第7章B 接收机

相干积分和非相干积分是接收微弱GPS信号的关键技术。两者的 区别在于：

非相干超前减滞后幅值法

非相干超前减滞后功率法

准相干点积功率法

相干点积功率法
紧密结合 结构描述 载波环辅助的 码环 外界辅助 硬软件实现形 式
位同步的依据 （1）1ms伪码周期边沿应该与20ms的比特边沿对 齐； （2）导航电文中必然存在数据比特跳变； （3）比特跳变必然与C/A码的周期起始边沿对齐；

鉴相器：利用相干积分结果来估算当前的相位误差。 四种鉴相器
不同鉴相器的输入-输出关系
对比特跳变并不敏感； 鉴相器的牵入范围； 不同鉴相器的牵入范围 不同；


GPS卫星不播发50Hz的数据码时，接收机载波环可 以采用纯PLL形式。 不仅可以采用很长的相干积分时间； 还可以采用四象限反正切函数法来鉴相：
◦ 相位阶跃激励：各阶PLL均可以跟踪； ◦ 频率阶跃激励：一阶PLL存在稳态误差，二阶和高阶PLL可以跟踪； ◦ 频率斜升激励：二阶PLL存在稳态误差，三阶及以上PLL可以跟踪；
GPS在椭圆轨道上运行时，载波多普勒频偏近似成频率斜升， 因此GPS接收机经常遭受这样的激励。


环路稳定性：
◦ 一阶和二阶PLL在理论上无条件稳定； ◦ 而三阶PLL的参数选择不当时，就会不稳定。

环路噪声带宽（环路带宽）：控制着进入环路 的噪声量多少。 环路带宽越窄，则进入环路的噪声功率就越小， 环路的滤波效果就越好，环路对信号的跟踪就 越精确。 而环路为了适应高动态应力导致载波频率和相 位变化，就需要较宽的环路带宽。 环路噪声带宽必须在低噪声和高动态性之间做 出平衡和选择。



两个措施： 接收机动态监测：根据监测结果来选择环路带宽； 卡尔曼滤波器：动态环路带宽调节算法，输入为相差、多普勒频偏、多普勒变化 率。
载波剥离 载波NCO 载波NCO偏移量 载波积分器 伪码剥离 对准的C/A码 预检积分 鉴别器 鉴相器 鉴频器 环路滤波器
NCO参数： •采样时钟 •输出频率 •控制字
NCO结构： •相位累加器 •正余弦查找表

积分清洗器：通过积分低通滤波来消除信号中的高频噪声 成分。 也称预检积分，是指载波剥离之后的相关和相干积分。 相干积分时间：称为预检积分(PDI)时间，Tcoh 相干积分的输出：

帧同步：对遥测字中的同步头进行搜索。
(1)数据比特流中逐个比特地搜索8比特的同步码及其反向值， 直至成功为止。若将这一过程中的比特搜索、匹配过程视为相关 运算，则这一过程实际上是寻找结果为+8或者-8的（非单位化后 的）相关值。 （2）为了验证上一步搜索到的的8个比特真的是同步码而不是 由随机比特凑巧组成的，接收通道需要收集接下来的22个比特， 然后利用（2.29）验证这30个比特是否满足奇偶校验）详见12.3.3 节）。一方面，假如这30个比特（加上上一字的最后两个比特） 自身不能满足作为一个字的奇偶校验，可是随机产生的或者含有 错误解调的最后6个比特又有可能凑巧与计算所得的奇偶校验码相 4 同，而能同时满足同步码和奇偶校验的帧同步出错概率为1.22 10， 即 0.0078 0.56 。考虑到这一概率值尚未足够小，接收机在时间 许可的条件下仍应该继续验证搜索到的8比特真的是同步码。
伪码跟踪环，简称码环：使得接收机复制的伪码尽
量与接收信号中的伪码对齐，即伪码相位一致。
◦ 伪码良好的自相关性，获得扩频增益 ◦ 良好的互相关性，减小对其他卫星信号的干扰

载波跟踪环，简称载波环：尽量使得接收机的本地
载波与接收信号中的载波频率和相位一致。
◦ 相位锁定环路 ◦ 频率锁定环路
3、位同步




（3）这一步利用紧接遥控字之后的交接字来进一步验证帧同步成功的真实性， 如图2.20所示，在交接字中可以用来进一步验证帧同步成功的数据比特主要 包括以下三项：一是前17比特的截短的周内时计数值所对应的GPS时间应该 在0~604799s这一范围之内；二是第20至22这三个比特所代表的子帧识别标志 必须为一个值在1至5之间的数；三是整个30比特的交接字也必须满足奇偶检 验。如果到此为止的所有检验全部通过，那么发生帧同步错误的概率应该说 已经很小了，因而接收通道可以开始正常地对解调出来的数据进行收集、解 译。然而，因为随机产生的30个数据仍有可能全部通过这些检验，所以下一 步将继续验证帧同步成功的真伪。 （4）等到收集完下一子帧的遥控字之后，接收机可以进行最后一道这样的检 验：检查这一子帧遥控字中的之前17个比特所代表的截短的周内时计数值比 上一子帧中的相应值刚好大于1（注意考虑周内时计数值从最大值返零的这种 6 情况）。因为随机数据比特能满足这一条件的概率小至 7 .6 3 1 0 （即 0.517 ），所以这一步的检验可谓相当严格。 经过以上四个步骤中的一系列检验以及其他可能的额外检验后，若帧同步算 法至此还未能否定第1步中所找到的子帧边沿，则帧同步成功，否则返回地1 步重新开始。
数据解调
载波剥离

鉴相
同相正交环(Costas环) ： 可以处理携带数据的输入信号； 使用正交载波。 这两点是与纯PLL的不同之处。 纯PLL结构
针对GPS L1 C/A码信号处理时

环路锁定后，I路信号功率最大，Q路功率最小。 I路输出的符号位可以作为解调数据； 存在180°相位模糊问题；

扩大了鉴相器的线性工作区和牵入范围。

FLL：使得本地载波与接收信号中的载波频率保持一致。 相干积分输出： 鉴频器的基本原理

两个问题： （1）数据跳变；（2）360°的相位模糊

不同鉴频器的牵入范围不同；
（1）锁相环采用较窄的噪声带宽，能比较紧密地跟踪信号，输 出的载波相位测量值相当精确，并且解调出的数据比特错误率 也比较低，然而它对动态应力的容忍性较差。当噪声较强或者 所需环路带宽较宽时，锁相环就有可能对信号锁定发生困难。 事实上，在锁相环、锁频环和下一章的码环之中，锁相环是最 脆弱的一种环路。 （2）锁频环采用较宽的噪声带宽，动态性能较好，能更好地容 忍用户的高动态应力以及射频、多路径和电离层风暴等干扰， 能跟踪信噪比更低的信号，并且对数据比特跳变也叫不敏感； 然而它对信号的跟踪欠紧密，环路噪声较高，输出的载波相位 测量值欠精确，并且数据解调过程中所发生的比特错误也较高。 因为锁频环跟踪的是信号的频率，所以对于11.2.3节所讨论的稳 态响应来说，N-1阶锁频环可以获得N阶锁相环相当的性能，即 一阶锁频环能准确无误跟踪频率阶跃信号，而二阶锁频环能准 确无误的跟踪频率斜升信号（即加速度运动）。


相关积分结果 复数形式：

幅度和相位：

相干积分增益：通过相干积分后，SNR增加的倍数； 其中，Ncoh是相干积分时间内，输入积分器的样本数。 也可以表示成： 其中，Bpd为相关器之前的噪声带宽。 相干积分之后SNR： 相干积分对载噪比C/No，没有改变： （dB）


位同步算法——直方图
观察多个数据比特跳变现象以提高判断比特边沿的可靠性， 直方图法首先将载波环所输出的1ms宽数据比特流用1~20循环编号，其 中编号为1的首个数据比特是任意选定的，然后逐个统计两个毫秒之间 i 的数据跳变情况：若 第个数据到 个数据发生了跳变，则对应于 i 1 i 1 第 个直方的计数器值加一，否则计数器保持不变。这样，每当处 理完20ms的数据之后，直方图法查看统计结果是否为以下两种情况的 一种。 N1 (1)有一个直方图的计数器值达到门限值 ：这种情况如图12.9所示 N1 的例子一样，因为第4个直方的计数器值最大，即数据流中从第3个毫 秒至第4个毫秒的比特跳变次数最多，并且该计数器值又已经达到了 次，所以位同步被认为已经成功实现，其中比特边沿偏差为3ms。这样， 第1至第3毫秒属于一个比特，第4至20毫秒加上紧随其后的第1至第3毫 N2 秒属于下一个比特，而余下的数据比特分割则依次类推。 (2)至少有两个直方的计数器值达到或超过门限值 ：这种情况表 明了信号强度太弱，或者这一段导航电文所包含的数据比特跳变太少， 于是位同步失败，所有各个直方的计数器清零，然后重新开始对数据 跳变的统计。 如果以上两种情况均没有发生，那么接收机继续对数据流进行逐个 检查和统计。若载波环在尚未实现位同步之前出现对信号的失锁，则 以上统计过程同样需要清零重启。

基带输出信号处理过程也存在一定的损耗：约1~2dB； 主要包括：有限数据位的量化损耗、比特跳变给相干 积分的损耗、噪声的相关性造成的损耗、接收机控制 误差损耗等。

也就是说，在上式的增噪比增益的基础上需要额外考 虑这1~2dB的损耗。
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相干积分时间无限长？NO （2）多普勒频偏
2、跟踪

从捕获状态出发，通过跟踪环对载波和码相位的精确估 计，可以解调出导航电文数据比特，同时输出信号中的 各种GPS测量值。 三个功能：（1）提取数据码；（2）复制信号中的载 波，提取多普勒频移和载波相位测量值；（3）复制信 号中的伪码，提取码相位和伪距测量值。


信号跟踪是由载波跟踪环和伪码跟踪环组成；
Part B: 信号的跟踪与解调

一、基带数字信号处理模块 二、载波跟踪环
◦ 相位锁定环（PLL） ◦ 频率锁定环（FLL）
基本原理、环路参数、IQ解调、预检积分、鉴相器、误差 基本原理、鉴频器、误差
◦ PLL与FLL的对比与组合

三、伪码跟踪环
◦ 延迟锁定环（DLL）：相干积分与非相干积分、鉴相器 ◦ 码环与载波环的结合
（1）数据跳变，比特宽度20ms
相干积分时间的取值需要兼顾： 接收机噪声性能： 为了增强滤波效果，降低噪声， 提高跟踪精度，积分滤波器带 宽需要足够窄，相干积分时间 值就尽量长； 接收机动态性能： 为了支持高动态，为了让跟踪 环路更大程度地容忍频率跟踪 误差，积分滤波器带宽应该尽 量宽，相干积分时间尽量短。