基于软件无线电技术的gps软件接收机的研究与实现

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基于软件无线电技术的GPS软件接收机的研究与实现..南京航空航天大学第卷第期学报年月.基于软件无线电技术的软件接收机的研究与实现苗剑峰陈武刘建业孙永荣胡丛伟。.南京航空航天大学自动化学院,南京,;.香港理工大学大地测量与资讯学系,香港,;.同济大学交通运输工程学院,上海,摘要:深入研究了软件接收机的相关算法,阐述了软件接收机设计过程中信号搜索、跟踪以及伪距定位等关键技术。针对搜索过程中利用信号相关法求解精频速度慢的缺点,提出了相位关系解算法;进一步分析二阶跟踪环路工作原理,对其带宽进行优化设计,使接收机具备较高的动态性能和较低噪声影响。基于环境,通过优化算法结构,设计并实现了软件接收机算法应用程序。最后通过实际测试数据对算法进行了验证,该接收机可以处理通道卫星信号,并且各项指标分析结果均达到单点伪距定位要求。关键词:全球卫星定位系统;软件接收机;载波跟踪环;信号处理 中图分类号:.文献标识码:文章编号:????,,,,。..,,,,;.,,,,;.,,,,:?,?.?,?.,?,.,,?.,.?.:;;;构,即射频前端和信号处理部分由专用定制的芯片引嗣来实现,被称为硬件接收机。硬件接收机由于信号全球定位系统,处理由芯片在内部定制实现,一旦芯片定型,用户在全球范围内,被广泛应用于大地测量、气象很难改变相应的参数或更换新的算法。软件监测、车辆导航等领域。传统的接收机基于接收机以其较高的灵活性和可编程性,可为研究人结员提供丰富的评估和验证平台,近年来得到很大的基金项目:国家自然科学基金资助项目;香港理工大学研究基金?资助项目。收稿日期:??;修订日期:??作者简介:苗剑峰,男,博士研究生,年月生;刘建业联系人,男,教授,博士生导师,?:..。第期苗剑峰,等:基于软件无线电技术的软件接收机的研究与实现围内串行搜索。此方法将时域大量的相关运算变为发展。软件接收机的研究是以软件无线电技术为基础,结构如图,软件接收机由射频前频域的简单乘法,然后再通过离散傅里叶反变换端硬件设备和机中的信号处理程序两部得到时域的相关运算结果。其原理如下:分组成。 在时域范围内,对于离散数字信号,本文采用便携微型射频前端数据采样器的相关运算可以写成进行实际数据采集。数据采样器的采样一,,:频率为.,产生的中频数字信号频率对进行离散傅里叶变换转换到频为.。通过便携式磁吸天线采集域后,则有频段信号,由接口将采集数据以二进一Ⅳ一制文件的形式存入机硬盘,然后通过相应的算尼一∑∑。‘。一法程序对其进行信号的捕获、跟踪并给出导航信息。∑脚∑一软件接收机程序结构设计一石软件接收机由多个信号处理通道组成,式中足为是的共轭复数。从式可以看其结构设计如图所示。由射频前端采集的数据文到,计算量较大的信号相关运算可以在频域内通过件以二进制的模式被程序读取,然后在各个通道中简单的乘法实现。通过将式的结果进行傅里叶分别进行卫星信号捕获、跟踪、卫星星历解算以及伪距与载波观测量的计算,最后将多个通道的反变换,可以高效率地搜索到接收信号与本地复现信号的相关峰值,从而得到码的初始相位以及输出结果汇总,求出最终的导航定位信息。 多普勒频移的粗略估值。为了提高对算法实现的效率以及提高程序实图为年月日时,通道对现的界面化,软件接收机程序设计是在环号卫星的一次粗频捕获结果比较图。搜索采用境下用语言完成的。软件接收机程序首先的数字中频信号序列,中频数字信号频对采样数据文件进行格式读取,同时初始化参数设率为.,采样频率.。图中置结构体。然后通过分析数据的频谱对采样的数据轴表示.±.的多普勒频移搜索进行粗验。数据有效后即进入信号的捕获、跟踪以及导航解算环节。范围,搜索步长为,轴表示个的采样点数,每个点对应码的码相位。当捕信号捕获算法获到有效信号后,相关峰值非常明显.×。,图中可以看出峰值所在处的多普勒频移以及由于码相位的搜索空间要远远大于频率的搜码相位为,点。索空间,所以本文采取码相位并行计算,在频率范天线’一.厂竺『一?.厂竺匿一导信航息/解测算量 模拟信号数子信号射频前端机中的软件算法图软件接收机结构框图国、?采三??样?三?数?三?据?/?/图软件接收机结构设计南京航空航天大学学报第卷输出到载波发生器。载波发生器根据误差大小实时调节产生载波的频率,使得本地复现载波与接收信号时刻保持同步。剥离了伪随机码之后,信号中仍然保留着进制调制的导航电文数据。导航电文的存在,使得和信号会产生。相位反转。和普通的锁相环以及锁频环相比,科斯塔环具备对存在。相移进行相位跟踪的特性。鉴相器选择在高、低信噪比下均具备最佳效果图捕获环路结果示意图的反正切鉴相器最大似然估计器。并行码搜索算法在频率范围内以为步其算法表示为/长进行搜索,而载波跟踪环路的频宽要求为几赫兹,?/所以必须要进一步求出精频。由于的接收信号.码跟踪环路原理 得到的频率分辨率一般是。用方法,为由于在跟踪的初始阶段,本地产生的载波信号与了取得级的分辨率,需要对的信号进接收信号之间存在着频率和相位误差,在这种情况下行搜索,其操作运算量非常大,相当费时。信号功率并非完全集中在通道,而是会随着载波跟最优的精细频率分辨率?踪的漂移在和通道之间转换,如果只是对通道解决方法是通过相位关系。输入信号在剥离进行码相关积分累加的话,会影响跟踪的稳定性。所了码后就转换成连续的波形。如果在时刻,以在设计跟踪环路的时候,码发生器产生相位差输入信号中最高频率分量是忌表示为/码片的超前,实时,滞后分量,同输入信号的频率分量,则可由输出得到初始时对和通道进行积分累加,然后将和通道相位是的个运算结果输入到鉴相器。码环路鉴相器选择超一叫前滞后包络归一化算法,其原理如下式式中和分别表示五的实部和虚部。假一,、~定在时刻很短时间之后的时刻,输入信 号的分量五也是其最高频率分量,则从式可以看出,选择该鉴相器可以使得码跟时刻输入信号的初始相位为走踪环路不受载波跟踪环路的影响而单独运行,实现对码相位的实时跟踪。一.软件接收机信号跟踪环路设计志和志可以用式来计算精频载波跟踪环路和码跟踪环路是相辅相成,互相制壶一吖志,一二约的。为了简化算法结构,提高对信号处理的计算效率,在软件接收机的设计中,对载波和码相位跟信号跟踪环路踪环路进行了优化合并,组合跟踪环路结构如图所示,将码跟踪环路的输出信号,,直接输入由于卫星的连续运动以及相关噪声的影响,多到载波环路鉴相器中,省去了载波环路中的个相关普勒频移和码相位在时刻变化,跟踪环路的目的就乘法运算,有效地提高了信号的处理速度,优化了程是实时保持对载波以及码相位的跟踪,使得本序结构。地复现信号与接收信号精确同步。跟踪环路由载波频率跟踪和码跟踪两部分组成。跟踪环路程序流程图如图所示, .载波跟踪环路原理程序需要输入以下变量:一段时间的采样数据、跟踪通道结构体、正余弦数字载波以及被跟踪卫载波跟踪采用了典型的科斯塔锁相环。输入信号必须首先剥离码,之后与本地产生的载波信星的码数字序列。经过处理,跟踪函数返回两个号相乘,生成同相和正交信号。环路鉴相器用结构体:跟踪结果结构体和通道结构体。来检测本地产生的载波信号和接收到信号之间的通道结构体贯穿于整个软件接收机的处相位误差,经过环路滤波后相位误差作为环路反馈理过程,在信号捕获结束后,对通道进行初始化,记第期苗剑峰,等:基于软件无线电技术的软件接收机的研究与实现式中:。,为环路增益;为二阶环路阻尼比;为环路自然频率。阻尼比和环路噪声带宽为跟踪环路的两输入个重要参数,直接决定着跟踪环路的性能。阻尼比信号决定了通过二阶跟踪环路的信号到达稳态的时间以及超调量。通常较快的稳定时间是以较大的超调为代价的。所以阻尼比的选择需要对稳态时间和超调量进行折衷考虑。环路噪声带宽的选择不 仅直接决定了环路处理信号的噪声误差,还影响到信号跟踪稳态时间的大小。一方面为了避免信号中热噪声的干扰,系统需要较窄的跟踪带宽。另一方【跟踪开始生成本地载波面为了缩短信号跟踪的稳态时间,提高接收机的动计算环路鉴相器,实信号,将采样数时更新载波/码频率据转换到基带态性能则需要较宽的噪声带宽,在设计时,需要对读取捕获结果●。●●●一这两方面进行折衷考虑。跟踪环路需要在最大限度........................一’产生本地超初始化跟踪前、实时、适应动态性能的情况下,尽量减小环路内的热噪声通道,计算跟滞后码踪环路参数影响。 二所有通遭??厂与基带信号分析载波跟踪环路的带宽设计。软件接相关,生成:采样数据收机锁相环路的误差源主要由热噪声误差丽以及动态应力误差两部分组成,对于二阶环路软件接收机跟踪环路程序流程图其可表示为口、厂???■■???????图信号跟踪环路设计流程一√丽/。。,、录每个通道的跟踪卫星号码、初始载波频率??■一以及码初始相位。通道的存在使得程序的处理从式可以看出载波跟踪环路误差是以能够有序连贯地进行,如图所示,程序每次读环路噪声带宽为参数的函数,对其求导/取数据,产生本地载波以及码,两者进行一之后,可以求出载波跟踪环最优环路带宽相关运算后通过鉴相器得出跟踪环路的实时误差,并更新本地载波、码生成模块的频率,使其接。 下来产生的信号与接收信号精确同步。每一个数据处理完毕后,跟踪误差以及环路滤波器的/。,,输出将存储于通道中,以便下一个数据处理。“一????通道实时存储的跟踪环路参数在程序结束后,将作.跟踪环路实验验证为跟踪环路的最终的结果输出给变量?在对跟踪环路算法的验证中,数据来源于,通道结构体则进入下一处理过程,进行定位微型射频前端数据采样器。其数字中频信息的计算。为.,采样频率.,信号信.跟踪环路参数设计噪比约为?。滤波环路参数设计为:阻尼比软件接收机跟踪环路的数学模型为线性数字.,载波环路带宽为,码环路跟踪带宽为二阶滤波环路,滤波环路的参数设计至关重要。二,超前滞后码片为.码片,预检测积分时间阶环路的传递函数表示为。为。一以通道捕获的号卫星为例,跟踪结果如图~一~/、。一一~所示。图中横轴为同相实时信号,纵轴为正交实时信号。从图中可以看出,当信号实现锁定 环路的噪声带宽跟踪后,信号能量集中于,通道,其输出是正负变。一化的导航电文,而则只剩下能量接近于的噪南京航空航天大学学报第卷。声信号,图为最终解调出的导航电文。图~分别为载波、码环路的跟踪效果图。图为跟踪环程序以为周期提取伪距信息,并通过路对载波相位的跟踪结果图,其纵轴为载波相位误单点定位法计算定位结果。图为软件接收差与的比值。从图中可以看出在稳态时载波跟机的导航信息输出结果。程序捕获并跟踪到颗可踪鉴相器的波动范围可以有效地控制在±.见星,可见星的位置如图所示。在图,可±.之间。对多普勒频率的跟踪波动范围以看出,软件接收机的解算结果在坐在之间,如图所示。同理,从图,标系中,东向和北向的值可以有效地控制在±中可以看出,在锁定跟踪状态下,码频率波动左右,达到伪距单点定位的性能要求。最后对在.范围内。图显示了码跟踪环路鉴相公内的个定位数据做综合处理,给出最佳经式的各项指标输出。由此可以看出通过最优设 纬度信息:经度:。.”,纬度:。计跟踪环路的参数,有效地提高了跟踪环路的精度.”,高度:.。最后对程序的运行时间和稳定性,实现了对载波、码的精确跟踪。进行记录,参与测试的数据采集时长为,文件定位信息的输出大小,解算中用到的配置如下:为.,为,仿真环境为目前国内外对由伪距进行单点定位算法的研.版本。采集参数不变,结果如表所示。究比较成熟,作者采用提供的伪表程序运行时间统计距单点定位算法,实现对导航定位信息的解算并验证软件接收机的整个系统效果。算法的验证采取静态实验的方式,天线位于香港理工大学教学楼天台,数字中频.,采样频率.,信号信噪比约为?。采集时间为,存盘数据文件大小为?,。实时值效果图导航信息解算输出..跟踪环路效果输出载波环路答相器输出..一. 一/载波多普勒效果图码环路鉴相器输出码环路多普勒效果图通道对号卫星跟踪效果图