射頻前端濾波器對C/A碼相關(guān)曲線的影響研究

劉浩成++陳櫻婷

摘 要：衛(wèi)星信號中的C/A碼序列經(jīng)過導(dǎo)航接收機(jī)的前端帶通濾波器后其波形會發(fā)生失真。失真的C/A碼與本地正常的C/A碼進(jìn)行相關(guān)得到的相關(guān)曲線也會因此產(chǎn)生畸變，從而導(dǎo)致接收機(jī)鑒相發(fā)生偏差，影響定位精度。文中詳細(xì)分析了射頻前端濾波器對C/A碼相關(guān)曲線的影響現(xiàn)象，并提出了利用本地濾波器補(bǔ)償相關(guān)曲線失真的辦法，實(shí)測結(jié)果表明該方法能有效抵消相關(guān)曲線的非對稱失真，從而減少接收機(jī)鑒相誤差。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)航接收機(jī) C/A碼 濾波器 相關(guān)曲線 補(bǔ)償

中圖分類號：P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（c）-0009-02

衛(wèi)星信號進(jìn)入接收機(jī)基帶處理之前，通常會經(jīng)過射頻前端進(jìn)行下變頻處理。射頻前端主要包括三部分：混頻器，帶通濾波器以及A/D轉(zhuǎn)換器[1]。

射頻前端帶通濾波器的作用是盡可能濾除有用信號以外的噪聲，提高信號的載噪比，所以其帶寬通常會做得很窄[2]。C/A碼序列經(jīng)過濾波器的作用后大量高頻成分隨著噪聲被濾除，原本方正的矩形波會變得平滑；而且一般濾波器的相位響應(yīng)都是非線性的，其沖擊響應(yīng)不是對稱的形狀，這會令輸出波形產(chǎn)生非對稱現(xiàn)象。經(jīng)過濾波器后失真的C/A碼與本地正常碼進(jìn)行相關(guān)，其相關(guān)曲線會因為兩組信號的不對稱而產(chǎn)生類似的失真。接收機(jī)內(nèi)部的碼環(huán)通常是利用相關(guān)曲線的對稱形狀來對C/A碼進(jìn)行同步，如果相關(guān)曲線產(chǎn)生了非對稱畸變，其同步就會發(fā)生偏差，這就要求有一種有效的措施去消除經(jīng)過前端濾波器后的C/A碼和本地碼之間的不對稱現(xiàn)象，避免產(chǎn)生碼相位鑒相偏差。

1 射頻前端濾波器對相關(guān)曲線的影響

經(jīng)過射頻前端下變頻后輸出的衛(wèi)星信號可以用下面模型表示：

其中為下變頻后衛(wèi)星信號的幅值，為C/A碼序列，是衛(wèi)星信號的導(dǎo)航電文，是下變頻的中心頻率，是衛(wèi)星信號的多普勒頻率，是載波的初相，是均值為0，方差為的高斯白噪聲。

衛(wèi)星信號下變頻后分成正交兩路進(jìn)行采樣，然后分別與本地產(chǎn)生的載波和C/A碼進(jìn)行相干積分，其結(jié)果可以用下式表示[3]：

其中和是殘余的多普勒頻率和載波相位誤差，是相干積分時間，為高斯白噪聲。則是接收到的C/A碼與本地碼之間的相關(guān)函數(shù)，代表兩組碼之間的偏移量。在理想情況下，假設(shè)射頻前端的濾波器帶寬無窮大，C/A碼的相關(guān)函數(shù)可以表示如下：

這里的代表C/A碼的碼片周期，在理想情況下，C/A碼之間的相關(guān)曲線呈現(xiàn)一個高度為1，底寬為2的等腰三角形。

接收機(jī)通常使用延遲鎖定環(huán)（DLL）來檢測接收碼和本地碼之間的偏移量。在基帶處理部分衛(wèi)星信號經(jīng)過載波剝離后會分成三條支路，假設(shè)相關(guān)器間隔為d（0

E為超前支路的非相干積分值，L為滯后支路的非相干積分值。鑒相器會根據(jù)超前支路和滯后支路的非相干積分差值輸出一個相位差，驅(qū)動本地碼NCO去移動本地C/A碼，直到本地碼與接收碼對齊，鑒相器輸出鎖定為0。

經(jīng)過射頻前端濾波器后輸出的失真C/A碼與本地正常的C/A碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算后，其相關(guān)曲線不再是理想的等腰三角形。圖1給出了接收到的C/A碼經(jīng)過不同帶寬的五階巴特沃斯通濾波器后與本地碼進(jìn)行相關(guān)的相關(guān)曲線比較，為了更好地比較濾波器對相關(guān)曲線的失真影響，圖中的相關(guān)曲線均已做對齊處理。

從圖中可以看出，由于濾波器對C/A碼碼片產(chǎn)生的平滑作用導(dǎo)致了相關(guān)曲線頂峰部分的圓滑，而濾波器對C/A碼碼片造成的非對稱失真會導(dǎo)致相關(guān)曲線發(fā)生非對稱的畸變。根據(jù)鑒相器的原理，鑒相器會根據(jù)相關(guān)器間隔d對比相關(guān)曲線兩邊的相關(guān)值，如果相等，就認(rèn)為當(dāng)前支路的C/A碼與本地碼已經(jīng)同步[5]，假設(shè)相關(guān)曲線的是理想情況下的等腰三角形，當(dāng)前支路的相關(guān)值就會在頂峰，此時=0。如果相關(guān)曲線是如圖1所示的非對稱形狀，在相同的相關(guān)器間隔d下，超前支路和滯后支路非相干積分值相等的位置就會發(fā)生偏移，這就會導(dǎo)致當(dāng)前支路的碼相位較=0的位置產(chǎn)生一個偏差。

C/A碼的鑒相偏差會導(dǎo)致接收碼與本地碼的同步發(fā)生偏移，這種偏移不但會造成接收機(jī)的誤碼率增加，而且會影響偽距測量的精度。分析圖1可知，相關(guān)曲線的非對稱影響會隨著帶寬的增加而減少，在相同的相關(guān)器間隔d情況下可以通過增加前端濾波器的帶寬來達(dá)到消除C/A碼鑒相誤差的目的。但實(shí)際應(yīng)用中，為了更好地抑制帶外噪聲，提高接收機(jī)整體性能，接收機(jī)射頻前端帶通濾波器通常會選擇比較窄的帶寬，普遍值為2 MHz左右，約為C/A碼速率的兩倍?？梢詫Ρ葓D1低通濾波器帶寬BW=1/的情況，相關(guān)曲線的非對稱影響是比較明顯的。雖然增大相關(guān)器的間隔d也能達(dá)到避免鑒相誤差的結(jié)果，但相關(guān)器的增大會不利于跟蹤的穩(wěn)定以及接收機(jī)抗多路徑干擾的性能[6]，所以需要采取一種有效的辦法消除濾波器對C/A碼相關(guān)曲線產(chǎn)生的非對稱失真。

2 一種解決相關(guān)曲線非對稱失真方法

要避免相關(guān)曲線的非對稱失真，本質(zhì)上，就是要解決經(jīng)過濾波器后的C/A碼與本地產(chǎn)生的C/A碼不對稱的問題。基于這種思路，可以在本地接收機(jī)根據(jù)射頻前端帶通濾波器的帶寬、類型和階數(shù)等參數(shù)設(shè)計一個性能接近的數(shù)字低通濾波器，然后讓本地的C/A碼經(jīng)過數(shù)字低通濾波器后再與接收到的C/A碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。通過本地低通濾波器的補(bǔ)償，本地C/A碼和接收的C/A碼波形就會接近一致，相關(guān)曲線就不會因為兩路波形的不對稱而產(chǎn)生非對稱失真。

3 實(shí)際測試結(jié)果分析

在實(shí)際測試的過程中，輸入信號經(jīng)過射頻前端送入軟件接收機(jī)后分成兩路處理：一路與本地產(chǎn)生的正常C/A碼進(jìn)行相關(guān)，一路與本地經(jīng)過低通濾波器濾波的C/A碼相關(guān)，然后比較兩者的相關(guān)曲線。

射頻前端芯片采用MAXIM公司的MAX2769B，其內(nèi)部的帶通濾波器為五階的巴特沃斯濾波器，帶寬為2.5 MHz。根據(jù)這些參數(shù)這里設(shè)計了一個帶寬為1.25 MHz的五階巴特沃斯數(shù)字低通濾波器作為本地補(bǔ)償濾波器。

圖2比較了實(shí)際數(shù)據(jù)與經(jīng)過補(bǔ)償以及沒有補(bǔ)償?shù)谋镜谻/A碼進(jìn)行相關(guān)的相關(guān)曲線，可以看出實(shí)際信號與本地未經(jīng)過濾波器的C/A碼進(jìn)行相關(guān)的確出現(xiàn)了比較明顯的非對稱失真；而經(jīng)過本地濾波器補(bǔ)償后，相關(guān)曲線雖然因為濾波器帶寬的原因產(chǎn)生了平滑現(xiàn)象，但其非對稱失真已經(jīng)得到了很有效的消除，只要相關(guān)曲線恢復(fù)對稱形狀，鑒相器就能鎖定真實(shí)的同步位置。

4 結(jié)語

射頻前端帶通濾波器由于帶寬的限制以及非線性相位的影響，會對輸入C/A碼碼片產(chǎn)生不可避免的平滑以及非對稱失真，這導(dǎo)致本地C/A碼與其相關(guān)后的相關(guān)曲線也會產(chǎn)生類似的平滑以及非對稱畸變，造成鑒相的偏差。利用文中的方法設(shè)計一個本地低通濾波器進(jìn)行補(bǔ)償，只要射頻前端帶通濾波器的參數(shù)確定，就能產(chǎn)生與接收C/A碼比較接近的波形，從而抵消相關(guān)曲線的非對稱失真。但是一個數(shù)字濾波器只能對應(yīng)一種射頻前端濾波器的規(guī)格，如果接收機(jī)的射頻前端采用了不同的配置本地補(bǔ)償濾波器就會失效，設(shè)計一種能夠自適應(yīng)前端濾波器參數(shù)的本地補(bǔ)償濾波器將是今后的研究方向。

參考文獻(xiàn)

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[2] R.Zheng M Chen，X Ba and J Chen.A novel fine code phase determination approach for bandwidth limited snapshot GPS receiver[C]//Position Location and Navigation Symposium，May 2010.

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[6] VanDierendonck A J，F(xiàn)enton P， Ford T.Theory and Performance of Narrow Correlator Spacing in a GPS Receiver[J].Journal of Navigation，1992，39（3）：265-284.

圖2比較了實(shí)際數(shù)據(jù)與經(jīng)過補(bǔ)償以及沒有補(bǔ)償?shù)谋镜谻/A碼進(jìn)行相關(guān)的相關(guān)曲線，可以看出實(shí)際信號與本地未經(jīng)過濾波器的C/A碼進(jìn)行相關(guān)的確出現(xiàn)了比較明顯的非對稱失真；而經(jīng)過本地濾波器補(bǔ)償后，相關(guān)曲線雖然因為濾波器帶寬的原因產(chǎn)生了平滑現(xiàn)象，但其非對稱失真已經(jīng)得到了很有效的消除，只要相關(guān)曲線恢復(fù)對稱形狀，鑒相器就能鎖定真實(shí)的同步位置。

4 結(jié)語

射頻前端帶通濾波器由于帶寬的限制以及非線性相位的影響，會對輸入C/A碼碼片產(chǎn)生不可避免的平滑以及非對稱失真，這導(dǎo)致本地C/A碼與其相關(guān)后的相關(guān)曲線也會產(chǎn)生類似的平滑以及非對稱畸變，造成鑒相的偏差。利用文中的方法設(shè)計一個本地低通濾波器進(jìn)行補(bǔ)償，只要射頻前端帶通濾波器的參數(shù)確定，就能產(chǎn)生與接收C/A碼比較接近的波形，從而抵消相關(guān)曲線的非對稱失真。但是一個數(shù)字濾波器只能對應(yīng)一種射頻前端濾波器的規(guī)格，如果接收機(jī)的射頻前端采用了不同的配置本地補(bǔ)償濾波器就會失效，設(shè)計一種能夠自適應(yīng)前端濾波器參數(shù)的本地補(bǔ)償濾波器將是今后的研究方向。

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圖2比較了實(shí)際數(shù)據(jù)與經(jīng)過補(bǔ)償以及沒有補(bǔ)償?shù)谋镜谻/A碼進(jìn)行相關(guān)的相關(guān)曲線，可以看出實(shí)際信號與本地未經(jīng)過濾波器的C/A碼進(jìn)行相關(guān)的確出現(xiàn)了比較明顯的非對稱失真；而經(jīng)過本地濾波器補(bǔ)償后，相關(guān)曲線雖然因為濾波器帶寬的原因產(chǎn)生了平滑現(xiàn)象，但其非對稱失真已經(jīng)得到了很有效的消除，只要相關(guān)曲線恢復(fù)對稱形狀，鑒相器就能鎖定真實(shí)的同步位置。

4 結(jié)語

射頻前端帶通濾波器由于帶寬的限制以及非線性相位的影響，會對輸入C/A碼碼片產(chǎn)生不可避免的平滑以及非對稱失真，這導(dǎo)致本地C/A碼與其相關(guān)后的相關(guān)曲線也會產(chǎn)生類似的平滑以及非對稱畸變，造成鑒相的偏差。利用文中的方法設(shè)計一個本地低通濾波器進(jìn)行補(bǔ)償，只要射頻前端帶通濾波器的參數(shù)確定，就能產(chǎn)生與接收C/A碼比較接近的波形，從而抵消相關(guān)曲線的非對稱失真。但是一個數(shù)字濾波器只能對應(yīng)一種射頻前端濾波器的規(guī)格，如果接收機(jī)的射頻前端采用了不同的配置本地補(bǔ)償濾波器就會失效，設(shè)計一種能夠自適應(yīng)前端濾波器參數(shù)的本地補(bǔ)償濾波器將是今后的研究方向。

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