專利名稱：一種多相關(guān)值定寬擬合偽碼跟蹤鑒相方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種信號處理方法，具體地說是一種在實(shí)際快時變低信噪比等 復(fù)雜信道下，實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性偽碼跟蹤環(huán)路偽碼相位差提取的方法。(二) 背景技術(shù)擴(kuò)頻體制因具有抗干擾能力強(qiáng)、保密性強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)碼分多址和高精度測量的優(yōu) 點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種通信、導(dǎo)航系統(tǒng)中，如CDMA、 GPS等。然而在無線電各個頻段 內(nèi)，存在著各式各樣的人為或非人為的干擾，這將會嚴(yán)重的影響偽碼跟蹤環(huán)路的鑒 相特性曲線，使其不再呈現(xiàn)理想情況下的單峰值三角特性相關(guān)曲線，而是時變的存 在多處抖動的復(fù)雜相關(guān)曲線，非常不利于偽碼跟蹤環(huán)路接收信號偽碼相位差的準(zhǔn)確 提取。圖1為在理想環(huán)境下偽碼自相關(guān)峰，圖2為在復(fù)雜快時變低信噪比環(huán)境下偽 碼自相關(guān)峰，從兩圖中可以看出，在這種復(fù)雜信道下，常規(guī)偽碼跟蹤環(huán)路采用的超 前滯后鑒相方式，通過超前滯后兩個支路做差來得到關(guān)于偽碼相位差的觀測量，得 到的相位差將抖動非常大，信號跟蹤點(diǎn)可能鎖定在存在較大誤差的相位點(diǎn)上，容易 偏離真實(shí)偽碼相位差，從而給偽碼跟蹤帶來較大的跟蹤相位誤差。并且實(shí)際相關(guān)曲 線是關(guān)于相關(guān)峰值平方的曲線，由于噪聲的存在，相關(guān)值總是非零的，因此采用雙 曲線擬合的鑒相方式會引入負(fù)值估計的相關(guān)峰值，對相關(guān)曲線中非零相關(guān)長度為2 個碼片長度未做限制，將會引入一定誤差，因此需要研究復(fù)雜環(huán)境下的偽碼鑒相方 式。擴(kuò)頻接收機(jī)數(shù)字信號處理部分一般均采用FPGA+DSP工作方式，這種方式用于 擴(kuò)頻導(dǎo)航信號的捕獲跟蹤是公認(rèn)已知的，例如Artech House出版的，題為"GPS Principles and Applications (GPS原理與應(yīng)用)"(ISBN 0-89006-793-7) —書 中第5章(GPS satellite signal acquisition and tracking "GPS衛(wèi)星信號捕 獲和跟蹤")。接收機(jī)中各通道的數(shù)字相關(guān)器、積分清洗器、偽碼發(fā)生器、載波發(fā)生 器及邏輯控制電路等由FPGA芯片來完成，DSP芯片讀取各通道積分清洗器的值， 依據(jù)相應(yīng)的控制算法控制各通道的硬件電路，并監(jiān)控環(huán)路的鎖定情況，同時完成數(shù) 據(jù)采集、載體位置解算等任務(wù)。采用多個通道并行工作以同時跟蹤不同導(dǎo)航臺信號。擴(kuò)頻導(dǎo)航信號的捕獲跟蹤環(huán)路采用公認(rèn)的基于能量判決的同相l(xiāng)H交支路實(shí)現(xiàn)環(huán)路 的閉合，例如科學(xué)出版社出版的，題為"擴(kuò)頻通信數(shù)字基帶信號處理算法及其VLSI 實(shí)現(xiàn)"(ISBN7-03-013158-4) —書中第7章(擴(kuò)頻碼序列的捕獲)和第8章(數(shù)字 延遲鎖定跟蹤環(huán))。經(jīng)過接收信號的]f.確捕獲后，本地偽碼發(fā)生器與接收信號的偽碼相位差控制在 半個碼片之內(nèi)。接收機(jī)將轉(zhuǎn)入偽碼跟蹤，通過FPGA得到各個支路的相關(guān)值平方輸 入到DSP中，由DSP中的偽碼鑒相算法得到接收信號與本地信號相位差，相位差 再經(jīng)過環(huán)路濾波器輸出控制量取整后輸入至FPGA，控制本偽碼相位，從而準(zhǔn)確跟 蹤接收偽碼相位。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種能提高復(fù)雜環(huán)境下的偽碼跟蹤精度和穩(wěn)定度，消除 噪聲的影響，能夠得到本地信號與接收信號偽碼相位差的精確估計值的一種多相關(guān) 值定寬擬合偽碼跟蹤鑒相方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本地偽碼發(fā)生器產(chǎn)生多路超甜和滯后的本地偽碼并分別與接收信號進(jìn)行相關(guān)， 經(jīng)過積分清洗和平方環(huán)節(jié)后，運(yùn)用數(shù)據(jù)擬合鑒相方式得到本地對準(zhǔn)碼相位與接收信 號相位差，再經(jīng)過環(huán)路濾波器后調(diào)整本地碼相位。 '本發(fā)明還可以包括1、 所采用的相關(guān)數(shù)據(jù)必須關(guān)于對稱支路兩邊對稱。2、 所述的數(shù)據(jù)擬合是采用具有廣義高斯函數(shù)形式的式^ = /(x)^^T^、'"進(jìn)行采 樣點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合，本地偽碼發(fā)生器產(chǎn)生的多路超甜滯后偽碼相位分別對應(yīng)函數(shù)中的自 變量x，而經(jīng)過積分清洗器和平方環(huán)后得到的不同相位相關(guān)峰值則對應(yīng)著^值，即利用(x。，x,…xj和對應(yīng)的0;。,乂…少J估計參數(shù)a,6,c ，參數(shù)c則對應(yīng)接收碼相位與 本地碼相位之差。3、 在擬合算法中引入寬度限制條件，并考慮到噪聲門限F"。,、e,引入與噪聲門限 相交的x,，^之間要保持兩個碼片寬度的限制條件；由式;;=/(X) = "e—WH" (1)得"/W = ",c>《)w (2) 將式(2)展丌得x12 =￡:土、/_丄111"^ (3)引入寬度限制條件得:x,-x2 =2」」ln^^ = 2 (4)從而得到a與6的關(guān)系 "《/ (5)將式(5)帶入式(1)可得 "/W = L/—(6)由于式(6)為非線性方程，因此對式(6)擬合甜首先需對改式進(jìn)行線性化處 理，采用泰勒級數(shù)展丌對方程(6)進(jìn)行線性化處理；取6。,c。為待估計量6，c近似值，估計量6,c則可表示為p "o + & lc = c0 +《式中A,《為估計量與所取近似值的偏差； 將式(6)在&，c。處展丌并取一次項(xiàng)，則有、&=[1 + & _ (x - c0 )2 & + 2 V《- 2V(A. ] Z 式(7)中，6。,c。，P;,為己知量，xj為跟蹤環(huán)路測量值，A，《為未知量，式 (7)可以寫成、欲'y = /(x) = /(&，c。) + (^) m,《+ (^)|『《(7)其中令/ = 乙、/"'( 2 ' "L、/"( 2[1-(X-02]，則式(8)可以表示為 / = ^ + (9)利用最小二乘法對《，《進(jìn)行估計，得< A [廳][;^]-[T][rp]其中[]為高斯總和符號'[，]=|>,2 =i[2F_V"( 2(x, '/=0 /=0[W] = i>,/,，其余與之類似；得到《,《的估計量后令{"=&+& ，則下一次最小二乘法估計中的估計量&c則可表示為[c = " +《再將式(6)在"，^處泰勒級數(shù)展開，并利用最小二乘法估計出《,《，這樣經(jīng)過反復(fù)迭代運(yùn)算穩(wěn)定后，實(shí)現(xiàn)對6,c的準(zhǔn)確估計，從而得到本地偽碼與接收信號的相位差，將相位差送入環(huán)路濾波器，得到對偽碼時鐘的控制量，進(jìn)一歩控制本地偽 碼發(fā)生器，使本地偽碼進(jìn)一歩與接收信號相位對齊。本發(fā)明針對采用擴(kuò)頻體制的無線電通信、導(dǎo)航系統(tǒng)提出一種偽碼廣義高斯曲線 擬合鑒相方法，利用廣義高斯曲線來擬合多支路不同延遲相位的輸入相關(guān)曲線，通 過將非線性最小二乘算法線性化來估計本地偽碼發(fā)生器與接收信號的偽碼相位差， 從而實(shí)現(xiàn)偽碼跟蹤環(huán)路的高精度及穩(wěn)定度跟蹤。本發(fā)明針對擴(kuò)頻系統(tǒng)接收機(jī)偽碼跟蹤環(huán)提出了一種偽碼相位差鑒相方法，通過本地偽碼發(fā)生器產(chǎn)生的多路不同延遲的偽碼信號與接收信號進(jìn)行相關(guān)得到各路相 關(guān)值，然后利用廣義高斯曲線去擬合相關(guān)值得到最大值對應(yīng)的偽碼相位差，從而完 成本地與接收偽碼相位差的高精度和穩(wěn)定度提取。發(fā)明中通過觀察廣義高斯曲線中參數(shù)6,c的估計值的收斂曲線來驗(yàn)證此算法的可行性，然后通過比較廣義高斯曲線擬合鑒相方式與常規(guī)超甜滯后鑒相方式的偽碼相位差收斂曲線來驗(yàn)證廣義高斯曲 線擬合鑒相方式的高精度和穩(wěn)定度的優(yōu)點(diǎn)。圖6和給出了這兩種鑒相方式下的碼跟 蹤環(huán)路控制曲線，由圖對比可知，采用本發(fā)明所述的多相關(guān)值定寬擬合鑒相方法的 環(huán)路跟蹤控制更加穩(wěn)定，并具有較小的抖動。圖7和圖8給出了兩種方式下的偽碼 跟蹤環(huán)相位跟蹤誤差曲線對比圖，從圖中可以看出，采用本發(fā)明所述的多相關(guān)值定 寬擬合鑒相方法的環(huán)路跟蹤誤差較常規(guī)超甜滯后鑒相方式減小一半左右，明顯提高 了相位跟蹤精度。(四)


圖1是理想環(huán)境下偽碼信號自相關(guān)峰； 圖2是復(fù)雜環(huán)境下偽碼信號自相關(guān)峰；圖3為不同時延相關(guān)值擬合鑒相方式的偽碼跟蹤原理框圖； 圖4是本地碼片相位采樣點(diǎn)示意圖； 圖5是相關(guān)峰值擬合寬度限制示意圖；圖6為傳統(tǒng)超前滯后鑒相方式和多相關(guān)值定寬擬合鑒相方式下偽碼跟蹤環(huán)路控 制量曲線對比圖；圖7為傳統(tǒng)超前滯后鑒相方式和多相關(guān)值定寬擬合鑒相方式下偽碼跟蹤誤差曲 線對比圖；圖8為圖7的局部放大圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述接收機(jī)擴(kuò)頻信號進(jìn)行捕獲，使本地產(chǎn)生的偽碼相位與接收信號偽碼相位差在半 個碼片之內(nèi)，之后轉(zhuǎn)入偽碼跟蹤。轉(zhuǎn)入偽碼跟蹤后，通過本地偽碼發(fā)生器產(chǎn)生的多 路超前滯后對稱的不同時延本地偽碼信號與接收信號進(jìn)行相關(guān)和平方運(yùn)算得到各 路相關(guān)峰值，然后利用上述廣義高斯曲線去擬合接收信號的相關(guān)曲線，通過最小二乘法不斷迭代修改廣義高斯曲線中參數(shù)估計值，經(jīng)過多次迭代穩(wěn)定后，將此時提取 的偽碼相位差觀測量經(jīng)過環(huán)路濾波器送入到偽碼時鐘控制器中，調(diào)整本地偽碼相位 使之與接收信號的偽碼相位差趨向于零。 -參數(shù)估計值迭代穩(wěn)定前需不斷調(diào)整廣義高斯曲線的參數(shù)值，并且此時得到的偽 碼相位差觀測量不反饋給偽碼時鐘控制器，只有參數(shù)估計值當(dāng)?shù)€(wěn)定后，才利用 提取的偽碼相位差觀測量控制整個偽碼跟蹤環(huán)路，并且不再修改廣義高斯曲線的參 數(shù)值。
權(quán)利要求
1、一種多相關(guān)值定寬擬合偽碼跟蹤鑒相方法，其特征是本地偽碼發(fā)生器產(chǎn)生多路超前和滯后的本地偽碼并分別與接收信號進(jìn)行相關(guān)，經(jīng)過積分清洗和平方環(huán)節(jié)后，運(yùn)用數(shù)據(jù)擬合鑒相方式得到本地對準(zhǔn)碼相位與接收信號相位差，再經(jīng)過環(huán)路濾波器后調(diào)整本地碼相位。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種多相關(guān)值定寬擬合偽碼跟蹤鑒相方法，其特 征是所采用的相關(guān)數(shù)據(jù)必須關(guān)于對稱支路兩邊對稱。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種多相關(guān)值定寬擬合偽碼跟蹤鑒相方法， 其特征是所述的數(shù)據(jù)擬合是采用具有廣義高斯函數(shù)形式的式y(tǒng) = /(X) = "e—W—。2進(jìn)行采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合，本地偽碼發(fā)生器產(chǎn)生的多路超附帶后偽碼相位分別對應(yīng)函數(shù)中的自變量;c ，而經(jīng)過積分清洗器和平方環(huán)后得到的不 同相位相關(guān)峰值則對應(yīng)著y值，即利用^。,x,…xJ和對應(yīng)的UvnJ估計參 數(shù)a，6,c ，參數(shù)c則對應(yīng)接收碼相位與本地碼相位之差。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多相關(guān)值定寬擬合偽碼跟蹤鑒相方法，其特征是在擬合算法中引入寬度限制條件，并考慮到噪聲門限^_,，引入與噪聲門 限相交的X，，A之間要保持兩個碼片寬度的限制條件；由式;;=/(" = "^"—c)2 (1)得y = /(X) = W—"K)、^股(2) 將式(2)展丌得引入寬度限制條件得:一 x， = 2j——ln從而得到"與6的關(guān)系:<formula>formula see original document page 3</formula>由于式(6)為非線性方程，因此對式(6)擬合前首先需對該式進(jìn)行線性 化處理，采用泰勒級數(shù)展丌對方程(6)進(jìn)行線性化處理；取^,c。為待估計量6，c近似值，估計量6，c則可表示為<formula>formula see original document page 3</formula>式中《,《為估計量與所取近似值的偏差;將式(6)在6。,C。處展開并取一次項(xiàng)，則有 "脅爆。)+ (蓋"《+(蕓)ICc<formula>formula see original document page 3</formula>式(7)中，6。,c。，F(xiàn),為已知量，x,y為跟蹤環(huán)路測量值，《，《為未知量， 式(7)可以寫成<formula>formula see original document page 3</formula>其中令/ ="<formula>formula see original document page 3</formula>利用最小二乘法對A，《,進(jìn)行估計，得其中[]為高斯總和符號，<formula>formula see original document page 4</formula>其余與之類似；得到&，《的估計量后令j^
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6，c則可表示為 <formula>formula see original document page 4</formula>再將式(6)在^,4處泰勒級數(shù)展開，并利用最小二乘法估計出《,《，這樣 經(jīng)過反復(fù)迭代運(yùn)算穩(wěn)定后，實(shí)現(xiàn)對6,c的準(zhǔn)確估計，從而得到本地偽碼與接收信號的相位差，將相位差送入環(huán)路濾波器，得到對偽碼時鐘的控制量，進(jìn)一歩控 制本地偽碼發(fā)生器，使本地偽碼進(jìn)一歩與接收信號相位對齊。<formula>formula see original document page 4</formula>，則下一次最小二乘法估計中的估計j
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種多相關(guān)值定寬擬合偽碼跟蹤鑒相方法。本地偽碼發(fā)生器產(chǎn)生多路超前和滯后的本地偽碼并分別與接收信號進(jìn)行相關(guān)，經(jīng)過積分清洗和平方環(huán)節(jié)后，運(yùn)用數(shù)據(jù)擬合鑒相方式得到本地對準(zhǔn)碼相位與接收信號相位差，再經(jīng)過環(huán)路濾波器后調(diào)整本地碼相位。本發(fā)明針對采用擴(kuò)頻體制的無線電通信、導(dǎo)航系統(tǒng)提出一種偽碼廣義高斯曲線擬合鑒相方法，利用廣義高斯曲線來擬合多支路不同延遲相位的輸入相關(guān)曲線，通過將非線性最小二乘算法線性化來估計本地偽碼發(fā)生器與接收信號的偽碼相位差，從而實(shí)現(xiàn)偽碼跟蹤環(huán)路的高精度及穩(wěn)定度跟蹤。
文檔編號H04B1/69GK101247138SQ200810064170
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月25日
發(fā)明者徐定杰, 鋒 沈, 偉 王, 冰 薛, 郝燕玲, 韋金辰, 平 黃 申請人:哈爾濱工程大學(xué)