數(shù)字基帶芯片揭秘：高靈敏度接收機跟蹤環(huán)路設計

　　摘要：基于GPS/BD兼容高靈敏度導航產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化項目，對經(jīng)典載波跟蹤環(huán)進行修改，設計實現(xiàn)了高靈敏度跟蹤環(huán)路。將傳統(tǒng)的單點積分數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成一列數(shù)據(jù)，對該數(shù)據(jù)進行FFT變換后，可提高載波頻率的估計精度，從而提高系統(tǒng)的跟蹤靈敏度。并對高靈敏度跟蹤環(huán)路進行仿真分析，證明高靈敏跟蹤環(huán)路對弱信號的跟蹤能力。

　　0 引言

　　全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)GNSS（Global Navigation Satel-lite System）在政治、經(jīng)濟以及軍事等多個領域都具有重要意義。從飛機、汽車到個人手持通信終端，都能看到GNSS定位技術(shù)，GNSS系統(tǒng)在民用領域應用十分廣泛，對國民經(jīng)濟建設也起到了重要作用。目前全球已經(jīng)使用和公開研制的GNSS 系統(tǒng)一共有以下四個，美國的GPS 導航系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS 導航系統(tǒng)、歐盟的GALILEO導航系統(tǒng)和中國的北斗導航系統(tǒng)。

　　隨著技術(shù)的進步、應用需求的增加，衛(wèi)星導航以全天候、自動化、高效率、高精度等顯著特點及其所獨具的定位導航、精密測量、授時校頻等多方面的強大功能，已涉足眾多的應用領域，使衛(wèi)星導航成為了繼蜂窩移動通信和互聯(lián)網(wǎng)之后的全球第三個IT經(jīng)濟新增長點。隨著我國自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)北斗系統(tǒng)建設的全面展開，北斗的應用將迅速推廣，結(jié)合衛(wèi)星導航與通信、多媒體等的多方面需求。面向大眾及行業(yè)的導航應用，研制高性能多模高靈敏度導航基帶芯片及多模導航基帶IP 核，將對提高我國核心導航產(chǎn)品技術(shù)水平和市場占有率，為重大專項典型示范項目提供自主核心芯片和解決方案。

　　天線接收到的GPS 信號功率一般為-130 dBm，但在室內(nèi)、森林、城市等復雜環(huán)境下，GPS信號驗證衰減可達20~30 dB，此時普通GPS 接收機不能實現(xiàn)正確的捕獲和跟蹤。本文基于了高靈敏度數(shù)字基帶芯片的研究背景，對經(jīng)典載波跟蹤環(huán)進行修改，設計實現(xiàn)了高靈敏度跟蹤環(huán)路設計，高靈敏跟蹤環(huán)路接收機實現(xiàn)了正確的捕獲和跟蹤。

　　1 自主跟蹤環(huán)路設計

　　1.1 自主跟蹤環(huán)路設計

　　衛(wèi)星信號由3部分組成：導航電文、偽隨機擴頻（C/A）碼和載波?；鶐盘?a target="_blank">處理器同步過程包括捕獲和跟蹤。捕獲是一個對衛(wèi)星和接收機相對運動引起的載波多普勒頻偏和C/A 碼相位偏移進行粗略估計的二維搜索過程，捕獲完成后這兩個參數(shù)用來初始化跟蹤環(huán)路。

　　跟蹤環(huán)路進行了精確地相位同步和跟蹤，從而實現(xiàn)了載波的剝離和C/A碼的剝離，最終得到了導航電文用于導航解算。

　　自主捕獲通道所得結(jié)果中的衛(wèi)星號、擴頻碼相位這些信息輸入至衛(wèi)星擴頻碼產(chǎn)生器，啟動了擴頻碼序列的產(chǎn)生，包括超前0.5 碼片、即時碼片和滯后0.5 碼片共3 路序列，然后與本地偽碼信號進行相關處理，通過擴頻碼跟蹤環(huán)路與載波跟蹤環(huán)路的有關運算，使載波環(huán)路和碼環(huán)路保持了鎖定狀態(tài)。程序結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　跟蹤環(huán)路包括了載波跟蹤環(huán)和碼跟蹤環(huán)，兩個環(huán)路相互影響，只有兩個環(huán)路同時鎖定時，才能解調(diào)出導航電文。載波跟蹤環(huán)路對環(huán)境噪聲、晶振的相位噪聲和動態(tài)應力等更加敏感，比碼跟蹤環(huán)路更容易失鎖，因此成為接收機的關鍵和設計難點。

　　1.2 碼跟蹤環(huán)路

　　由于碼跟蹤環(huán)DDLL算法可用軟件實現(xiàn)，并能保證偽碼延時精確到1%個碼片內(nèi)。因此，自主碼跟蹤環(huán)采用了此方法進行偽碼相位跟蹤的，即利用本地碼發(fā)生器產(chǎn)生了相位超前、滯后信號并與輸入的信號相關，比較兩支路結(jié)果以獲取碼相位誤差信號來控制碼DCO并產(chǎn)生與輸入碼相位一致的本地碼信號。

　　碼環(huán)鑒相器的輸入為同相/正交支路碼相位超前/滯后的相關信號。碼相關發(fā)生時環(huán)路進入了跟蹤狀態(tài)，假定d = 2δ，d 為相位超前與滯后支路的相位間隔，則超前一滯后型非相干DDLL環(huán)的控制量B（k） 可由式（1）獲得：

　　分別表示鑒相器的增益系數(shù)和鑒相特性函數(shù)。GPS C/A碼的碼長為L = 1 023，BD C/A碼的碼長為L = 2 046，碼元寬度為tc =20 ms，其相關函數(shù)為：

　　由此可得鑒相器的鑒相特性函數(shù)：

　　鑒相特性函數(shù)為相關間隔與碼相位偏差的函數(shù)。

　　若定義（-δ，δ） 為鑒相線性范圍，鑒相特性函數(shù)在ε = 0 處的斜率D′（ε，δ） 為DDLL環(huán)的鑒相增益，Dmax （ε，δ） 為跟蹤牽引范圍。