面向濾波器預失真的導航信號監(jiān)測技術

劉晗，張立新

（中國空間技術研究院西安分院 陜西 西安　710100）

面向濾波器預失真的導航信號監(jiān)測技術

劉晗，張立新

（中國空間技術研究院西安分院 陜西 西安710100）

導航發(fā)射信道存在一定的非理想特性，這些非理想特性會給導航信號帶來失真，預失真技術通過補償信道的失真特性來實現(xiàn)導航信號質量的改善。濾波器是信道中非常重要的非理想器件，它的幅頻、群時延特性會給導航信號引入線性失真，通過分析失真信號的幅度譜和相位譜實現(xiàn)對濾波器失真特性的實時監(jiān)測，預失真單元可以根據(jù)監(jiān)測得到的非理想特性改變?yōu)V波器參數(shù)，從而達到有效補償信道中濾波器引入失真的效果。

預失真；濾波器；幅頻；群時延；監(jiān)測

由于BOC調制是一種能夠很好的解決信號之間相互干擾、頻譜混疊從而共享頻帶的調制體制，隨著用戶對于導航精度要求的不斷提高，BOC調制信號在全球導航衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）新體制中被廣泛使用。導航信號經(jīng)過發(fā)射信道會產(chǎn)生失真，該失真主要由導航載荷的混頻器、濾波器、高功率放大器（HPA）等引入［1］，其中線性失真包括幅度失真、相位失真和群時延波動失真，非線性失真主要是由HPA引入的AM/AM及AM/PM特性［2］。文章通過研究失真信號的功率譜、星座圖和SCB曲線分析濾波器對信號質量的影響，并通過監(jiān)測信號的幅度譜和相位譜計算得到濾波器的幅頻、相頻及群時延特性，將實時計算得到的濾波器特性傳送給預失真單元，從而實現(xiàn)有效補償信道中濾波器非理想特性的效果。

圖1　導航發(fā)射信道模型Fig.1　Navigation transmit channel model

1　濾波器非理想特性對導航信號的影響

導航信號的失真是由信道的非理想特性引起的，綜合國內外各大導航系統(tǒng)的導航發(fā)射信道模型，可將一般的導航發(fā)射信道模型簡化為如圖1所示［3-4］。由此可以分析各個功能模塊部件非理想特性對導航信號質量的影響。

濾波器和HPA是引入信號失真最主要的器件，文章主要研究濾波器非理想特性對導航信號的影響，并通過失真信號的幅度譜和相位譜監(jiān)測濾波器的幅頻、相頻特性，從而為濾波器的預失真技術提供參數(shù)需求。

導航信號采用BOC調制信號體制，并由幾路BOC信號經(jīng)恒包絡調制而成，以我國Compass系統(tǒng)B1信號為例，理想的B1信號由B1cd（BOC（1，1））、B1cp（TMBOC（6，1，4/33））和B1a（BOC（14，2））經(jīng)恒包絡調制而成。B1cd和B1cp位于I支路，B1a和用于恒包絡調制的積信號位于Q支路上，I、Q兩個支路的基帶信號經(jīng)數(shù)字中頻調制后形成B1恒包絡調制的合路信號。理想B1信號的功率譜和星座圖如圖2所示。

濾波器的幅頻特性和群時延特性會給信號引入失真，IIR濾波器同時具備這兩種非理想特性，文中通過模擬 IIR濾波器來研究導航信號在兩種特性共同作用下的失真。濾波器模型選擇巴特沃茲濾波器，帶寬24 MHz，帶內波動為1 dB，帶外抑制為-30 dB，濾波器的幅頻、群時延特性如圖3所示。

理想信號經(jīng)過濾波器后得到的失真信號的功率譜和星座圖如圖4所示。

圖2　理想信號的功率譜和星座圖Fig.2　Power spectrum and constellation of ideal signal

圖3　濾波器幅頻和群時延Fig.3　Amplitude-frequency and group delay of filter

由仿真結果可知信號的功率譜沒有明顯的變化，信號的星座圖在濾波器幅頻特性以及群時延特性的共同作用下產(chǎn)生了明顯的發(fā)散。

B1信號由幾路BOC信號調制，現(xiàn)選取其中一路的BOC （1，1）信號的SCB曲線研究濾波器對導航信號的影響。導航衛(wèi)星發(fā)射信道引入的失真導致碼相關函數(shù)變形，碼相關函數(shù)的變形導致接收機超前-滯后碼跟蹤環(huán)路產(chǎn)生相應的跟蹤誤差。其主要原因為：超前-滯后形式的碼跟蹤環(huán)路，由于失真的相關函數(shù)左右不對稱性導致碼鑒相器的過零點與當前碼相關函數(shù)的最大值存在一定偏差，該偏差使實際接收機的跟蹤位置與理想相關最大值存在一個時間差，導致接收機本地復現(xiàn)的碼相位與理想相位存在誤差，此誤差定義為SCB，它是較為通用的衡量導航衛(wèi)星發(fā)射信道失真引起的測距誤差的指標。BOC（1，1）信號經(jīng)過濾波器后的SCB曲線如圖5所示。

圖4　失真信號的功率譜和星座圖Fig.4　Power spectrum and constellation of distortion signal

由圖5可知，失真信號的SCB曲線偏移達到10幾個ps的數(shù)量級。通過以上的仿真分析，驗證了濾波器的幅頻和群時延特性給導航信號帶來了失真。

2　濾波器非理想特性監(jiān)測

預失真技術通過補償濾波器的失真特性來改善導航信號質量。由于溫度變化、硬件故障等一些問題的出現(xiàn)，會使濾波器的非理想特性產(chǎn)生變化，超出預失真所能補償?shù)姆秶?，此時經(jīng)發(fā)射信道得到的導航信號將會引起導航系統(tǒng)的測距誤差，影響用戶的定位精度［5］。因此需要對濾波器的非理想特性進行監(jiān)測，并根據(jù)變化的非理想特性調整預失真單元的補償范圍，從而使導航發(fā)射信號質量符合指標要求。

圖5　失真信號的SCB曲線Fig.5　SCB curve of distortion signal

設計如圖6所示的監(jiān)測接收機來監(jiān)測信號的功率譜、群時延以及SCB曲線，通過分析失真信號的特性得到濾波器的非理想特性，并將該非理想特性反饋給預失真單元，當導航發(fā)射信號質量達不到指標要求時，預失真單元就根據(jù)監(jiān)測得到的非理想特性改變?yōu)V波器參數(shù)，從而達到有效補償信道中濾波器引入失真的效果。

圖6　監(jiān)測接收機配置Fig.6　Monitoring receiver configuration

功率譜可以反映信號的幅度特性，通過分析失真信號的功率譜來表征濾波器的幅頻特性；群時延表征了濾波器的相頻特性，是預失真在工程應用中最重要的補償參數(shù)，通過計算失真信號與理想信號的相位譜差，利用群時延計算公式求出信號群時延，并用來表征濾波器的群時延特性。將得到的這兩種特性傳輸給預失真單元，當預失真單元無法完全補償濾波器在幅頻和相頻中引入的失真時，就可以通過監(jiān)測單元傳輸給預失真單元的參數(shù)調整預失真濾波器補償范圍，從而得到符合指標要求的導航信號。

2.1功率譜監(jiān)測

功率譜可以反映信號的幅度特性，通過失真信號的功率譜與理想信號的功率譜，可以由下式求出濾波器的幅頻特性。

其中，Pdis為失真信號的功率譜，Pideal為理想信號的功率譜，Hpower為求得的濾波器幅頻特性。功率譜監(jiān)測的仿真采用B1信號，濾波器選擇如圖3所示的巴特沃茲濾波器，理想信號和失真信號的功率譜如圖2、圖4所示。根據(jù)公式（1）、（2）仿真得到濾波器的幅頻特性如圖7所示。

圖7　濾波器幅頻特性估計Fig.7　Filter amplitude-frequency estimate

由仿真結果可知，通過信號功率譜計算出的濾波器幅頻特性與圖3中濾波器真實的幅頻特性基本符合，通過式（2）求得H（f）的作為監(jiān)測參數(shù)傳給預失真單元，當信號質量達不到指標要求時，將H-1（f）作為預失真濾波器的幅頻特性，理想信號經(jīng)過逆濾波器及發(fā)射信道中的濾波器后就可得到補償信號。

2.2群時延監(jiān)測

群時延對信號質量的影響為濾波器的主要影響，不同形狀的群時延特性對信號質量的影響各不相同［6］。在實際的預失真補償技術中，群時延是非常重要的技術指標，對濾波器的預失真主要就是進行群時延預失真。由于理想信號的群時延為0，通過計算理想信號和失真信號的相頻特性φ（ω）ideal、φ （ω）dis，求得信號失真前后的相頻特性差dφ（ω），由公式（3）即可求出信號經(jīng)過濾波器后的群時延特性變化。

式中dφ（ω）為失真信號與理想信號的相位差，τ（ω）為群時延。

圖8　濾波器群時延特性估計Fig.8　Filter group delay estimate

根據(jù)以上公式仿真得到的濾波器群時延如圖8所示，信號和濾波器分別采用2.1中相同的設計。

由仿真結果可知，計算得出的群時延與圖3中的濾波器真實群時延特性基本符合，因此通過這種方法很好的反映了濾波器的群時延特性，將此群時延特性反饋給預失真單元，當信號質量達不到指標要求時，將-作為預失真濾波器的群時延特性，理想信號經(jīng)過逆濾波器及發(fā)射信道中的濾波器后就可得到相位補償。

3　結束語

濾波器是導航信道中引入失真的重要器件，通過對導航信號功率譜、星座圖、SCB曲線的仿真分析，可以得出濾波器的幅頻、相頻特性對導航信號質量的影響。濾波器給導航信號帶來的失真可以通過預失真技術來進行補償，但由于溫度變化、硬件故障等一些問題的出現(xiàn)，會使濾波器的非理想特性產(chǎn)生變化。根據(jù)信號的功率譜和相位譜與濾波器幅頻、群時延的關系，通過仿真分析驗證了監(jiān)測信號的功率譜和群時延可以很好的反映濾波器的幅頻和群時延特性，將這些非理想特性反饋給預失真單元，當信號質量達不到指標要求時，就可以根據(jù)監(jiān)測得到的參數(shù)對導航信號進行補償。

［1］Guenter W.Hein.Where are we going in satellite navigation PNT Symposium Stanford CA，2010.

［2］Manuela Rapisarda，PieroAngeletti，Enrico Casini.A Simulation Framework for the Assessment of Navigation Payload Non-Idealities［C］.2nd Workshop on GNSS Signal&Signal Processing 24-25 April 2007，ESTEC.

［3］楊志梅.導航衛(wèi)星發(fā)射信道的預失真技術研究 ［D］.西安：中國空間技術研究院西安分院，2014.

［4］郭媛媛，王崗，謝軍.導航載荷線性失真對BOC信號影響的研究［J］.現(xiàn)代電子技術，2012（5）：32-35，38.

［5］Soellner M，Kohl R，Luetke W，et al.The impact of linear and non-linear signal distortions on Galileo code tracking accuracy［C］.ION GPS 2002，24-27 September 2002.

［6］田嘉，王偉，史平彥.群時延對測距誤差的影響［J］.空間電子技術，2012（3）：14-16，30.

Navigation signal monitoring technology for Filter Pre-distortion

LIU Han，ZHANG Li-xin
（China Academy of Space Technology，Xi’an 710100，China）

Navigation transmitter channel has some non-idealities，these non-idealitiesresult distortion in navigation signal，pre-distortion technology realizes navigation signal quality improvement through compensating non-idealities of channel.Filter is a very important non-ideal device in the channel，it's amplitude-frequency and group delay bring linear distortion to navigation signal，through analyzing amplitude spectrum and phase spectrum of distortion signal we can realize the monitor of the filter distortion characteristics.The pre-distortion unit uses the non-idealities monitored to change the filter parameter and compensate the distortion resulted by filter in the channel effectivel.

pre-distortion；filter；amplitude-frequency；group delay；monitor

TN820.2

A

1674－6236（2016）03-0133-04

2015-03-26稿件編號：201503355

劉 晗（1988—），男，吉林大安人，碩士研究生。研究方向：空間導航技術。