gnss接收機(jī)中載波和偽碼nco的設(shè)計(jì)

1、第 5 1 卷 第 4 期 2 0 1 1 年 4月電訊技術(shù) En g i n e e r i n gV0 1 ． 5 1No ． 4Ap r ．2 0 1 1文章 編號(hào) ： 1 0 0 1 —8 9 3 X ( 2 0 1 1 ) 0 4 —0 0 7 9 —0 5G N S S 接收機(jī)中載波和偽碼 N C O的設(shè)計(jì) 吳 興存 ， 何 謙 ， 殷雪 明， 楊 恒 ( 中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部 ， 江蘇 江 陰 2 1 4 4 3 1 )摘

2、要 ： 在介紹可配置載波數(shù)控振 蕩器( N C O ) 和偽碼 N C O工作原理的基礎(chǔ)上 ， 確定 了基本參數(shù)并根 據(jù) 參數(shù) 設(shè) 計(jì) 了載 波 N C O和偽碼 N C O基 本 結(jié)構(gòu) ， 對(duì)設(shè) 計(jì)的 載 波 N C O和偽 碼 N C O進(jìn)行 了硬 件 測(cè)試 。測(cè) 試結(jié)果表明， 該載波 N C O和偽碼 N C O符合設(shè)計(jì)參數(shù) ， 可直接運(yùn) 用到可配置導(dǎo)航信號(hào)處理通道 中以滿足處理不同導(dǎo)航信號(hào)的要 求， 為下一步研究和開發(fā) G N

3、S S 接收機(jī)打下 堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。關(guān)鍵 詞 ： G N S S 接 收機(jī) ； 可 配置導(dǎo)航 信 號(hào) 處理 ； 載 波 N C O； 偽碼 N C O中圖分 類號(hào) ： T N 9 6 7 ． 1 ； P 2 2 8 ． 4文獻(xiàn) 標(biāo)識(shí) 碼 ： Ad o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 —8 9 3 x ． 2 0 1 1 ． 0 4 ． 0 1 7De s i g no fCa r r i

4、e rNCO a n dPN Co d eNCO f o rGNS SRe c e i v e r s刪 一 c u n， H EQ i a n ， Y I NX u e — m i n g，Y A N Gt t e n g( C h i n aS a t e l l i t eM a r i t i m eT r a c k i n ga n dC o n t r o l l i n gD e p a r t m e n t

5、 ， J i a n g y i n2 1 4 4 3 1 ， C h i n a )A b s t r a c t ： T h r o u g hi n t r o d u c i n gt h et h e o r yo fc o n f i g u r a b l ec a r t i e rN C O ( N u m e f i e Ml yC o n t r o l l e dO s c i l l a t o r )a n

6、dP Nc o d eN C 0．t h eb a s i cs t r u c t u r eo fc a r r i e rNC 0a n dP Nc o d eNC 0i Sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ed e f i n e dp a r a me ．t e r s ．T h er e s u l to ft h eh a r d w a r et e s to ft h ed

7、e s i g n e dc a r r i e rN C 0a n dP Nc o d eNC 0i Sr e s p e c t i v e l yi na c c o r d a n e ew i t hr e q u i r e dp a r a me t e r s ．T h e r e f o r e ， t hed e s i g nc a nb ed i mc f l yu s e di nt hec o n f i g

8、 u r a b l en a v i g a t i o ns i g n a lp r o—c e s s i n gc h a n n e 1t ome e tt h er e q u i r e me n t sf o rd i f f e r e n tn a v i g a t i o ns i g n a l s ． I tp r ov i d e sas o l i df o u n d a t i o nf orf u

9、 r t h e rr e s e a r c ha n dd e v e l o p me n to fGN S S ( G1 o b a lN a v i g a t i o nS a t e l l i t eS y s t e m)r e c e i v e r s ．Ke ywo r d s ： GN S Sr e c e i v e r ； c o n f i g u r a b l en a v i g a t i o n

10、s i g n a l p r o c e s s i n g ； c a r r i e rN C O； P Nc o d eN C Ol引 言 伴隨著全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的全面升級(jí)和發(fā)展 ，衛(wèi) 星導(dǎo)航 接 收機(jī) 也 呈 現(xiàn) 出 新 的 發(fā)展 特 點(diǎn) ， 主要 有 兩 個(gè)方面： 一是提高接收機(jī)的抗干擾性 ； 二是發(fā)展軟件 接收機(jī)技術(shù) ， 提高接 收機(jī) 的兼 容性和互操作性 J 。研究發(fā)現(xiàn) ， 可配置導(dǎo)航信號(hào)處理技術(shù) 是一個(gè)解決多 種衛(wèi)

11、星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容問題的有效的研究方向。所謂 可配置 ， 就是進(jìn)行導(dǎo)航信號(hào)處理的數(shù) 字邏輯或軟件 算法可根據(jù)不 同系統(tǒng) 的導(dǎo)航信號(hào) 特征進(jìn)行靈 活配 置， 實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)兼容 的 目的。而研究可配置導(dǎo)航信 號(hào)處理通道 的目的是探索高兼容性的導(dǎo)航信號(hào)處理 收稿 日期 ： 2 0 1 0 —1 2— 2 2 ： 修 回 日期 ： 2 0 1 1 —0 3 — 0 4技術(shù) ， 這種兼容性主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面 ： 一是兼容不 同導(dǎo)航信號(hào) ， 即該可配置

12、的導(dǎo)航信號(hào)處理通道可用 于 G P S 、 G I DN A S S 、 G A HL E O和“ 北斗” 二代等不同衛(wèi) 星導(dǎo)航定位系統(tǒng) 的不 同導(dǎo)航信號(hào)的處理 ； 二是兼容 不同的導(dǎo)航信號(hào)射頻處理電路 ， 指的是該可配置導(dǎo) 航信號(hào)處理通道可與大多數(shù)的導(dǎo)航信號(hào)射頻處理電路配合工作 ， 更換射頻 電路時(shí)修改通道 的配置參數(shù) 即可 。本文以解決兼容不同導(dǎo)航信號(hào)為 目的對(duì)可配 置導(dǎo)航信號(hào)處理 通道 中關(guān) 于載波數(shù)控振蕩 器 ( N u ．m

13、e r i e a l l yC o n t r o l l e dO s c i l l a t o r ， N C O) 和 偽 碼 N C O的設(shè) 計(jì)進(jìn)行研究 ， 為進(jìn)一步開發(fā) “ 北斗” 二代導(dǎo)航系統(tǒng)兼 容的接收機(jī)打下 良好的基礎(chǔ) 。· 7 9 ·第 4 期 吳興存 等 ： G N S S 接收機(jī) 中載 波和偽碼 N C O的設(shè)計(jì) 第 2 6 9 期 因就是該值其實(shí)是一個(gè)預(yù)設(shè) 的固定值 ， 表示單個(gè)載 波

14、周期內(nèi)劃分的相位點(diǎn)個(gè)數(shù)。圖 2 可配置載波 N C O的基本框架 F i g ． 2T h eb a s i cf r a me wo r ko fc o r r f i g u r a b l ec a r r i e rN C O 本文設(shè)計(jì)可用于實(shí)際工作 的載波 N C O ， 為 了保 證載波 N C O的兼容性 ， 對(duì)中心頻率設(shè)置范 圍、 頻率 調(diào)節(jié)范圍 、 頻率調(diào)節(jié)粒度和驅(qū)動(dòng) 時(shí)鐘周期 4個(gè)參數(shù) 進(jìn)行了詳細(xì)的研究 ， 最后確定

15、 的參數(shù)及依據(jù)如下。( 1 ) 中心頻率設(shè)置范圍 載波 N C O的中心頻率主要由衛(wèi)星射頻信號(hào)處理 電路所輸出的中頻信號(hào)載波頻率所決定 。同時(shí)， 載波 N C O的中心頻率設(shè)置范圍應(yīng)盡可能覆蓋各種射頻芯 片的中頻信號(hào)載波頻率 。射頻信號(hào)處理電路輸出的中 頻 信號(hào)載波頻 率一般約 為偽碼速率 的 4倍。由G P S 、 G I D N A S S 、 G A L I L E O及“ 北斗” 二代 3J 的導(dǎo)航信號(hào) 結(jié)構(gòu)可知 ， 以 G

16、P SP 碼 、 G A L I L E OE 5 和“ 北斗” 二代 B 2( B 3 ) 信號(hào)碼速率最高 ， 為 1 0 ． 2 3M c h i p ／ s ， 故確定本文 的載波 N C O的頻率設(shè)置范圍為 0 ～ 4 0 ． 9 6M H z 。在實(shí) 現(xiàn)載波 N C O時(shí)， 中心頻率設(shè)定值需一個(gè)2 6b i t 的寄存 器保 存 ， 故 實(shí) 際 的 中 心 頻 率 設(shè) 置 范 圍 為 0～6 7 ． 1 0 88 6 4M H

17、 z ， 頻率設(shè)置的粒度為1H z 。( 2 ) 頻率調(diào)節(jié)范圍頻率調(diào)節(jié)范圍 由兩方面的因素決定 ， 一是載波 多普勒頻移， 二是射頻信 號(hào)處理 電路 中參考時(shí)鐘的 誤差。其中， 多普勒頻移在衛(wèi) 星與接收設(shè)備相對(duì)運(yùn) 動(dòng)速 度 為 60 0 0m ／ s 、 載 波 頻 率 為 1 ． 6G H z 時(shí) 約 為 4 - 3 2k H z 。為了覆 蓋可能 的頻 偏 ， 參考 時(shí)鐘 ( 對(duì) 于 1 ． 21 ． 6G H z 的 本 地 振

18、蕩 器 頻 率 ， 穩(wěn) 定 度 為 ±1X1 0p p m 的參考時(shí)鐘) 引入的中頻信 號(hào)載波頻率不 確定度為 ±1 6k H z 。綜合 上面兩個(gè) 因素 ， 確定頻率 的可調(diào)節(jié)范 圍為 ± 4 8k H z ， 應(yīng)該可 以覆 蓋 中頻信號(hào) 載波頻率所能達(dá)到的范 圍。( 3 ) 頻率調(diào)節(jié)粒度 頻率調(diào)節(jié)粒度 的選擇需 要滿足最高 的精 度要 求 ， 為保證載波 N C O頻 率的精 度， 要求頻率調(diào)節(jié)粒 度為

19、幾兆赫到幾十兆赫。本文載波 N C O性 能是 首 位的 ， 故頻率調(diào)節(jié)粒度設(shè)計(jì)為 1M H z 。具體 實(shí)現(xiàn)時(shí) ，頻率調(diào)節(jié)粒度與頻率調(diào)節(jié)范圍的設(shè)定共用一個(gè)寄存 器 ， 寄存器 位數(shù) 為2 7b i t ， 在頻 率調(diào) 節(jié)粒度 為 1M下 ， 頻率覆蓋范 圍為 ± 6 7 ． 1 0 88 6 4k H z ， 從而進(jìn)一 步 擴(kuò) 大 了頻 率 調(diào)節(jié) 范 圍 。( 4 ) 驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘周期 驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘周期是載波 N C O的基準(zhǔn)參考

20、時(shí)間 ， 載 波 N C O輸 出的數(shù) 字載波信號(hào)頻率精度就是 由它決 定 的。對(duì)于導(dǎo)航信號(hào)處理通道， 載波 N C O的驅(qū)動(dòng)時(shí) 鐘一般就是導(dǎo)航信號(hào)處理通道對(duì)輸入的數(shù)字 中頻信 號(hào)進(jìn)行采樣 的時(shí)鐘 ， 為了兼容所有的導(dǎo)航信號(hào) ， 采樣 頻率最低都在 2M H z 以上 ， 從而確定 驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘周期 的變化范圍為 0 ～ 5 0 0n s ； 有時(shí)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘周期長(zhǎng)度并 不是整數(shù)納秒 ， 為保證精度 ， 驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘周期的精度設(shè) 定為1 0 ～ n

21、 s ， 為了進(jìn)行 0 ～ 5 0 0n s 范圍內(nèi)的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘 周期設(shè)置 ， 需要用到一個(gè)2 6b i t 的寄存器 ， 則實(shí)際驅(qū) 動(dòng)時(shí) 鐘周 期 可設(shè)置 的范 圍為 0～6 7 1 ． 0 8 86 4n s ， 這 樣 的參數(shù)配置足 以滿足要求。單周期相位點(diǎn)數(shù)及輸出幅度位數(shù)的確定則比較 簡(jiǎn)單。單周期相位點(diǎn)數(shù)一般設(shè) 為 8 ， 這是現(xiàn) 有的導(dǎo) 航信 號(hào)處 理通道 普遍 采用 的方 案L 4J ， 本 文的載 波 N C O 也采用這種

22、方 案。輸 出幅度位數(shù) 在導(dǎo)航信號(hào) 處理 通道 的設(shè) 計(jì) 中采 用 較 多 的 方 案 有兩 種 ： 一種 是 用兩位二進(jìn)制碼表示輸出幅度 ， 具體幅度為 ±1 、 ±2這 4 個(gè)值 ； 另一種是用 3 位二進(jìn)制碼表示輸出幅度 ，具體幅度為 0 、 ± 2 、 ± 3 這 5 個(gè)值 。由于三位二進(jìn)制 碼表示 的輸出信號(hào) 幅度精度更高 ， 本文 中載波 N C O的輸出信號(hào)幅度將用 3 位二進(jìn)制補(bǔ)碼

23、表示 。3 ． 2 載 波 N C O 設(shè) 計(jì) 本文設(shè)計(jì)的可配置載波 N C O的基本結(jié)構(gòu)如圖 3所示 ， 分三大功能塊 ： 一是載波 N C O的寄存器讀寫 功能塊 ， 負(fù)責(zé)對(duì)載波 N C O的中心頻率 、 驅(qū) 動(dòng)時(shí)鐘周 期的配置 ， 對(duì)頻率偏移量的控制 ， 同時(shí)也負(fù)責(zé)對(duì)載波 N C O的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視 ； 二是載波相位增量計(jì)算及 累積功能塊 ， 負(fù)責(zé)計(jì)算當(dāng)前驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘周期 內(nèi)的載波相 位增加值及其與歷史累積相位值求和后的新累積相 位值