一种载波跟踪电路和载波跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种载波跟踪电路和载波跟踪方法，属于卫星导航领域。

背景技术

在当今社会，全球导航卫星系统(GNSS)已经变为包含美国GPS(全球定位系统)，俄罗斯GLONASS(俄语“全球卫星导航系统GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM”的缩写)，欧洲Galileo(伽利略卫星导航系统)和中国BDS(北斗卫星导航系统)的多系统多频点环境。对于这些系统，其跟踪环路中载波的跟踪环路至关重要，同时，鉴相器的性能决定着整个跟踪环路的跟踪误差，反正切鉴相器由于其较低的鉴相误差而被广泛使用，例如，即时路二象限反正切鉴相器，利用即时路P的正交路和同向路数据I/Q，进行二象限反正切鉴相，对于鉴相误差进行环路滤波后调整数字VCO(压控振荡器)，改变本地载波的相位与速率，使得本地载波复制实际信号的载波信息。但是该鉴相器的建模和理论推导都是在忽略噪声影响的前提下进行，实际使用时，由于噪声的介入，使得该鉴相器的鉴相性能较低，这不仅对载波测量的精度造成了影响，也增大了码相位的测量误差，特别是在采用载波跟踪辅助码跟踪的环路结构中。

发明内容

本发明的目的在于对载波相位鉴别过程中采用超前、滞后路数据对载波鉴相进行修正，提高载波环路跟踪精度。

为达到上述目的，本发明公开了一种载波跟踪电路，所述载波跟踪电路包括：接收机，用于接收中频信号；

载波鉴相环路，由载波NCO连接正弦LUT和余弦LUT，正弦LUT和余弦LUT分别连接第一相关器和第二相关器，第一相关器和第二相关器连接EPL载波鉴相器，EPL载波鉴相器连接载波NCO构成；其中，载波NCO用于产生本地载波信号；

码鉴相环路，由码NCO连接码发生器，码发生器连接移位寄存器，移位寄存器分别连接第一相关器和第二相关器，第一相关器和第二相关器连接码鉴相器，码鉴相器连接码NCO构成；其中，码NCO用于控制本地伪码信号；

其中，正弦LUT和余弦LUT接收本地载波信号产生数字正弦信号和数字余弦信号，所述数字正弦信号和数字余弦信号分别与接收到的中频信号相乘得到同向路信号和正交路信号，所述正交路信号输入第一相关器，所述同向路信号输入第二相关器；

其中，移位寄存器产生提前、即时、滞后码分别输入第一相关器和第二相关器；

其中，第一相关器和第二相关器输出信号至EPL载波鉴相器和码鉴相器，用于进行噪底消除并产生载波相位误差和码相位误差，利用载波相位误差和码相位误差输入到载波NCO和码NCO来调整载波NCO的本地载波和码NCO的本地伪码，通过载波鉴相环路和码鉴相环路循环调整，直至载波相位误差和码相位误差为零，完成跟踪。

所述的一种载波跟踪电路，其中载波相位误差和码相位误差为零时，本地载波相位和本地伪码相位是载波跟踪电路接收到的中频信号的载波相位和码相位。

所述的一种载波跟踪电路，其中第一相关器和第二相关器分别包括三个乘法器和一个积分清零单元，用于正交路信号、同相路信号与移位寄存器产生的提前、即时、滞后码相乘，相乘结果经过积分清零单元输出6路信号。

所述的一种载波跟踪电路，其中6路信号是I_P、Q_P、I_E、Q_E、I_L、Q_L，E为超前路，P为即时路，L为滞后路，I/Q分别为同向信号与正交信号。

本发明还公开了一种载波跟踪方法，包括：将接收到的中频信号与本地载波相乘形成同向路和正交路信号；同向路和正交路信号与移位寄存器形成的超前路，即时路和滞后路相乘得到6路信号，对6路信号积分和清零；

输入积分和清零后的6路信号到EPL载波鉴相器进行噪底消除并得到载波相位误差，载波相位误差输入载波NCO调整本地载波输出；输入积分和清零后的6路信号到码鉴相器进行噪底消除并得到码相位误差，码相位误差输入码NCO调整本地伪码；

输出码NCO产生的本地伪码到码发生器产生本地扩频码，输入本地扩频码到移位寄存器形成超前，即时和滞后路；根据载波相位误差和码相位误差不断调整本地载波和本地伪码，直至载波相位误差和码相位误差等于零，跟踪完成。

所述的一种载波跟踪方法，其中输入的6路信号是I_P、Q_P、I_E、Q_E、I_L、Q_L，E为超前路，P为即时路，L为滞后路，I/Q分别为同向信号与正交信号。

所述的一种载波跟踪方法，其中进行载波噪底消除满足下列公式：

2I_P-(I_E+I_L)＝2A_RD(n)sinc(f_eT_coh)cos(θ_e)，

2Q_P-(Q_E+Q_L)＝2A_RD(n)sinc(f_eT_coh)sin(θ_e)。

所述的一种载波跟踪方法，其中使用二象限反正切法获得载波相位误差。

由上述的技术方案可见，本发明实施例通过利用超前路与滞后路的数据，消除了输入信号锁相环底噪，在保证锁相环固定增益的同时，提高载波和伪码的跟踪精度。当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中载波跟踪电路的结构图；

图2是本发明实施例中-155dBm功率下E-P-L与P-ONLY鉴相器性能比较图；

图3是本发明实施例中-145dBm功率下E-P-L与P-ONLY鉴相器性能比较图；

图4是本发明实施例中-135dBm功率下E-P-L与P-ONLY鉴相器性能比较图。

具体实施方式

根据图1对本发明的进行说明，载波跟踪电路主要包括：

接收机(图中未示出)，用于接收中频信号；

载波NCO(数控振荡器)：用于产生本地载波信号；正弦LUT(显示查找表)模块：利用查找表法发生数字正弦信号；余弦LUT模块：利用查找表法发生数字余弦信号；

载波鉴相环路：由载波NCO连接正弦LUT模块和余弦LUT模块，正弦LUT模块和余弦LUT模块分别连接第一相关器和第二相关器，第一相关器和第二相关器连接EPL载波鉴相器，EPL载波鉴相器连接载波NCO构成。

其中，正弦LUT模块和余弦LUT模块分别发生数字正弦信号和数字余弦信号，所述数字正弦信号和数字余弦信号分别与载波跟踪电路接收到的中频信号相乘得到同向路信号和正交路信号，正交路信号输入第一相关器，同向路信号输入第二相关器。

码鉴相器：由码NCO连接码发生器，码发生器连接移位寄存器，移位寄存器分别连接第一相关器和第二相关器，第一相关器和第二相关器连接码鉴相器，码鉴相器连接码NCO构成，对经过BPSK调制的信号，利用提前路和滞后路进行码相位鉴别。码发生器：产生本地扩频码，经过移位寄存器产生提前，即时和滞后码。

第一相关器和第二相关器：分别包括三个乘法器和一个积分清零单元，用于正交路信号、同相路信号与移位寄存器产生的提前、即时、滞后码相乘，相乘结果经过积分清零单元生成6路需要的信号。E为超前路，P为即时路，L为滞后路，I/Q分别为同向信号与正交信号。码NCO：码数控振荡器，用于控制本地伪码信号。

相异于传统P_ONLY载波鉴相环路，EPL鉴相器的输入信号由E-P-L的I/Q组成的共6路信号，利用这六路信号进行信号的载波噪底消除和环路鉴别，使用二象限反正切进行鉴相。

根据前述的载波跟踪电路进行基于噪底消除的载波跟踪方法包括以下步骤，首先将接收到的中频信号与本地载波正弦、余弦数字信号相乘形成同向路I(t)和正交路Q(t)信号：

I(t)＝cos((ω₀+ω′_d)t+θ′₀)

Q(t)＝sin((ω₀+ω′_d)t+θ′₀)

同相路I(t)和正交路Q(t)信号分别与移位寄存器形成的超前路E，即时路P和滞后路L相乘，相乘之后进行积分清零(相关器)。

对于超前路与滞后路，其经过相关器积分清零后的同向、正交输出为：

I_E＝A_R(1-d+Δτ)D(n)sinc(f_eT_coh)cos(θ_e)+N

Q_E＝A_R(1-d+Δτ)D(n)sinc(f_eT_coh)sin(θ_e)+N

I_L＝A_R(1-d-Δτ)D(n)sinc(f_eT_coh)cos(θ_e)+N

Q_L＝A_R(1-d-Δτ)D(n)sinc(f_eT_coh)sin(θ_e)+N

式中d为伪码的E-P-L三路信号的相关器码片间隔，而对于超前路与滞后路，按照AWGN模型，其含有相同的基底噪声N，A_R为相干积分的幅度系数，同时，其Δτ为输入信号与本地伪码的码相位误差，对于以上的四路信号，令超前、滞后路的同向路I，正交路Q分别相加：

I_E+I_L＝2A_R(1-d)D(n)sinc(f_eT_coh)cos(θ_e)+2N

Q_E+Q_L＝2A_R(1-d)D(n)sinc(f_eT_coh)sin(θ_e)+2N

同样，对于即时路P，基底噪声与同向、正交路也具有相同的关系：

I_P＝A_RD(n)sinc(f_eT_coh)cos(θ_e)+N

Q_P＝A_RD(n)sinc(f_eT_coh)sin(θ_e)+N

至此，在EPL鉴相器中可以通过下面所示的运算消去通道中包含的基底噪声N：

2I_P-(I_E+I_L)＝2A_RD(n)sinc(f_eT_coh)cos(θ_e)

2Q_P-(Q_E+Q_L)＝2A_RD(n)sinc(f_eT_coh)sin(θ_e)

这样，通过将即时路经过相关器积分清零的同向、正交输出分别乘以2，将经过相关器积分清零输出的超前、滞后路的同向路和正交路分别相加，通过上面给出的相减运算，消除了基底噪声N，包含在通道中的基底噪声就不能够对之后的载波鉴相结果进行影响。之后，采用二象限反正切函数就可以得到更加精度的载波相位误差输出值：

通过将EPL载波鉴相器得到的载波相位误差输出值输入到载波NCO调整本地载波输出；由调整后的载波输出产生新的正交路信号、同相路信号，与移位寄存器产生的新的提前、即时、滞后码相乘，相乘结果经过积分清零单元生成新的6路信号。此处，调整后的载波输出产生的新的正交路信号、同相路信号与移位寄存器产生的新的提前、即时、滞后码是同时发生的。EPL载波鉴相器和码鉴相器同时输入了新的6路信号，此时，码鉴相器也得到新的码相位差，新的码相位差输入码NCO调整本地伪码，码NCO输入调整后的本地伪码到码发生器产生新的本地扩频码，新的本地扩频码输入到移位寄存器产生新的提前、即时、滞后码；循环操作，直至EPL载波鉴相器输出的载波相位误差和码鉴相器输出的码相位差等于零，此时，认为跟踪完成，本地载波的相位和本地伪码相位即载波跟踪电路接收到的中频信号的载波相位和码相位，从而得到中频信号的到达时间和位置，环路闭合。

根据本发明实施方式可知，在EPL鉴相器中，通过超前、滞后路的加入，通过将即时路经过相关器积分清零的同向、正交输出分别乘以2，同时将经过相关器积分清零输出的超前、滞后路的同向路和正交路分别相加，二者进行相减使得本发明提供的载波跟踪电路不会被噪声基底所影响，也不需要对噪声基底进行估计。

下面对使用了E-P-L鉴相器的新的载波跟踪环路和传统P路锁相环进行了仿真与测试。比较了不同载噪比下两种鉴相器的鉴相误差输出。

图2是输入信号功率-155dBm下的E-P-L鉴相器与传统P-ONLY鉴相器的性能比较，从图中可以看出，由于通道噪声的存在，传统P-ONLY鉴相器的输入与输出的线性度较差，而E-P-L鉴相器的线性度明显好于传统方法。

图3是输入信号功率-145dBm下的E-P-L鉴相器与传统P-ONLY鉴相器的性能比较，从图中可以看出，由于信号功率的提升，通道噪声减少，使得其对鉴相器的影响较低，E-P-L鉴相器对通道噪声的滤除可以提升鉴相器的性能，在该功率下的性能比较，E-P-L方法优于传统P-ONLY鉴相器。

图4是输入信号功率-135dBm下的E-P-L鉴相器与传统P-ONLY鉴相器的性能比较，从图中可以看出，该功率下两种方法的性能差别不大，这是因为在高功率时的信号通道噪声已经不是影响鉴相器性能的主要原因，在该功率下，两种方法均有较好的线性度。

可以看出，本发明提供的载波跟踪电路和载波跟踪方法，采用超前、滞后路数据对载波鉴相进行修正，达到消除基底噪声的目的。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。