劉晗，張立新

（中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院 陜西 西安　710100）

面向?yàn)V波器預(yù)失真的導(dǎo)航信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)

劉晗，張立新

（中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院 陜西 西安710100）

導(dǎo)航發(fā)射信道存在一定的非理想特性，這些非理想特性會(huì)給導(dǎo)航信號(hào)帶來(lái)失真，預(yù)失真技術(shù)通過(guò)補(bǔ)償信道的失真特性來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)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(shí)延特性會(huì)給導(dǎo)航信號(hào)引入線性失真，通過(guò)分析失真信號(hào)的幅度譜和相位譜實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波器失真特性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，預(yù)失真單元可以根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的非理想特性改變?yōu)V波器參數(shù)，從而達(dá)到有效補(bǔ)償信道中濾波器引入失真的效果。

預(yù)失真；濾波器；幅頻；群時(shí)延；監(jiān)測(cè)

由于BOC調(diào)制是一種能夠很好的解決信號(hào)之間相互干擾、頻譜混疊從而共享頻帶的調(diào)制體制，隨著用戶對(duì)于導(dǎo)航精度要求的不斷提高，BOC調(diào)制信號(hào)在全球?qū)Ш叫l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）新體制中被廣泛使用。導(dǎo)航信號(hào)經(jīng)過(guò)發(fā)射信道會(huì)產(chǎn)生失真，該失真主要由導(dǎo)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(shí)延波動(dòng)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(guò)研究失真信號(hào)的功率譜、星座圖和SCB曲線分析濾波器對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響，并通過(guò)監(jiān)測(cè)信號(hào)的幅度譜和相位譜計(jì)算得到濾波器的幅頻、相頻及群時(shí)延特性，將實(shí)時(shí)計(jì)算得到的濾波器特性傳送給預(yù)失真單元，從而實(shí)現(xiàn)有效補(bǔ)償信道中濾波器非理想特性的效果。

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

1　濾波器非理想特性對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的影響

導(dǎo)航信號(hào)的失真是由信道的非理想特性引起的，綜合國(guó)內(nèi)外各大導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航發(fā)射信道模型，可將一般的導(dǎo)航發(fā)射信道模型簡(jiǎn)化為如圖1所示［3-4］。由此可以分析各個(gè)功能模塊部件非理想特性對(duì)導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量的影響。

濾波器和HPA是引入信號(hào)失真最主要的器件，文章主要研究濾波器非理想特性對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的影響，并通過(guò)失真信號(hào)的幅度譜和相位譜監(jiān)測(cè)濾波器的幅頻、相頻特性，從而為濾波器的預(yù)失真技術(shù)提供參數(shù)需求。

導(dǎo)航信號(hào)采用BOC調(diào)制信號(hào)體制，并由幾路BOC信號(hào)經(jīng)恒包絡(luò)調(diào)制而成，以我國(guó)Compass系統(tǒng)B1信號(hào)為例，理想的B1信號(hào)由B1cd（BOC（1，1））、B1cp（TMBOC（6，1，4/33））和B1a（BOC（14，2））經(jīng)恒包絡(luò)調(diào)制而成。B1cd和B1cp位于I支路，B1a和用于恒包絡(luò)調(diào)制的積信號(hào)位于Q支路上，I、Q兩個(gè)支路的基帶信號(hào)經(jīng)數(shù)字中頻調(diào)制后形成B1恒包絡(luò)調(diào)制的合路信號(hào)。理想B1信號(hào)的功率譜和星座圖如圖2所示。

濾波器的幅頻特性和群時(shí)延特性會(huì)給信號(hào)引入失真，IIR濾波器同時(shí)具備這兩種非理想特性，文中通過(guò)模擬 IIR濾波器來(lái)研究導(dǎo)航信號(hào)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(nèi)波動(dòng)為1 dB，帶外抑制為-30 dB，濾波器的幅頻、群時(shí)延特性如圖3所示。

理想信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器后得到的失真信號(hào)的功率譜和星座圖如圖4所示。

圖2　理想信號(hào)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(shí)延Fig.3　Amplitude-frequency and group delay of filter

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

B1信號(hào)由幾路BOC信號(hào)調(diào)制，現(xiàn)選取其中一路的BOC （1，1）信號(hào)的SCB曲線研究濾波器對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的影響。導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射信道引入的失真導(dǎo)致碼相關(guān)函數(shù)變形，碼相關(guān)函數(shù)的變形導(dǎo)致接收機(jī)超前-滯后碼跟蹤環(huán)路產(chǎn)生相應(yīng)的跟蹤誤差。其主要原因?yàn)椋撼?滯后形式的碼跟蹤環(huán)路，由于失真的相關(guān)函數(shù)左右不對(duì)稱性導(dǎo)致碼鑒相器的過(guò)零點(diǎn)與當(dāng)前碼相關(guān)函數(shù)的最大值存在一定偏差，該偏差使實(shí)際接收機(jī)的跟蹤位置與理想相關(guān)最大值存在一個(gè)時(shí)間差，導(dǎo)致接收機(jī)本地復(fù)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(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射信道失真引起的測(cè)距誤差的指標(biāo)。BOC（1，1）信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器后的SCB曲線如圖5所示。

圖4　失真信號(hào)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(hào)的SCB曲線偏移達(dá)到10幾個(gè)ps的數(shù)量級(jí)。通過(guò)以上的仿真分析，驗(yàn)證了濾波器的幅頻和群時(shí)延特性給導(dǎo)航信號(hào)帶來(lái)了失真。

2　濾波器非理想特性監(jiān)測(cè)

預(yù)失真技術(shù)通過(guò)補(bǔ)償濾波器的失真特性來(lái)改善導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量。由于溫度變化、硬件故障等一些問(wèn)題的出現(xiàn)，會(huì)使濾波器的非理想特性產(chǎn)生變化，超出預(yù)失真所能補(bǔ)償?shù)姆秶?，此時(shí)經(jīng)發(fā)射信道得到的導(dǎo)航信號(hào)將會(huì)引起導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)距誤差，影響用戶的定位精度［5］。因此需要對(duì)濾波器的非理想特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)變化的非理想特性調(diào)整預(yù)失真單元的補(bǔ)償范圍，從而使導(dǎo)航發(fā)射信號(hào)質(zhì)量符合指標(biāo)要求。

圖5　失真信號(hào)的SCB曲線Fig.5　SCB curve of distortion signal

設(shè)計(jì)如圖6所示的監(jiān)測(cè)接收機(jī)來(lái)監(jiān)測(cè)信號(hào)的功率譜、群時(shí)延以及SCB曲線，通過(guò)分析失真信號(hào)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(yù)失真單元，當(dāng)導(dǎo)航發(fā)射信號(hào)質(zhì)量達(dá)不到指標(biāo)要求時(shí)，預(yù)失真單元就根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的非理想特性改變?yōu)V波器參數(shù)，從而達(dá)到有效補(bǔ)償信道中濾波器引入失真的效果。

圖6　監(jiān)測(cè)接收機(jī)配置Fig.6　Monitoring receiver configuration

功率譜可以反映信號(hào)的幅度特性，通過(guò)分析失真信號(hào)的功率譜來(lái)表征濾波器的幅頻特性；群時(shí)延表征了濾波器的相頻特性，是預(yù)失真在工程應(yīng)用中最重要的補(bǔ)償參數(shù)，通過(guò)計(jì)算失真信號(hào)與理想信號(hào)的相位譜差，利用群時(shí)延計(jì)算公式求出信號(hào)群時(shí)延，并用來(lái)表征濾波器的群時(shí)延特性。將得到的這兩種特性傳輸給預(yù)失真單元，當(dāng)預(yù)失真單元無(wú)法完全補(bǔ)償濾波器在幅頻和相頻中引入的失真時(shí)，就可以通過(guò)監(jiān)測(cè)單元傳輸給預(yù)失真單元的參數(shù)調(diào)整預(yù)失真濾波器補(bǔ)償范圍，從而得到符合指標(biāo)要求的導(dǎo)航信號(hào)。

2.1功率譜監(jiān)測(cè)

功率譜可以反映信號(hào)的幅度特性，通過(guò)失真信號(hào)的功率譜與理想信號(hào)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(hào)的功率譜，Pideal為理想信號(hào)的功率譜，Hpower為求得的濾波器幅頻特性。功率譜監(jiān)測(cè)的仿真采用B1信號(hào)，濾波器選擇如圖3所示的巴特沃茲濾波器，理想信號(hào)和失真信號(hào)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(jì)Fig.7　Filter amplitude-frequency estimate

由仿真結(jié)果可知，通過(guò)信號(hào)功率譜計(jì)算出的濾波器幅頻特性與圖3中濾波器真實(shí)的幅頻特性基本符合，通過(guò)式（2）求得H（f）的作為監(jiān)測(cè)參數(shù)傳給預(yù)失真單元，當(dāng)信號(hào)質(zhì)量達(dá)不到指標(biāo)要求時(shí)，將H-1（f）作為預(yù)失真濾波器的幅頻特性，理想信號(hào)經(jīng)過(guò)逆濾波器及發(fā)射信道中的濾波器后就可得到補(bǔ)償信號(hào)。

2.2群時(shí)延監(jiān)測(cè)

群時(shí)延對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響為濾波器的主要影響，不同形狀的群時(shí)延特性對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響各不相同［6］。在實(shí)際的預(yù)失真補(bǔ)償技術(shù)中，群時(shí)延是非常重要的技術(shù)指標(biāo)，對(duì)濾波器的預(yù)失真主要就是進(jìn)行群時(shí)延預(yù)失真。由于理想信號(hào)的群時(shí)延為0，通過(guò)計(jì)算理想信號(hào)和失真信號(hào)的相頻特性φ（ω）ideal、φ （ω）dis，求得信號(hào)失真前后的相頻特性差dφ（ω），由公式（3）即可求出信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器后的群時(shí)延特性變化。

式中dφ（ω）為失真信號(hào)與理想信號(hào)的相位差，τ（ω）為群時(shí)延。

圖8　濾波器群時(shí)延特性估計(jì)Fig.8　Filter group delay estimate

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

由仿真結(jié)果可知，計(jì)算得出的群時(shí)延與圖3中的濾波器真實(shí)群時(shí)延特性基本符合，因此通過(guò)這種方法很好的反映了濾波器的群時(shí)延特性，將此群時(shí)延特性反饋給預(yù)失真單元，當(dāng)信號(hào)質(zhì)量達(dá)不到指標(biāo)要求時(shí)，將-作為預(yù)失真濾波器的群時(shí)延特性，理想信號(hào)經(jīng)過(guò)逆濾波器及發(fā)射信道中的濾波器后就可得到相位補(bǔ)償。

3　結(jié)束語(yǔ)

濾波器是導(dǎo)航信道中引入失真的重要器件，通過(guò)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)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(duì)導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量的影響。濾波器給導(dǎo)航信號(hào)帶來(lái)的失真可以通過(guò)預(yù)失真技術(shù)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，但由于溫度變化、硬件故障等一些問(wèn)題的出現(xiàn)，會(huì)使濾波器的非理想特性產(chǎn)生變化。根據(jù)信號(hào)的功率譜和相位譜與濾波器幅頻、群時(shí)延的關(guān)系，通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)信號(hào)的功率譜和群時(shí)延可以很好的反映濾波器的幅頻和群時(shí)延特性，將這些非理想特性反饋給預(yù)失真單元，當(dāng)信號(hào)質(zhì)量達(dá)不到指標(biāo)要求時(shí)，就可以根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的參數(shù)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。

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

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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(hào)：201503355

劉 晗（1988—），男，吉林大安人，碩士研究生。研究方向：空間導(dǎo)航技術(shù)。