吳興存,何 謙,殷雪明,楊 恒

(中國衛(wèi)星海上測控部,江蘇 江陰 214431)

1 引 言

伴隨著全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的全面升級和發(fā)展,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)也呈現(xiàn)出新的發(fā)展特點(diǎn),主要有兩個方面:一是提高接收機(jī)的抗干擾性;二是發(fā)展軟件接收機(jī)技術(shù),提高接收機(jī)的兼容性和互操作性[1]。研究發(fā)現(xiàn),可配置導(dǎo)航信號處理技術(shù)是一個解決多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容問題的有效的研究方向。所謂可配置,就是進(jìn)行導(dǎo)航信號處理的數(shù)字邏輯或軟件算法可根據(jù)不同系統(tǒng)的導(dǎo)航信號特征進(jìn)行靈活配置,實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)兼容的目的。而研究可配置導(dǎo)航信號處理通道的目的是探索高兼容性的導(dǎo)航信號處理技術(shù),這種兼容性主要表現(xiàn)在兩個方面:一是兼容不同導(dǎo)航信號,即該可配置的導(dǎo)航信號處理通道可用于GPS、GLONASS、GALILEO 和“北斗”二代等不同衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的不同導(dǎo)航信號的處理;二是兼容不同的導(dǎo)航信號射頻處理電路,指的是該可配置導(dǎo)航信號處理通道可與大多數(shù)的導(dǎo)航信號射頻處理電路配合工作,更換射頻電路時(shí)修改通道的配置參數(shù)即可。本文以解決兼容不同導(dǎo)航信號為目的對可配置導(dǎo)航信號處理通道中關(guān)于載波數(shù)控振蕩器(Numerically Controlled Oscillator,NCO)和偽碼NCO的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,為進(jìn)一步開發(fā)“北斗”二代導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的接收機(jī)打下良好的基礎(chǔ)。

2 可配置導(dǎo)航信號處理通道結(jié)構(gòu)

可配置導(dǎo)航信號處理通道的高兼容性是通過對各種工作參數(shù)進(jìn)行可重新配置來實(shí)現(xiàn)的。在可配置的導(dǎo)航信號處理通道中,關(guān)鍵部件如載波NCO、偽碼NCO和本地碼發(fā)生器都可通過重新配置以適應(yīng)不同的需求。圖1所示就是可配置的導(dǎo)航信號處理通道基本結(jié)構(gòu),與一般的單一導(dǎo)航信號處理通道[2]不同的是,該導(dǎo)航信號處理通道在控制寄存器文件的基礎(chǔ)上還多出了一組配置寄存器文件,這些配置寄存器文件用于載波NCO、偽碼NCO和本地碼發(fā)生器的配置,通過對配置寄存器文件的設(shè)置,載波NCO和偽碼NCO都可具有不同的中心頻率,適應(yīng)不同頻率的驅(qū)動時(shí)鐘,而本地碼發(fā)生器則可輸出不同類型的偽碼如GPS信號的C/A碼、GLONASS L1信號的C/A碼、GALILEO E5信號的偽碼和“北斗”二代B1(B2)信號的偽碼等。

因此,可配置導(dǎo)航信號處理通道的關(guān)鍵技術(shù)就在載波NCO的可配置、偽碼NCO的可配置和本地碼發(fā)生器的可配置,這三點(diǎn)正是可配置的導(dǎo)航信號處理通道設(shè)計(jì)的主要問題。由于篇幅所限,本文只對載波和偽碼NCO的可配置技術(shù)進(jìn)行研究。

圖1 可配置的導(dǎo)航信號處理通道基本結(jié)構(gòu)Fig.1 The basic structure of the configurable navigation signal processing channel

3 可配置載波NCO設(shè)計(jì)

可配置載波NCO的主要參數(shù)有中心頻率、頻率調(diào)節(jié)范圍、頻率調(diào)節(jié)粒度、驅(qū)動時(shí)鐘周期、載波周期相位點(diǎn)數(shù)和數(shù)字波形幅度位數(shù)。其中,中心頻率與導(dǎo)航信號的理論數(shù)字中頻信號的載波頻率一致;而頻率調(diào)節(jié)范圍則覆蓋導(dǎo)航信號載波多普勒頻移所能達(dá)到的范圍;頻率調(diào)節(jié)粒度指載波NCO的最小頻率調(diào)節(jié)步長;驅(qū)動時(shí)鐘周期是載波NCO的基準(zhǔn)參考時(shí)間。

3.1 可配置載波NCO設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

可配置載波NCO的基本框架如圖2所示,其中心頻率和驅(qū)動時(shí)鐘周期這兩個輸入信號由導(dǎo)航信號處理通道中配置寄存器文件提供,用于設(shè)定載波NCO的中心頻率值和驅(qū)動時(shí)鐘的周期;頻率偏移量這個輸入值則由可配置的導(dǎo)航信號處理通道中的控制寄存器文件提供,用于在電路工作時(shí)對載波NCO的實(shí)際輸出頻率進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié),使其與導(dǎo)航信號的載波頻率同步;而相位點(diǎn)數(shù)輸入端用虛線框表示,原因就是該值其實(shí)是一個預(yù)設(shè)的固定值,表示單個載波周期內(nèi)劃分的相位點(diǎn)個數(shù)。

圖2 可配置載波NCO的基本框架Fig.2 The basic framework of configurable carrier NCO

本文設(shè)計(jì)可用于實(shí)際工作的載波NCO,為了保證載波NCO的兼容性,對中心頻率設(shè)置范圍、頻率調(diào)節(jié)范圍、頻率調(diào)節(jié)粒度和驅(qū)動時(shí)鐘周期4個參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究,最后確定的參數(shù)及依據(jù)如下。

(1)中心頻率設(shè)置范圍

載波NCO的中心頻率主要由衛(wèi)星射頻信號處理電路所輸出的中頻信號載波頻率所決定。同時(shí),載波NCO的中心頻率設(shè)置范圍應(yīng)盡可能覆蓋各種射頻芯片的中頻信號載波頻率。射頻信號處理電路輸出的中頻信號載波頻率一般約為偽碼速率的4倍。由GPS、GLONASS 、GALILEO 及“北斗”二代[3]的導(dǎo)航信號結(jié)構(gòu)可知,以GPS P碼、GALILEO E5和“北斗”二代B2(B3)信號碼速率最高,為10.23 Mchip/s,故確定本文的載波NCO的頻率設(shè)置范圍為0～40.96MHz。在實(shí)現(xiàn)載波NCO時(shí),中心頻率設(shè)定值需一個26 bit的寄存器保存,故實(shí)際的中心頻率設(shè)置范圍為0～67.108864MHz,頻率設(shè)置的粒度為1 Hz。

(2)頻率調(diào)節(jié)范圍

頻率調(diào)節(jié)范圍由兩方面的因素決定,一是載波多普勒頻移,二是射頻信號處理電路中參考時(shí)鐘的誤差。其中,多普勒頻移在衛(wèi)星與接收設(shè)備相對運(yùn)動速度為6000 m/s、載波頻率為1.6GHz時(shí)約為±32 KHz。為了覆蓋可能的頻偏,參考時(shí)鐘(對于1.2～1.6 GHz的本地振蕩器頻率,穩(wěn)定度為±1×10-5ppm的參考時(shí)鐘)引入的中頻信號載波頻率不確定度為±16 kHz。綜合上面兩個因素,確定頻率的可調(diào)節(jié)范圍為±48 KHz,應(yīng)該可以覆蓋中頻信號載波頻率所能達(dá)到的范圍。

(3)頻率調(diào)節(jié)粒度

頻率調(diào)節(jié)粒度的選擇需要滿足最高的精度要求,為保證載波NCO頻率的精度,要求頻率調(diào)節(jié)粒度為幾兆赫到幾十兆赫。本文載波NCO性能是首位的,故頻率調(diào)節(jié)粒度設(shè)計(jì)為1 MHz。具體實(shí)現(xiàn)時(shí),頻率調(diào)節(jié)粒度與頻率調(diào)節(jié)范圍的設(shè)定共用一個寄存器,寄存器位數(shù)為27 bit,在頻率調(diào)節(jié)粒度為1MHz下,頻率覆蓋范圍為±67.108864 KHz,從而進(jìn)一步擴(kuò)大了頻率調(diào)節(jié)范圍。

(4)驅(qū)動時(shí)鐘周期

驅(qū)動時(shí)鐘周期是載波NCO的基準(zhǔn)參考時(shí)間,載波NCO輸出的數(shù)字載波信號頻率精度就是由它決定的。對于導(dǎo)航信號處理通道,載波NCO的驅(qū)動時(shí)鐘一般就是導(dǎo)航信號處理通道對輸入的數(shù)字中頻信號進(jìn)行采樣的時(shí)鐘,為了兼容所有的導(dǎo)航信號,采樣頻率最低都在2 MHz以上,從而確定驅(qū)動時(shí)鐘周期的變化范圍為0～500 ns;有時(shí)驅(qū)動時(shí)鐘周期長度并不是整數(shù)納秒,為保證精度,驅(qū)動時(shí)鐘周期的精度設(shè)定為10-5ns,為了進(jìn)行0～500 ns范圍內(nèi)的驅(qū)動時(shí)鐘周期設(shè)置,需要用到一個26 bit的寄存器,則實(shí)際驅(qū)動時(shí)鐘周期可設(shè)置的范圍為0～671.08864 ns,這樣的參數(shù)配置足以滿足要求。

單周期相位點(diǎn)數(shù)及輸出幅度位數(shù)的確定則比較簡單。單周期相位點(diǎn)數(shù)一般設(shè)為8,這是現(xiàn)有的導(dǎo)航信號處理通道普遍采用的方案[4],本文的載波NCO也采用這種方案。輸出幅度位數(shù)在導(dǎo)航信號處理通道的設(shè)計(jì)中采用較多的方案有兩種:一種是用兩位二進(jìn)制碼表示輸出幅度,具體幅度為±1、±2這4個值;另一種是用3位二進(jìn)制碼表示輸出幅度,具體幅度為0、±2、±3這5個值。由于三位二進(jìn)制碼表示的輸出信號幅度精度更高,本文中載波NCO的輸出信號幅度將用3位二進(jìn)制補(bǔ)碼表示。

3.2 載波NCO設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的可配置載波NCO的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示,分三大功能塊:一是載波NCO的寄存器讀寫功能塊,負(fù)責(zé)對載波NCO的中心頻率、驅(qū)動時(shí)鐘周期的配置,對頻率偏移量的控制,同時(shí)也負(fù)責(zé)對載波NCO的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視;二是載波相位增量計(jì)算及累積功能塊,負(fù)責(zé)計(jì)算當(dāng)前驅(qū)動時(shí)鐘周期內(nèi)的載波相位增加值及其與歷史累積相位值求和后的新累積相位值,并用相位點(diǎn)變化量和累積相位點(diǎn)來表示;三是載波波形輸出功能塊,主要包含sin函數(shù)映射表及cos函數(shù)映射邏輯,其中cos函數(shù)映射邏輯負(fù)責(zé)對當(dāng)前的累積相位點(diǎn)值進(jìn)行π/4相移,將與sin函數(shù)值對應(yīng)的累積相位點(diǎn)值變換成對應(yīng)于cos函數(shù)映射值的累積相位點(diǎn);功能塊輸出的就是與當(dāng)前累積相位點(diǎn)對應(yīng)的sin和cos函數(shù)映射值。測試結(jié)果表明,該載波NCO符合上文提出的各種設(shè)計(jì)參數(shù),因此能兼容不同的射頻信號處理電路,處理不同的導(dǎo)航信號,可直接用到可配置導(dǎo)航信號處理通道中。

圖3 可配置載波NCO的結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of configurable carrier NCO

4 可配置偽碼NCO設(shè)計(jì)

可配置偽碼NCO工作原理實(shí)際上就是可配置載波NCO的簡化。相對于載波NCO,這種簡化主要體現(xiàn)在4個方面:中心頻率有限,即對應(yīng)于導(dǎo)航信號偽碼速率的偽碼NCO中心頻率只有有限的幾種,如1.022 MHz、2.046 MHz、20.46 MHz等 ;頻率偏移范圍較小,一般情況下對頻率進(jìn)行偏置的目的是對偽碼的相位進(jìn)行微調(diào);相位點(diǎn)數(shù)也只有兩個,即0和1,分別對應(yīng)于0～π和π～2π的相位;輸出信號為0和1,直接對應(yīng)于當(dāng)前的相位點(diǎn)值。因此,在設(shè)計(jì)偽碼NCO時(shí),不能完全照搬載波NCO,否則將造成大量的硬件資源浪費(fèi)?？膳渲脗未aNCO的主要參數(shù)有中心頻率、頻率調(diào)節(jié)范圍、頻率調(diào)節(jié)粒度和驅(qū)動時(shí)鐘周期,這些參數(shù)的意義與載波NCO的相同,此處就不再重復(fù)。

4.1 可配置偽碼NCO設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

本文設(shè)計(jì)可用于實(shí)際工作的偽碼NCO,同樣為了保證偽碼NCO的兼容性,對中心頻率設(shè)置范圍、頻率調(diào)節(jié)范圍、頻率調(diào)節(jié)粒度和驅(qū)動時(shí)鐘周期這4個參數(shù)也作了研究,最后確定的參數(shù)及依據(jù)如下。

(1)中心頻率設(shè)置范圍

偽碼NCO的中心頻率為導(dǎo)航信號偽碼速率的2倍,已知的導(dǎo)航信號其偽碼速率及對應(yīng)的偽碼NCO中心頻率如表1所示。從表中可知,偽碼NCO的中心頻率的最大值為20.46 MHz,且均為1 KHz的整數(shù)倍。因此,若以1 KHz為單位設(shè)置偽碼NCO的中心頻率,用15 bit的配置寄存器即可,實(shí)際的中心頻率值設(shè)置范圍為0～32.768 MHz。

表1 不同衛(wèi)星導(dǎo)航信號偽碼速率及對應(yīng)偽碼NCO中心頻率Table 1 PN code rate of different satellite navigation signals and the corresponding code NCO center frequency

(2)頻率調(diào)節(jié)范圍

與載波NCO不同的是偽碼NCO進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)的主要目的是對偽碼的相位進(jìn)行微調(diào),用以保持本地碼與輸入信號偽碼的精確同步。因此,決定偽碼NCO頻率調(diào)節(jié)范圍的主要因素就是偽碼相位調(diào)節(jié)速度,相位調(diào)節(jié)速度的最大值一般為1個偽碼周期內(nèi)1/2個偽碼寬度(即1個偽碼NCO時(shí)鐘周期)的變化。表1所列的各種偽碼中,偽碼周期最小的為1 ms,對應(yīng)最大頻率偏移量為1 KHz,因此偽碼NCO的頻率調(diào)節(jié)范圍可定為±1 KHz。

(3)頻率調(diào)節(jié)粒度

頻率調(diào)節(jié)粒度的選擇需要滿足最高的精度要求,與載波NCO一樣,為了保證偽碼NCO頻率的精度,要求頻率調(diào)節(jié)粒度為幾兆赫到幾十兆赫,本文的偽碼頻率調(diào)節(jié)粒度也設(shè)計(jì)為1 MHz。在本文設(shè)計(jì)的偽碼NCO中,頻率調(diào)節(jié)粒度與頻率調(diào)節(jié)范圍共用一個22 bit的寄存器進(jìn)行設(shè)置,故實(shí)際的頻率調(diào)節(jié)范圍為±2.097152 KHz。

(4)驅(qū)動時(shí)鐘周期

偽碼NCO與載波NCO共用同一個驅(qū)動時(shí)鐘,因此驅(qū)動周期的配置方案與載波NCO的一致,也共用一個驅(qū)動時(shí)鐘周期配置寄存器,此處不再重復(fù)介紹。

由于偽碼NCO輸出的是方波信號,故單周期相位點(diǎn)數(shù)就是兩個,即0和1,分別對應(yīng)于0～π和π～2π的相位,輸出信號為1和0,對當(dāng)前的相位點(diǎn)值進(jìn)行反相輸出即可。

4.2 偽碼NCO設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的可配置偽碼NCO的基本框架如圖4所示,分為三大功能塊:一是偽碼NCO的寄存器讀寫功能塊,這個功能塊與載波NCO的相應(yīng)功能塊是共用的,圖中用省略號表示的部分就是載波NCO及其它部分的配置及監(jiān)控寄存器;二是載波相位增量計(jì)算及累積功能塊;三是偽碼NCO波形輸出功能塊,負(fù)責(zé)將累積相位值映射為1 bit的方波信號,并反相、二分頻后形成等于預(yù)設(shè)頻率值及1/2分頻值的兩路方波信號輸出。

圖4 可配置偽碼NCO框架Fig.4 The framework of configurable PN code NCO

本文用VHDL語言實(shí)現(xiàn)了可綜合的偽碼NCO邏輯結(jié)構(gòu),圖5所示為本文的偽碼NCO在ModelSim環(huán)境下輸出的仿真波形。仿真時(shí)的基本參數(shù)為:驅(qū)動時(shí)鐘頻率為50MHz,對應(yīng)的驅(qū)動時(shí)鐘周期為20 ns;偽碼NCO 的 中 心 頻 率 為 1.022MHz、4.092MHz、10.23MHz;頻移偏移量變化范圍為±1 KHz。

圖5 不同中心頻率可配置偽碼NCO的輸出波形Fig.5 The outputwaveform of configurable PN code NCO at different center frequency

本文對所設(shè)計(jì)的偽碼NCO也進(jìn)行了測試,測試結(jié)果表明,該偽碼NCO符合上文提出的各種設(shè)計(jì)參數(shù),因此,適應(yīng)不同的導(dǎo)航信號處理的要求,也可直接用于可配置導(dǎo)航信號處理通道中,為多種衛(wèi)星導(dǎo)航兼容接收機(jī)信號處理通道設(shè)計(jì)提供了很好的思路。

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