn)了一種具有高頻率數(shù)字載波信號(hào)的直接下變頻方法。這種方法不僅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度高和計(jì)算簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，還能夠很好的保持導(dǎo)航電文和多普勒信息，但這種方法有可能會(huì)使S/N信號(hào)和接收機(jī)的靈敏度降低：分析和仿真結(jié)果顯示，它對(duì)接收機(jī)的定位靈敏度沒(méi)有任何的影響。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字下變頻；抽取算法；BPSK

1.引言

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)通常采用超外差的體系結(jié)構(gòu)，在模擬的超外差接收機(jī)前端，許多的數(shù)字下變頻是通過(guò)使用混頻器和本地振蕩器接收IF信號(hào)。低通濾波器消除了高頻率分量，然后便可以得到不同頻率的下變頻信號(hào)，與低IF模式和零IF模式相比，它具有高增益、高抑制和無(wú)本地振蕩泄漏的特點(diǎn)，但是它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜和功率損耗較高[2]。

數(shù)字接收器具有高集成度、低功耗和低成本的特點(diǎn)，因此，它是無(wú)線電接收器的發(fā)展趨勢(shì)[3]。數(shù)字下變頻方法能夠通過(guò)數(shù)字調(diào)音臺(tái)、CIC濾波器或者重采樣方法把一個(gè)高頻率信號(hào)轉(zhuǎn)變成低頻率信號(hào)[4-5]。在本文中，抽取算法和提取信號(hào)是為了得到BPSK調(diào)制信號(hào)的下變頻，與CORDIC方法相比，數(shù)字下變頻方法只需要添加點(diǎn)操作就可以節(jié)省許多的時(shí)間和CPU空間。在處理導(dǎo)航數(shù)據(jù)或CDMA數(shù)據(jù)時(shí)，除了采樣IF算法外，還需要重采樣和復(fù)雜的數(shù)字算法。

2.抽取算法的原理

假設(shè)在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前，信號(hào)的頻率為，抽樣頻率是。對(duì)于BPSK調(diào)制的信號(hào)，載波頻率和振幅是不變的。經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，信號(hào)為是一個(gè)行向量，向量的位數(shù)等于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。無(wú)相位轉(zhuǎn)換的載波抽樣信號(hào)有如下關(guān)系：

如果相位在周期發(fā)生轉(zhuǎn)換，并且是在和周期之間發(fā)生，由于相位變化是，最后的抽樣值不如前個(gè)抽樣值，。如果>，在抽取的過(guò)程中相變不會(huì)發(fā)生，那么便會(huì)在下個(gè)周期發(fā)生。因此，在抽取期發(fā)生的相變將提前或推遲以適應(yīng)周期的開(kāi)始或結(jié)束，從而導(dǎo)致部分代碼相位誤差。

3.靈敏度和準(zhǔn)確度的影響

抽取和量化將會(huì)造成信號(hào)信息的丟失，此量化誤差是依賴于量化比特?cái)?shù)和閥值。通過(guò)選擇合適的閥值可以使量化的損失減少，通常情況下，實(shí)驗(yàn)中的量化是0.55dB[7]。抽取值可以改變相變的位置。如果累計(jì)的最大數(shù)目是，它可以使相位的過(guò)渡時(shí)間提前或滯后正確點(diǎn)的，是抽樣周期。相變錯(cuò)誤也影響相關(guān)積分結(jié)果，這會(huì)使接收器的靈敏度降低。考慮了多普勒頻移，相變誤差均勻分布的區(qū)域是，該相變提前或滯后的概率是相等的，正向和負(fù)向的平均誤差分別是和，最大誤差是，這里的是一個(gè)PN碼的寬度，這個(gè)誤差是該算法的主要誤差。與量化誤差相比，這一誤差可以通過(guò)改善算法來(lái)消除。

使用此算法，相位超前或滯后的概率是相當(dāng)?shù)木鸵馕吨鴮?duì)于整個(gè)積分長(zhǎng)度的超前或滯后誤差為零，所以它不能改變相關(guān)峰值的相位。如果相關(guān)峰值沒(méi)有改變，定們精度也就不會(huì)降低。

4.仿真結(jié)果

通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)對(duì)抽取算法進(jìn)行了仿真，該系統(tǒng)是利用GPS BB芯片組設(shè)計(jì)。IF信號(hào)頻率是9.548MHz，抽樣信號(hào)頻率是38.192MHz。信號(hào)將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)?.092MHz，數(shù)字下變頻比例為7：3。

總結(jié)2個(gè)樣本，2個(gè)樣本和3個(gè)樣本，得到3個(gè)新的樣本，因此，在一個(gè)相同的時(shí)間間隔里，樣本數(shù)從7變到3，并且信號(hào)頻率也變?yōu)檩斎胄盘?hào)頻率的3/7。因?yàn)?個(gè)樣本對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔不相等，該差異是，以即在38.192MHz的頻率下三個(gè)樣本的停留時(shí)間是，這里是的制服時(shí)間，是采樣間隔。因此，每個(gè)C/A碼期間是7×4+（7+2）時(shí)發(fā)生的概率是1/3，碼期間是7×4+（7+3）時(shí)發(fā)生的概率是2/3。前一個(gè)的誤差是，后一個(gè)的誤差是+。

在C/A碼時(shí)期（1ms），累計(jì)誤差是：

這里有38192誤差是在C/A碼時(shí)期（1ms）產(chǎn)生的，因此，最大誤差約是0.3dB（1364/ 38192≈0.0357）。

分離器和抽取器體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。頻率是38.192MHz輸入信號(hào)通過(guò)分離器被分離成四種頻率。樣本信號(hào)在抽取器中按照2，2，3的順序每7個(gè)樣本被累加。信號(hào)合成器將、合成為一個(gè)信號(hào)。從而完成從9.548MHz到4.092MHz的下變頻。

使用我們的基帶芯片設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)，在Verlog代碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行信號(hào)處理。在120芯片上的輸出想干積分和非想干積分如圖2和圖3所示。

從圖2和圖3可以看出，相關(guān)積分峰值和非相關(guān)積分峰值都減少（從58H到53H），這表示接收器的靈敏度在下降。通過(guò)放個(gè)2得到的峰值位置是138（8AH）半芯片。由于峰值位置不移動(dòng)，所以它不會(huì)對(duì)范圍產(chǎn)生影響。所以，接收器的定位精準(zhǔn)度沒(méi)有改變，另一方面，相關(guān)輸出（噪聲）旁邊的峰值相比數(shù)字混合算法有所下降。如果我們?cè)O(shè)定一個(gè)相對(duì)較低的門檻，在抽取下變頻算法對(duì)檢測(cè)頻率和虛警概率有輕微影響。

5.結(jié)論

通過(guò)使用抽取算法對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行下變頻，簡(jiǎn)化構(gòu)建的信號(hào)處理電路，從而使信號(hào)的處理速度得到提升，因此，它可以引導(dǎo)一個(gè)低成本的芯片組設(shè)計(jì)。這種方法的價(jià)格是降低接收器的靈敏度，但隨著對(duì)該方法的改進(jìn)，這樣問(wèn)題會(huì)逐漸得到解決。

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作者簡(jiǎn)介：任玲芝（1981—），男，碩士，助教，研究方向：智能控制技術(shù)。