摘 要：文章提出了一種用于提高GNSS接收機(jī)基帶處理電路捕獲和跟蹤效率的設(shè)計(jì)方法，采用優(yōu)化的混合串并行時(shí)分復(fù)用、延遲鎖定環(huán)（DLL）和鎖相環(huán)（PLL）等設(shè)計(jì)方法，從而減小基帶處理電路的硬件規(guī)模，降低消耗，使GNSS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)提高捕獲速度和定位精度的目的。

關(guān)鍵詞：GNSS信號(hào)；基帶處理；捕獲；跟蹤；混合串并行時(shí)分復(fù)用

1 GNSS信號(hào)捕獲模塊的設(shè)計(jì)

GNSS信號(hào)的捕獲實(shí)際上是一個(gè)粗同步過(guò)程，通過(guò)粗同步可將接收信號(hào)與本地信號(hào)的相位之差縮小到PN碼的一個(gè)碼片或更小范圍內(nèi)。為提高硬件的使用率、減少硬件的規(guī)模和提高捕獲的速度，采用優(yōu)化的混合串并行時(shí)分復(fù)用的捕獲技術(shù)，如圖1所示，假設(shè)衛(wèi)星偽碼長(zhǎng)度為N，碼速率為f，則碼周期為N/f（s）。為了不丟失信號(hào)中攜帶的有用信息，選擇奈奎斯特采樣定理所要求的采樣速率Af（A≥2）進(jìn)行采樣。碼長(zhǎng)為N的序列經(jīng)過(guò)Af采樣后就得到了長(zhǎng)度為A×N的序列，如果按照純并時(shí)處理，需要A×N個(gè)并行的寄存器，這對(duì)于序列長(zhǎng)度較長(zhǎng)的序列來(lái)說(shuō)，硬件開(kāi)銷(xiāo)很大，因此要使用第一重時(shí)分復(fù)用，即利用少數(shù)的寄存器實(shí)現(xiàn)對(duì)碼序列中的所有碼的搜索。

第一重時(shí)分復(fù)用：選擇寄存器的長(zhǎng)度為B（要求B至少是N的因數(shù)，這樣可以提高硬件使用率），B也是并行捕獲的長(zhǎng)度（B也稱(chēng)為碼循環(huán)時(shí)分復(fù)用因子），如果共享B個(gè)寄存器，則長(zhǎng)度為A×N的序列分為M=■段，而且完成每一段需要的時(shí)間是■，這些寄存器一次可以對(duì)B個(gè)1/A碼片執(zhí)行相關(guān)運(yùn)算。經(jīng)過(guò)復(fù)用這組寄存器M次，就可以對(duì)A×N個(gè)碼全部執(zhí)行一次相關(guān)運(yùn)算。此外，考慮到接收機(jī)接收到的信號(hào)是包含多顆衛(wèi)星信號(hào)（假設(shè)為C顆衛(wèi)星）的混合信號(hào)，對(duì)于B個(gè)1/A碼片的采樣數(shù)據(jù)而言，其中包含了C顆衛(wèi)星的部分偽碼信息。因此，需要再使用第二重時(shí)分復(fù)用，即在每一個(gè)B個(gè)1/A碼片的時(shí)間范圍內(nèi)，通過(guò)時(shí)分復(fù)用的方式與不同衛(wèi)星偽碼進(jìn)行相關(guān)。

第二重復(fù)用：假設(shè)接收機(jī)接收到的信號(hào)中包含C顆衛(wèi)星的信號(hào)，則把每一段時(shí)間片段（B個(gè)1/A碼片）再分為C段，這時(shí)每一段的時(shí)間就變?yōu)椤雒?，也就是在每■秒鐘?nèi)完成一顆衛(wèi)星部分碼相位的搜索，這樣通過(guò)時(shí)分復(fù)用的方式，可以在■秒內(nèi)完成C顆衛(wèi)星部分碼相位的搜索。由于在每■秒內(nèi)只能搜索一顆衛(wèi)星的部分相位，所以如果只搜索一個(gè)相位，則搜索速度會(huì)比較慢，因此需要使用第三重復(fù)用技術(shù)來(lái)加快搜索速度。

第三重復(fù)用：假設(shè)在每■秒內(nèi)能搜索D（要求D是N的某個(gè)因子的整數(shù)倍數(shù)）個(gè)不同相位，則要想提高搜索速度，就必須要求D個(gè)不同相位能夠在■秒內(nèi)全部搜索完。因此，如果把每一個(gè)相位搜索所需要的時(shí)間限制在■秒內(nèi)，即使用時(shí)分復(fù)用的技術(shù)，則在■秒內(nèi)可搜索完D個(gè)不同的相位。

2 GNSS信號(hào)跟蹤模塊的設(shè)計(jì)

GNSS信號(hào)的跟蹤是一個(gè)精同步的過(guò)程。接收機(jī)通道在完成了捕獲以后，得到粗同頻的碼相位，其誤差值優(yōu)于0.5個(gè)碼片，但這個(gè)誤差對(duì)于信號(hào)解調(diào)來(lái)說(shuō)是不可接受的。此外，由于多普勒效應(yīng)的影響，這個(gè)誤差還會(huì)擴(kuò)大。為保證與衛(wèi)星信號(hào)的精確同頻，本地振蕩器還必須隨衛(wèi)星信號(hào)頻率的變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為跟蹤。跟蹤分為碼跟蹤和載波跟蹤，分別由不同的環(huán)路完成。碼跟蹤環(huán)采用延遲鎖定環(huán)（DLL），碼跟蹤環(huán)為了使接收機(jī)擴(kuò)頻碼序列同步，一般采用3個(gè)E-P-L相關(guān)器模式，其中即時(shí)相關(guān)器（即P相關(guān)器）的相關(guān)結(jié)果用于解調(diào)數(shù)據(jù)，超前相關(guān)器（即E相關(guān)器）和滯后相關(guān)器（L相關(guān)器）用來(lái)調(diào)整碼跟蹤相位差。用超前相關(guān)器的相關(guān)結(jié)果和滯后相關(guān)器的相關(guān)結(jié)果之差可確定輸入超前相關(guān)器和滯后相關(guān)器的擴(kuò)頻碼序列的一定時(shí)間內(nèi)的細(xì)微差別，用于產(chǎn)生誤差信號(hào)：e（？子）=RL（？子）-RE（？子），其中RL（？子）為滯后相關(guān)器的輸出，RE（？子）為超前相關(guān)器的輸出，如圖1所示，輸出信號(hào)e（？子）用來(lái)調(diào)整信號(hào)驅(qū)動(dòng)壓控振蕩器，壓控振蕩器輸出誤差電壓Ve（t）可以調(diào)節(jié)PN碼發(fā)生器的時(shí)鐘。當(dāng)PN碼發(fā)生器的相位落后于輸入序列的相位時(shí)，誤差電壓Ve（t）會(huì)使時(shí)鐘加快，由時(shí)鐘控制的本地碼隨之加速，直到本地碼“對(duì)齊”接收碼為止。若PN碼發(fā)生器的相位超前，則誤差電壓Ve（t）會(huì)使時(shí)鐘減慢，由時(shí)鐘信號(hào)控制的本地碼隨之減速，直到本地碼“對(duì)齊”接收碼為止。此時(shí)，本地碼發(fā)生器所輸出的本地碼G'（t）便等效于接收碼G（t）。至此，偽噪聲碼跟蹤環(huán)電路便達(dá)到了跟蹤偽噪聲碼的目的，其跟蹤精度達(dá)十分之一碼元甚至更高。載波跟蹤環(huán)采用由鎖相環(huán)（PLL）或正交-同相環(huán)（COSTAS環(huán)）組成。載波跟蹤環(huán)以鑒相器輸出的相位誤差函數(shù)Ve（t）作為調(diào)整量來(lái)控制壓控振蕩器，相位誤差函數(shù)的零點(diǎn)就是跟蹤環(huán)路的穩(wěn)定點(diǎn)。當(dāng)被跟蹤信號(hào)的載波相位？漬s變化時(shí)，鎖相環(huán)電路能及時(shí)調(diào)整參數(shù)，保持與被跟蹤信號(hào)的相位一致，從而完成對(duì)衛(wèi)星信號(hào)載波相位的鎖定。所圖2所示，來(lái)自碼跟蹤環(huán)路的解擴(kuò)信號(hào)分別送至同相乘法器M1和正交乘法器MQ，壓控振蕩器的振蕩信號(hào)uc=sin？棕t，信號(hào)的幅度為I，它分別送至M1和MQ，只是因?yàn)樗偷秸怀朔ㄆ鞯男盘?hào)經(jīng)過(guò)90°相移后變成了cos？棕0t。

乘法器輸出的兩信號(hào)經(jīng)過(guò)各自的低通濾波器后，變?yōu)?/p>

這兩個(gè)信號(hào)同時(shí)送到差分乘法器Md。后者輸出的誤差電壓為

誤差電壓ud經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器和環(huán)路乘法器Mp的濾波和補(bǔ)償作用，送到壓控振蕩器（VCO）的控制端作為控制信號(hào)控制輸出頻率的調(diào)整量，當(dāng)VCO的振蕩頻率被鎖定在中頻信號(hào)的中心頻率上時(shí)，？漬=0。這時(shí)載波跟蹤環(huán)路相位鎖定，從而可以達(dá)到跟蹤載波的目的。這樣同相乘法器M1經(jīng)過(guò)低通濾波器輸出的信號(hào)才是一個(gè)純凈的數(shù)據(jù)碼在D（t），進(jìn)而可以解譯得到衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)GNSS接收機(jī)基帶處理電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析與探討，采用優(yōu)化的混合串并行時(shí)分復(fù)用方法對(duì)GNSS信號(hào)進(jìn)行捕獲，采用延遲鎖定環(huán)（DLL）的碼跟蹤方法和鎖相環(huán)（PLL）的載波跟蹤方法對(duì)GNSS信號(hào)進(jìn)行跟蹤，從而減小基帶處理電路的硬件規(guī)模，降低消耗，使GNSS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)提高捕獲速度和定位精度的目的。

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