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摘 要：載波跟蹤環(huán)路設(shè)計是GPS 接收機中的關(guān)鍵技術(shù)，載波環(huán)鑒別器的類型確定了跟蹤環(huán)的類型，為了有效地防止因為數(shù)據(jù)跳變引起的鑒別誤差，并且使其頻率鑒別范圍大，精度高，采用一種二階鎖頻環(huán)( FLL) 輔助三階鎖相環(huán)( PLL) 的方法。
通過Matlab 仿真載波環(huán)路比較了兩種鑒頻和鑒相算法的性能。結(jié)果表明，該方法鑒別范圍大，精度高，切實可行。
0 引 言
隨著GPS 衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的逐步發(fā)展，對導(dǎo)航接收機關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)必將縮短衛(wèi)星導(dǎo)航終端產(chǎn)品的研發(fā)周期，推進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。在GPS 接收機中利用何種技術(shù)來快速跟蹤衛(wèi)星多普勒頻偏的變化是面臨的主要挑戰(zhàn)。載波跟蹤環(huán)路設(shè)計是GPS 接收機中非常重要的環(huán)節(jié)，其性能的好壞直接影響到接收機的靈敏度。
本文通過GPS 接收機中載波跟蹤環(huán)路的設(shè)計與研究，討論載波跟蹤環(huán)路的實現(xiàn)方法和需要注意的細(xì)節(jié),最后經(jīng)過Matlab 仿真比較了幾種鑒頻和鑒相算法的性能，證明本文采用的算法正確合理，且適應(yīng)高動態(tài)環(huán)境下對GPS 信號的跟蹤。
1 載波跟蹤環(huán)路基本模型
GPS 接收機完成對信號的捕獲、碼跟蹤后進(jìn)入載波跟蹤環(huán)路，圖1 給出了載波跟蹤環(huán)路的基本模型。
載波預(yù)檢測積分時間、載波環(huán)鑒別器和載波環(huán)濾波器決定了載波跟蹤環(huán)的特性。為了容忍動態(tài)應(yīng)力，預(yù)檢測積分時間應(yīng)當(dāng)短，鑒別器應(yīng)為一個FLL，載波環(huán)濾波器的帶寬應(yīng)當(dāng)寬，但是為了使載波測量精確，預(yù)檢測積分時間應(yīng)當(dāng)長，鑒別器應(yīng)為一個PLL，且載波環(huán)濾波器帶寬應(yīng)當(dāng)窄。為了解決這個矛盾，本文采用了一種二階FLL 輔助三階鎖相PLL 的方法，使環(huán)路從FLL有效過渡到PLL，既保證了接收機的動態(tài)性能，又提高了載波測量的精度。
圖1 GPS 接收機載波跟蹤環(huán)方框圖
2 頻率鑒別器
FLL 通過復(fù)現(xiàn)衛(wèi)星近似的頻率來完成載波剝離過程，信號I 和Q 的采樣時間不應(yīng)跨越數(shù)據(jù)比特的跳變,在初始信號捕獲期間，接收機并不知道數(shù)據(jù)跳變的邊界在哪里。在完成比特同步的同時，與相位鎖定相比,一般說來更易與衛(wèi)星信號保持頻率鎖定。常用的頻率鑒別器為四象限反正切鑒別器，其表達(dá)式為：
式中: cr ss = I ps1×Qps2 - I ps2 Qps1 ；dot = I ps1×I ps2 + Qps1×Qps2 ；I ps1 和Qps1 是在時刻t 1 下的相關(guān)值;I ps2 和Qps2 是在時刻t2 下的相關(guān)值；t2- t1 為預(yù)檢測積分時間。
采用這種鑒別器，t1 和t2 時刻的相關(guān)值采樣應(yīng)該在同一數(shù)據(jù)比特時間區(qū)間內(nèi)，但是初始捕獲階段接收機不知道數(shù)據(jù)跳變的邊界，所以本文采用二象限反正切鑒別器，有效防止了因數(shù)據(jù)跳變引起的頻率鑒別誤差，其表達(dá)式為：
3 相位鑒別器
PLL 通過復(fù)現(xiàn)衛(wèi)星的準(zhǔn)確相位和頻率( 已變換到中頻) 來完成載波剝離功能。因為CoSTas 鎖相環(huán)對數(shù)據(jù)調(diào)制不敏感，所以本文采用Costas 鎖相環(huán)，常用的鑒別器如表1 所示。
表1 常用Costas 環(huán)鑒別器
因為二象限反正切鑒別器的輸入誤差范圍在±90°區(qū)間上保持線性，所以本文采用二象限反正切鑒別器。
4 載波環(huán)濾波器
環(huán)路濾波器的作用是降低噪聲，以便對原始信號進(jìn)行精確估計，其階數(shù)和帶寬決定了它對信號的動態(tài)響應(yīng)。為了使接收機適應(yīng)高動態(tài)環(huán)境，本文采用二階FLL 輔助三階PLL 的環(huán)路濾波器，其原理框圖見圖2。
環(huán)路濾波器的特性見表2。
接收機完成捕獲、碼跟蹤后進(jìn)入載波跟蹤模塊，由于此時多普勒頻移較大，所以FLL 與PLL 同時工作，給環(huán)路濾波器輸入頻差和相差，當(dāng)頻率誤差減小到PLL 可以容忍的范圍時，將環(huán)路濾波器的輸入頻差設(shè)為零，即環(huán)路轉(zhuǎn)變?yōu)榧働LL 跟蹤模式。
表2 環(huán)路濾波器特性
來源：國外電子元器件
