導(dǎo)航載荷線性失真對(duì)BOC信號(hào)影響的研究
2012-04-12 00:00:00郭媛媛王崗謝軍
現(xiàn)代電子技術(shù) 2012年5期
摘 要：導(dǎo)航載荷的非理想特性使傳輸信號(hào)發(fā)生失真，影響信號(hào)的跟蹤性能，帶來(lái)定位誤差。在Matlab軟件平臺(tái)上仿真分析，利用定時(shí)偏移、S曲線偏移、功率損失、相關(guān)損失、S曲線斜率等參數(shù)，評(píng)估了導(dǎo)航載荷線性失真(幅度、相位和群時(shí)延)對(duì)BOC信號(hào)跟蹤性能的影響機(jī)理和程度，對(duì)導(dǎo)航載荷設(shè)計(jì)過(guò)程中能容忍的線性失真的程度有指導(dǎo)作用，進(jìn)而約束了各單元器件的技術(shù)指標(biāo)，有一定的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：導(dǎo)航載荷; 線性失真; S曲線; 跟蹤誤差
中圖分類號(hào)：
TN96134
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1004373X(2012)05
0032
04
Research on impact of navigation payload linear distortion on BOC signal
GUO Yuanyuan1， WANG Gang1， XIE Jun2
(1.Xi’an Branch，China Academy of Space Technology， Xi’an 710000， China; 2.China Academy of Space Technology， Beijing 100094， China)
Abstract：
The nonideality of navigation payload which causes distortion of signal transmission， influences signal tracking performance and produces positioning error. By simulating and analyzing MATLAB， using timing offset， S curve bias， power loss， correlation loss and S curve slope to assess the impact of linear distortion(amplitude， phase and group delay) on BOC signal tracking performance， thus give recommendations on the degree of bearable linear distortion during navigation payload design process and bound the single components' technical specifications. It is of some practical value.
Keywords： navigation payload; linear distortion; S curve; tracking error
收稿日期：20111012
0 引 言
為了提供精確定位服務(wù)，衛(wèi)星導(dǎo)航載荷必須提供連續(xù)，準(zhǔn)確和高完好性的信號(hào)。傳輸路徑的非理想效應(yīng)是定位精度的限制因素。星載導(dǎo)航載荷的非理想特性使傳輸信號(hào)發(fā)生失真，從而使接收信號(hào)與本地復(fù)現(xiàn)信號(hào)不匹配。這種不匹配的主要后果是跟蹤性能的惡化。失真信號(hào)與本地復(fù)現(xiàn)信號(hào)的不匹配會(huì)改變延遲鎖定環(huán)(DLL)的鑒相特性，使DLL的輸出(S曲線)的過(guò)零點(diǎn)與接收信號(hào)和本地復(fù)現(xiàn)信號(hào)相關(guān)曲線的峰值不對(duì)應(yīng)，這種偏移被稱為“定時(shí)偏移”(TO)，針對(duì)不同的導(dǎo)航載荷配置不同的相關(guān)器間隔得到的定時(shí)偏移的最大值被定義為“S曲線偏移”(SCB)［1］。同時(shí)，功率損失(PL)，相關(guān)損失(CL)，S曲線斜率也是值得評(píng)估的參數(shù)。
為了評(píng)估對(duì)上述參數(shù)影響最大的導(dǎo)航載荷失真因素，本文借鑒文獻(xiàn)［2］提出的評(píng)估導(dǎo)航載荷非理想特性的仿真框架，利用Matlab軟件進(jìn)行了仿真分析，評(píng)估了線性失真(幅度、相位和群延遲)對(duì)BOC信號(hào)的影響。
1 導(dǎo)航載荷仿真模型
一般導(dǎo)航載荷鏈框圖如圖1所示［3］。
其中，最重要的單元是導(dǎo)航信號(hào)產(chǎn)生單元(NSGU)，頻率生成和上變頻器單元(FGUU)，高功率放大器(HPA)，輸出多工器(OMUX)和天線(ANT)。每個(gè)單元引入以下失真進(jìn)而造成了總的信號(hào)失真：
(1) 線性失真，如幅度、相位和群時(shí)延波動(dòng)失真，主要由信號(hào)發(fā)生器、濾波器、多工器和天線引入。
(2) 非線性無(wú)記憶失真，由高功率放大器引入。由于高功放帶寬比信號(hào)帶寬寬很多，因此不存在頻率選擇性，其非線性可認(rèn)為是無(wú)記憶的。
將線性失真等效為濾波器的幅度、相位和群時(shí)延特性，可以得到如圖2所示的導(dǎo)航載荷仿真框圖［4］，包括三個(gè)主要模塊：
(1) 理想的信號(hào)發(fā)生器，“理想”意味著不考慮來(lái)自該模塊的失真。其實(shí)它們都被納入到了導(dǎo)航載荷模塊。
(2) 導(dǎo)航載荷模塊。
(3) 理想的接收機(jī)模塊，模擬開環(huán)非相干DLL，“理想”是指沒(méi)有載波頻率偏移或熱噪聲的存在。
產(chǎn)生的信號(hào)送入導(dǎo)航載荷模型，它由三個(gè)主要分塊構(gòu)成：
(1) 前置濾波器，模擬高功放之前的線性失真，主要是由NSGU和FGUU引入的。
(2) 高功率放大器(HPA)的模塊。
(3) 后置濾波器，模擬高功放之后的線性失真，主要來(lái)自于OMUX和ANT。
最后，理想接收機(jī)實(shí)現(xiàn)了接收信號(hào)的捕獲(存在熱噪聲的情況下)和DLL的開環(huán)跟蹤。該模塊的輸出是S曲線，從它可以估計(jì)定時(shí)偏移(TO)和S曲線偏移(SCB)。
導(dǎo)航載荷模塊是整個(gè)仿真框架的核心，主要包括以下幾個(gè)部分：
(1) HPA前/后置濾波器
線性失真可通過(guò)不同類型的濾波器模擬，如標(biāo)準(zhǔn)FIR/IIR數(shù)字濾波器(巴特沃斯、切比雪夫)，只要給定它們的主要參數(shù)(帶寬、滾降系數(shù)、波紋等)或帶寬有限的FIR濾波器，其頻率響應(yīng)是以表格形式輸入的。使用標(biāo)準(zhǔn)的濾波器大大簡(jiǎn)化了過(guò)濾器的定義，并能快速估計(jì)其對(duì)S曲線偏差的影響。
(2) 高功率放大器
無(wú)記憶高功率放大器可通過(guò)查找表存儲(chǔ)所需放大器的AM/AM和AM/PM傳輸特性來(lái)模擬。這種方法能夠仿真不同種類的HPA(TWTA，SSPA)，只要提供適當(dāng)?shù)腁M/AM和AM/PM傳輸特性。由于篇幅限制，本文僅分析線性失真(振幅、相位和群延遲)對(duì)單路BOC信號(hào)的影響。不考慮實(shí)際的物理模型，僅從信號(hào)處理的角度出發(fā)，可采用圖3所示的仿真模型［5］。
2 評(píng)估參數(shù)
為了評(píng)估信號(hào)失真對(duì)碼跟蹤精度的影響，本文采用非相干DLL的S曲線斜率和偏移以及相關(guān)損失進(jìn)行評(píng)估。作為導(dǎo)航載荷規(guī)范的重要參數(shù)［6］，本文也考察了功率損失。
對(duì)于周期為T的理想信號(hào)Sin(t)的和經(jīng)過(guò)失真處理后的輸出信號(hào)Sout(t)，功率損失(PL)被定義為:
式中
Pk是Sin中的Sin，k分量的相對(duì)功率。
S曲線分析是基于一個(gè)最普遍的接收機(jī)概念——非相干DLL的跟蹤回路［7］。遲早間隔為δ的DLL的鑒別函數(shù)或歸一化S曲線(SC)由式(4)給出：
3 仿真分析
本文仿真采用BOC(10，5)基帶信號(hào)，采樣率為1 023 MHz，時(shí)間長(zhǎng)度為一個(gè)CA碼周期，即1 ms。
3.1 幅度失真
典型的幅度失真的類型有幅度波紋、拋物面幅度、幅度斜坡等，本文僅對(duì)幅度波紋做詳細(xì)分析。
幅度波紋的頻率響應(yīng)H(f)定義為：
從以上的分析推導(dǎo)，可以得出以下結(jié)論：
(1) 上述方程與輸入信號(hào)的Sin(t)的形狀無(wú)關(guān)。
(2) 考慮到BOC(m，n)信號(hào)自相關(guān)函數(shù)ACF的特性，當(dāng)波紋周期Δf與碼速率相比擬時(shí)，對(duì)于固定的n/m，所有評(píng)估參數(shù)(CL，PL和dSlope)與n無(wú)關(guān)。
圖4給出了各評(píng)估參數(shù)隨A變化的趨勢(shì)。
圖4 振幅紋波對(duì)評(píng)估參數(shù)的影響
3.2 相位失真
典型的相位失真類型有相位波紋、拋物線相位、立方相位等，本文僅對(duì)立方相位做詳細(xì)分析。
立方相位的幅頻響應(yīng)如式(12)所示：
H(f)=exp－j23πτ(fc+s)fc+sf－f0fc+s3
(12)
式中:在頻率fs+c處的群時(shí)延為τ(fc+s)，相對(duì)中心頻率的偏移為f0。相應(yīng)的相頻響應(yīng)和群時(shí)延如圖5所示。
圖6顯示出輸出信號(hào)發(fā)生了不對(duì)稱的失真，相應(yīng)的S曲線出現(xiàn)了平滑效應(yīng)，S曲線斜率隨著鑒相間隔的改變劇烈變化且不對(duì)稱。
從圖7的仿真結(jié)果可以看出，隨著群時(shí)延斜率的增加，S曲線斜率劇烈變化。由于相位的奇對(duì)稱，S曲線偏移不再由輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)的延遲決定，而是包括了由S曲線不對(duì)稱引入的偏差。最終的偏差與τ(fc+s)關(guān)系密切，即使群時(shí)延很小。CL受τ(fc+s)影響較大。
3.3 橢圓濾波器線性失真
橢圓濾波器是一種頻率特性最常見(jiàn)的微波濾波器［10］。一般橢圓濾波器的群延遲響應(yīng)有以下特征：通帶內(nèi)的拋物線特征，可通過(guò)立方相位響應(yīng)FIR濾波器來(lái)模擬；通帶邊緣的耳狀特征，可以通過(guò)有耳狀群時(shí)延特性的FIR濾波器模型來(lái)模擬。同時(shí)，橢圓濾波器很容易滿足通帶損失小于1 dB，阻帶衰減多達(dá)幾十分貝，過(guò)渡帶陡峭的幅頻響應(yīng)，可用來(lái)分析帶限和群時(shí)延共同作用引入的線性失真的影響。
圖8顯示了橢圓濾波器的幅頻響應(yīng)和群延遲特性，這是一個(gè)6階橢圓濾波器，通帶內(nèi)的損失不超過(guò)0.5 dB，阻帶衰減50 dB。對(duì)BOC(m，n)信號(hào)，通帶邊緣頻率fp應(yīng)滿足：2*fp/fc+s取值為1~5，其中fc+s=(m+n)*1.023 MHz。
從圖8可見(jiàn)，橢圓濾波器對(duì)相關(guān)損失有強(qiáng)烈的影響，對(duì)BOC信號(hào)來(lái)說(shuō)，帶限到主瓣會(huì)使相關(guān)損失達(dá)到大于1 dB。S曲線斜率也明顯受到帶限的影響，帶限到主瓣會(huì)使S曲線斜率增加。但隨著帶寬的增加，S曲線斜率會(huì)減小。
時(shí)間偏移對(duì)橢圓濾波器引入的線性失真相當(dāng)敏感，尤其是群時(shí)延響應(yīng)失真。然而，當(dāng)相關(guān)器間距趨于零時(shí)，時(shí)間偏移也趨于零。
4 結(jié) 語(yǔ)
為了評(píng)估線性失真對(duì)BOC(m，n)型信號(hào)的影響，采用PL，CL，dSlope和TO這幾個(gè)參數(shù)比較合理。
通過(guò)仿真可以看出，帶限是最關(guān)鍵的失真類型，這也會(huì)出現(xiàn)在任何端到端的實(shí)際系統(tǒng)中，即使是相對(duì)很寬的帶寬，也會(huì)對(duì)碼跟蹤精度造成相當(dāng)?shù)挠绊?。?/p>
總體看來(lái)，典型的線性相位失真對(duì)評(píng)估參數(shù)(CL，dSlope，TO)的影響要比典型的線性幅度失真強(qiáng)烈。但實(shí)際系統(tǒng)中，相位失真總是伴隨著帶限，這可能會(huì)降低系統(tǒng)對(duì)單一相位失真類型的敏感性。
本文研究了導(dǎo)航載荷線性失真效應(yīng)對(duì)BOC信號(hào)跟蹤性能的影響機(jī)理和程度，對(duì)導(dǎo)航載荷設(shè)計(jì)過(guò)程中能容忍的線性失真的程度有指導(dǎo)作用，進(jìn)而約束了各單元器件的技術(shù)指標(biāo)，有一定的實(shí)用價(jià)值。
參 考 文 獻(xiàn)
［1］HOLMES J K. Noncoherent late minus early power code tracking performance with front end filtering \\[C\\]// ION GPS97. Kansas City， Missouri： \\[s.n.\\]， 1997: 1619.
［2］SOELLNER M， KOHL R， LUETKE W. The impact of linear and nonlinear signal distortions on Galileo code tracking accuracy \\[C\\]//ION GPS2002. Portland， OR： \\[s.n.\\]， 2002: 2427.
［3］ANGELETTI P， CASINI E， RAPISARDI M. Results of GALILEO payload analysis \\[M\\]. \\[S.l.\\]: TECETC/2006.49/EC， ESAESTEC， 2007.
［4］ANGELETTI P， CASINI E， RAPISARDI M. A simulation framework for the assessment of navigation payload nonidealities \\[C\\]. \\[S.l.\\]: Proc. of the Navitec Conference， 2008.
(下轉(zhuǎn)第38頁(yè))
