本發(fā)明專利技術(shù)公布了一種基于相位估計(jì)與補(bǔ)償?shù)母呔容d波跟蹤方法及其實(shí)現(xiàn)裝置，通過在L階鎖相環(huán)的輸出端級(jí)聯(lián)動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差估計(jì)模塊與補(bǔ)償模塊，通過將去除調(diào)制數(shù)據(jù)信息之后的N個(gè)符號(hào)累加求和后求其相角，將相角的M分之一作為動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差的估計(jì)值，利用估計(jì)值對(duì)鎖相環(huán)輸出符號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償，從而減小鎖相環(huán)輸出信號(hào)相位中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差，達(dá)到L+1階鎖相環(huán)(高階鎖相環(huán))的效果，可消除低階多普勒效應(yīng)的影響，使得基于相位估計(jì)與補(bǔ)償?shù)母呔容d波跟蹤方案的總的相位跟蹤誤差比較小。本發(fā)明專利技術(shù)提供裝置結(jié)構(gòu)簡單，復(fù)雜度低，能夠有效的提高的相位跟蹤誤差精度。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及通信
，具體涉及一種基于相位估計(jì)與補(bǔ)償?shù)母呔容d波跟蹤方法及其實(shí)現(xiàn)裝置。
技術(shù)介紹
載波跟蹤技術(shù)廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、無線通信及衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域。特別是在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)中，載波跟蹤技術(shù)是導(dǎo)航定位接收機(jī)基帶處理部分的關(guān)鍵技術(shù)之一，載波跟蹤環(huán)的相位跟蹤精度在很大程度上決定著接收機(jī)的導(dǎo)航和定位精度。在通信和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機(jī)中，載波跟蹤環(huán)通常采用鎖相環(huán)，或是鎖頻環(huán)輔助的鎖相環(huán)方式實(shí)現(xiàn)。鎖相環(huán)的相位跟蹤誤差來源主要有熱噪聲、振蕩器噪聲以及動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差等。其中熱噪聲導(dǎo)致的相位誤差大小與鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬和信噪比有關(guān)，帶寬越大，噪聲越大；信噪比越低，噪聲越大。動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差則是由收發(fā)信機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的，環(huán)路帶寬越小則動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差越大。在多普勒效應(yīng)顯著的應(yīng)用場景，通過改變鎖相環(huán)帶寬來減小熱噪聲誤差和動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差會(huì)顧此失彼，無法實(shí)現(xiàn)載波相位的高精度跟蹤。采用高階鎖相環(huán)可以降低動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差，因?yàn)楦唠A鎖相環(huán)可以消除低階多普勒效應(yīng)的影響(L階鎖相環(huán)能夠抵抗低于L階的相位變化率的影響)，但是高階鎖相環(huán)具有環(huán)路設(shè)計(jì)復(fù)雜、容易不穩(wěn)定等問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本專利技術(shù)提供一種基于相位估計(jì)與補(bǔ)償?shù)母呔容d波跟蹤方法及其實(shí)現(xiàn)裝置，通過在L階鎖相環(huán)的輸出端級(jí)聯(lián)動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差估計(jì)模塊與補(bǔ)償模塊，減小鎖相環(huán)輸出信號(hào)相位中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差，達(dá)到L+1階鎖相環(huán)(即高階鎖相環(huán))的效果，可消除低階多普勒效應(yīng)的影響，使得基于相位估計(jì)與補(bǔ)償?shù)母呔容d波跟蹤方法的總的相位跟蹤誤差比較小。本專利技術(shù)提供的實(shí)現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)簡單，復(fù)雜度低，能夠有效的提高的相位跟蹤誤差精度。本專利技術(shù)提供的技術(shù)方案是：一種基于相位估計(jì)與補(bǔ)償?shù)妮d波跟蹤方法，通過在鎖相環(huán)輸出端級(jí)聯(lián)動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差估計(jì)
模塊和動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差補(bǔ)償模塊，消除鎖相環(huán)輸出信號(hào)相位中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差；從而降低總的相位跟蹤誤差，能夠有效的提高的相位跟蹤誤差精度。其中，鎖相環(huán)相位跟蹤誤差θerr(k)包括由熱噪聲引起的相位誤差θn(k)和動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差θe(k)，L階鎖相環(huán)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差θeL與收發(fā)信機(jī)之間的視線距離R的L階導(dǎo)數(shù)成正比：其中，ω0為L階鎖相環(huán)環(huán)路濾波器的自然圓頻率，R收發(fā)信機(jī)之間的視線距離。對(duì)于L階鎖相環(huán)，當(dāng)收發(fā)信機(jī)之間相對(duì)距離R的L階變化率為常量時(shí)，動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差為常量。利用動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差的特點(diǎn)，通過在L階鎖相環(huán)的輸出端級(jí)聯(lián)動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差估計(jì)模塊與補(bǔ)償模塊，采用動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差估計(jì)模塊估計(jì)出動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差然后通過補(bǔ)償結(jié)構(gòu)消除動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差，減小鎖相環(huán)輸出信號(hào)相位中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差，達(dá)到L+1階鎖相環(huán)的效果，消除低階多普勒效應(yīng)的影響。設(shè)定θ(k)為鎖相環(huán)的入口信號(hào)第k個(gè)符號(hào)的載波相位，為本地NCO(數(shù)字控制振蕩器，numerically controlled oscillator)產(chǎn)生的第k個(gè)符號(hào)的載波相位，則鎖相環(huán)在第k個(gè)符號(hào)的相位跟蹤誤差θerr(k)可表示為式1：鎖相環(huán)相位跟蹤誤差θerr(k)一般主要由兩部分構(gòu)成，一為由熱噪聲引起的相位誤差θn(k)，二為動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差θe(k)。即θerr(k)＝θe(k)+θn(k) (式2)其中，θn(k)為熱噪聲引起的相位誤差，一般為零均值的隨機(jī)變量。θe(k)為動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差，對(duì)于L階鎖相環(huán)，動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差θe(k)正比于收發(fā)信機(jī)之間視線距離的L階導(dǎo)數(shù)，而與更低階的導(dǎo)數(shù)無關(guān)。即若鎖相環(huán)為二階環(huán)，當(dāng)收發(fā)信機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的加速度(即收發(fā)信機(jī)之間視線距離R的二階導(dǎo)數(shù))為常量時(shí)，鎖相環(huán)能夠穩(wěn)定跟蹤信號(hào)，并且當(dāng)加速度為非零常量時(shí)，動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差為一個(gè)非零的固定值θe2。若鎖相環(huán)為三階環(huán)，當(dāng)收發(fā)信機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的加加速度(即收發(fā)信機(jī)之間視線距離R的三階導(dǎo)數(shù))為常量時(shí)，三階鎖相環(huán)能夠穩(wěn)定
跟蹤信號(hào)，并且當(dāng)加加速度為非零常量時(shí)，動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差為一個(gè)非零的固定值θe3。本專利技術(shù)根據(jù)鎖相環(huán)的輸出信號(hào)，采用動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差估計(jì)模塊估計(jì)出動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差然后通過動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)消除動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差。其中，動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差的估計(jì)與補(bǔ)償方法包括如下步驟：1)接收信號(hào)經(jīng)過下變頻，解擴(kuò)之后送入鎖相環(huán)，鎖相環(huán)入口處第k個(gè)采樣信號(hào)r(k)可表示為：r(k)＝Ak ejθ(k)+nk (式3)其中，Ak為調(diào)制數(shù)據(jù)符號(hào)，當(dāng)接收信號(hào)為MPSK(multiple phase shift keying多進(jìn)制相移鍵控)調(diào)制的信號(hào)時(shí)，(式31)，當(dāng)接收信號(hào)為BPSK(Binary Phase Shift Keying二進(jìn)制相移鍵控)調(diào)制的GPS信號(hào)時(shí)，式31中取M＝2。nk為獨(dú)立同分布的零均值加性復(fù)高斯隨機(jī)變量；j為數(shù)學(xué)里表示虛數(shù)的單位符號(hào)。2)鎖相環(huán)本地NCO產(chǎn)生的載波相位為用本地載波與鎖相環(huán)入口信號(hào)做共軛相乘，抵消鎖相環(huán)入口信號(hào)的載波相位，但仍會(huì)存在部分殘余誤差相位θerr(k)，鎖相環(huán)輸出信號(hào)可表示為：其中，為獨(dú)立同分布的零均值復(fù)加性高斯隨機(jī)變量。3)緩存ro(k)之前的鎖相環(huán)輸出的連續(xù)N個(gè)符號(hào)ro(k-N)～ro(k-1)，用于估計(jì)動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差。公式為：MPSK是所有相移鍵控調(diào)制方式的統(tǒng)稱，相移鍵控調(diào)制方式是利用載波的多種不同相位狀態(tài)來表征數(shù)字信息的調(diào)制方式，其中M代表著相位狀態(tài)數(shù)，根據(jù)所用載波相位狀態(tài)數(shù)的不同，MPSK調(diào)制方式又可細(xì)分為BPSK調(diào)制(M＝2)、QPSK調(diào)制(M＝4)、8PSK(M＝8)調(diào)
制等。因?yàn)殒i相環(huán)輸出信號(hào)中含有數(shù)據(jù)調(diào)制信息，因此在估計(jì)動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差時(shí)需要將數(shù)據(jù)調(diào)制信息去除，式5中，M次方操作就是將MPSK調(diào)制的數(shù)據(jù)信息去除，之后將N個(gè)符號(hào)累加求和，求其相角，并將其相角的M分之一作為動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差的估計(jì)值。式5中的M值指的是MPSK中的M，即當(dāng)MPSK為BPSK時(shí)，式5中M＝2；當(dāng)MPSK為QPSK時(shí)，式5中M＝4；當(dāng)MPSK為8PSK時(shí)，式5中M＝8。4)利用動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差的估計(jì)值對(duì)鎖相環(huán)輸出的第k個(gè)符號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償，以抵消鎖相環(huán)輸出信號(hào)相位中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差，則經(jīng)過動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差補(bǔ)償之后的信號(hào)ro'(k)為其中，為獨(dú)立同分布的零均值復(fù)加性高斯隨機(jī)變量。所述動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差估計(jì)與補(bǔ)償方法，步驟3)中，取ro(k-N)～ro(k-1)這N個(gè)連續(xù)符號(hào)用于估計(jì)動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差，并用所述的動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差的估計(jì)值對(duì)鎖相環(huán)輸出信號(hào)ro(k)進(jìn)行相位補(bǔ)償。所述基于相位估計(jì)與補(bǔ)償?shù)母呔容d波跟蹤方法，在鎖相環(huán)輸出端級(jí)聯(lián)動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差估計(jì)結(jié)構(gòu)與補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，會(huì)使得所述方法的熱噪聲性能相比于鎖相環(huán)有所惡化，并且動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差估計(jì)模塊的時(shí)間窗口NT越小，其等效熱噪聲帶寬越大，所述方法的熱噪聲性能越差。因此N的取值不能太小，一般使得動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差估計(jì)模塊的等效噪聲帶寬小于鎖相環(huán)的環(huán)路噪聲帶寬，動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差估計(jì)模塊的等效噪聲帶寬正比于其時(shí)間窗口的倒數(shù)設(shè)鎖相環(huán)的等效環(huán)路噪聲帶寬為Bn，一般N的取值滿足式7：本專利技術(shù)還提供了一種實(shí)現(xiàn)基于相位估計(jì)與補(bǔ)償模塊的載波跟蹤方法的裝置，該裝置包括傳統(tǒng)載波跟蹤環(huán)——鎖相環(huán)所有模塊(積分清洗器、鑒相器、環(huán)路濾波器、數(shù)控振蕩器(NCO))，還包括動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差估計(jì)模塊，以及動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差補(bǔ)償模塊。所述基于相位估計(jì)與補(bǔ)償?shù)母呔容d波跟蹤方法，是在鎖相環(huán)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，通過在本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于相位估計(jì)與補(bǔ)償?shù)妮d波跟蹤方法，通過在鎖相環(huán)輸出端級(jí)聯(lián)動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差估計(jì)模塊和動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差補(bǔ)償模塊，消除鎖相環(huán)輸出信號(hào)相位中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差；包括如下步驟：1)接收信號(hào)經(jīng)過下變頻，解擴(kuò)之后送入鎖相環(huán)，鎖相環(huán)入口處第k個(gè)采樣信號(hào)r(k)表示為：r(k)＝Akejθ(k)+nk????????????????(式3)式3中，Ak為調(diào)制數(shù)據(jù)符號(hào)；nk為獨(dú)立同分布的零均值加性復(fù)高斯隨機(jī)變量；θ(k)為鎖相環(huán)的入口信號(hào)第k個(gè)符號(hào)的載波相位；j為虛數(shù)的單位；2)將鎖相環(huán)輸出信號(hào)ro(k)表示為式4：其中，ro(k)為鎖相環(huán)輸出信號(hào)；n'k為獨(dú)立同分布的零均值加性復(fù)高斯隨機(jī)變量；為鎖相環(huán)本地?cái)?shù)字控制振蕩器產(chǎn)生的載波相位；θerr(k)為殘余誤差相位，表示為式1：3)緩存ro(k)之前的鎖相環(huán)輸出的連續(xù)N個(gè)符號(hào)ro(k?N)～ro(k?1)，用于估計(jì)動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差；鎖相環(huán)輸出信號(hào)ro(k)中含有數(shù)據(jù)調(diào)制信息；所述動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差估計(jì)模塊通過式5將數(shù)據(jù)調(diào)制信息去除之后估計(jì)動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差：式5中，通過M次方操作將MPSK調(diào)制的數(shù)據(jù)信息去除，之后將N個(gè)符號(hào)累加求和，求其相角，并將其相角的M分之一作為動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差的估計(jì)值，估計(jì)得到鎖相環(huán)輸出信號(hào)相位中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差；4)利用動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差的估計(jì)值通過式6對(duì)鎖相環(huán)輸出的第k個(gè)符號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償：ro′(k)=Akej(θerr(k)-θ^e(k))+nk″---(1)]]>式6中，n″k為獨(dú)立同分布的零均值加性復(fù)高斯隨機(jī)變量；所述動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差的補(bǔ)償模塊對(duì)鎖相環(huán)輸出的第k個(gè)符號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償，以消除鎖相環(huán)輸出信號(hào)相位中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差；由所述步驟1)～4)實(shí)現(xiàn)載波跟蹤。...
【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于相位估計(jì)與補(bǔ)償?shù)妮d波跟蹤方法，通過在鎖相環(huán)輸出端級(jí)聯(lián)動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差估計(jì)模塊和動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差補(bǔ)償模塊，消除鎖相環(huán)輸出信號(hào)相位中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差；包括如下步驟：1)接收信號(hào)經(jīng)過下變頻，解擴(kuò)之后送入鎖相環(huán)，鎖相環(huán)入口處第k個(gè)采樣信號(hào)r(k)表示為：r(k)＝Akejθ(k)+nk (式3)式3中，Ak為調(diào)制數(shù)據(jù)符號(hào)；nk為獨(dú)立同分布的零均值加性復(fù)高斯隨機(jī)變量；θ(k)為鎖相環(huán)的入口信號(hào)第k個(gè)符號(hào)的載波相位；j為虛數(shù)的單位；2)將鎖相環(huán)輸出信號(hào)ro(k)表示為式4：其中，ro(k)為鎖相環(huán)輸出信號(hào)；n'k為獨(dú)立同分布的零均值加性復(fù)高斯隨機(jī)變量；為鎖相環(huán)本地?cái)?shù)字控制振蕩器產(chǎn)生的載波相位；θerr(k)為殘余誤差相位，表示為式1：3)緩存ro(k)之前的鎖相環(huán)輸出的連續(xù)N個(gè)符號(hào)ro(k-N)～ro(k-1)，用于估計(jì)動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差；鎖相環(huán)輸出信號(hào)ro(k)中含有數(shù)據(jù)調(diào)制信息；所述動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差估計(jì)模塊通過式5將數(shù)據(jù)調(diào)制信息去除之后估計(jì)動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差：式5中，通過M次方操作將MPSK調(diào)制的數(shù)據(jù)信息去除，之后將N個(gè)符號(hào)累加求和，求其相角，并將其相角的M分之一作為動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差的估計(jì)值，估計(jì)得到鎖相環(huán)輸出信號(hào)相位中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差；4)利用動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差的估計(jì)值通過式6對(duì)鎖相環(huán)輸出的第k個(gè)符號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償： r o ′ ( k ) = A k e j ( θ err ( k ) - ...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：蔣偉，張瑞松，李星辰，厲穎，羅武，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11
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