面向滤波器预失真的导航信号监测技术

刘晗，张立新

（中国空间技术研究院西安分院 陕西 西安　710100）

面向滤波器预失真的导航信号监测技术

刘晗，张立新

（中国空间技术研究院西安分院 陕西 西安710100）

导航发射信道存在一定的非理想特性，这些非理想特性会给导航信号带来失真，预失真技术通过补偿信道的失真特性来实现导航信号质量的改善。滤波器是信道中非常重要的非理想器件，它的幅频、群时延特性会给导航信号引入线性失真，通过分析失真信号的幅度谱和相位谱实现对滤波器失真特性的实时监测，预失真单元可以根据监测得到的非理想特性改变滤波器参数，从而达到有效补偿信道中滤波器引入失真的效果。

预失真；滤波器；幅频；群时延；监测

由于BOC调制是一种能够很好的解决信号之间相互干扰、频谱混叠从而共享频带的调制体制，随着用户对于导航精度要求的不断提高，BOC调制信号在全球导航卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）新体制中被广泛使用。导航信号经过发射信道会产生失真，该失真主要由导航载荷的混频器、滤波器、高功率放大器（HPA）等引入［1］，其中线性失真包括幅度失真、相位失真和群时延波动失真，非线性失真主要是由HPA引入的AM/AM及AM/PM特性［2］。文章通过研究失真信号的功率谱、星座图和SCB曲线分析滤波器对信号质量的影响，并通过监测信号的幅度谱和相位谱计算得到滤波器的幅频、相频及群时延特性，将实时计算得到的滤波器特性传送给预失真单元，从而实现有效补偿信道中滤波器非理想特性的效果。

图1　导航发射信道模型Fig.1　Navigation transmit channel model

1　滤波器非理想特性对导航信号的影响

导航信号的失真是由信道的非理想特性引起的，综合国内外各大导航系统的导航发射信道模型，可将一般的导航发射信道模型简化为如图1所示［3-4］。由此可以分析各个功能模块部件非理想特性对导航信号质量的影响。

滤波器和HPA是引入信号失真最主要的器件，文章主要研究滤波器非理想特性对导航信号的影响，并通过失真信号的幅度谱和相位谱监测滤波器的幅频、相频特性，从而为滤波器的预失真技术提供参数需求。

导航信号采用BOC调制信号体制，并由几路BOC信号经恒包络调制而成，以我国Compass系统B1信号为例，理想的B1信号由B1cd（BOC（1，1））、B1cp（TMBOC（6，1，4/33））和B1a（BOC（14，2））经恒包络调制而成。B1cd和B1cp位于I支路，B1a和用于恒包络调制的积信号位于Q支路上，I、Q两个支路的基带信号经数字中频调制后形成B1恒包络调制的合路信号。理想B1信号的功率谱和星座图如图2所示。

滤波器的幅频特性和群时延特性会给信号引入失真，IIR滤波器同时具备这两种非理想特性，文中通过模拟 IIR滤波器来研究导航信号在两种特性共同作用下的失真。滤波器模型选择巴特沃兹滤波器，带宽24 MHz，带内波动为1 dB，带外抑制为-30 dB，滤波器的幅频、群时延特性如图3所示。

理想信号经过滤波器后得到的失真信号的功率谱和星座图如图4所示。

图2　理想信号的功率谱和星座图Fig.2　Power spectrum and constellation of ideal signal

图3　滤波器幅频和群时延Fig.3　Amplitude-frequency and group delay of filter

由仿真结果可知信号的功率谱没有明显的变化，信号的星座图在滤波器幅频特性以及群时延特性的共同作用下产生了明显的发散。

B1信号由几路BOC信号调制，现选取其中一路的BOC （1，1）信号的SCB曲线研究滤波器对导航信号的影响。导航卫星发射信道引入的失真导致码相关函数变形，码相关函数的变形导致接收机超前-滞后码跟踪环路产生相应的跟踪误差。其主要原因为：超前-滞后形式的码跟踪环路，由于失真的相关函数左右不对称性导致码鉴相器的过零点与当前码相关函数的最大值存在一定偏差，该偏差使实际接收机的跟踪位置与理想相关最大值存在一个时间差，导致接收机本地复现的码相位与理想相位存在误差，此误差定义为SCB，它是较为通用的衡量导航卫星发射信道失真引起的测距误差的指标。BOC（1，1）信号经过滤波器后的SCB曲线如图5所示。

图4　失真信号的功率谱和星座图Fig.4　Power spectrum and constellation of distortion signal

由图5可知，失真信号的SCB曲线偏移达到10几个ps的数量级。通过以上的仿真分析，验证了滤波器的幅频和群时延特性给导航信号带来了失真。

2　滤波器非理想特性监测

预失真技术通过补偿滤波器的失真特性来改善导航信号质量。由于温度变化、硬件故障等一些问题的出现，会使滤波器的非理想特性产生变化，超出预失真所能补偿的范围，此时经发射信道得到的导航信号将会引起导航系统的测距误差，影响用户的定位精度［5］。因此需要对滤波器的非理想特性进行监测，并根据变化的非理想特性调整预失真单元的补偿范围，从而使导航发射信号质量符合指标要求。

图5　失真信号的SCB曲线Fig.5　SCB curve of distortion signal

设计如图6所示的监测接收机来监测信号的功率谱、群时延以及SCB曲线，通过分析失真信号的特性得到滤波器的非理想特性，并将该非理想特性反馈给预失真单元，当导航发射信号质量达不到指标要求时，预失真单元就根据监测得到的非理想特性改变滤波器参数，从而达到有效补偿信道中滤波器引入失真的效果。

图6　监测接收机配置Fig.6　Monitoring receiver configuration

功率谱可以反映信号的幅度特性，通过分析失真信号的功率谱来表征滤波器的幅频特性；群时延表征了滤波器的相频特性，是预失真在工程应用中最重要的补偿参数，通过计算失真信号与理想信号的相位谱差，利用群时延计算公式求出信号群时延，并用来表征滤波器的群时延特性。将得到的这两种特性传输给预失真单元，当预失真单元无法完全补偿滤波器在幅频和相频中引入的失真时，就可以通过监测单元传输给预失真单元的参数调整预失真滤波器补偿范围，从而得到符合指标要求的导航信号。

2.1功率谱监测

功率谱可以反映信号的幅度特性，通过失真信号的功率谱与理想信号的功率谱，可以由下式求出滤波器的幅频特性。

其中，Pdis为失真信号的功率谱，Pideal为理想信号的功率谱，Hpower为求得的滤波器幅频特性。功率谱监测的仿真采用B1信号，滤波器选择如图3所示的巴特沃兹滤波器，理想信号和失真信号的功率谱如图2、图4所示。根据公式（1）、（2）仿真得到滤波器的幅频特性如图7所示。

图7　滤波器幅频特性估计Fig.7　Filter amplitude-frequency estimate

由仿真结果可知，通过信号功率谱计算出的滤波器幅频特性与图3中滤波器真实的幅频特性基本符合，通过式（2）求得H（f）的作为监测参数传给预失真单元，当信号质量达不到指标要求时，将H-1（f）作为预失真滤波器的幅频特性，理想信号经过逆滤波器及发射信道中的滤波器后就可得到补偿信号。

2.2群时延监测

群时延对信号质量的影响为滤波器的主要影响，不同形状的群时延特性对信号质量的影响各不相同［6］。在实际的预失真补偿技术中，群时延是非常重要的技术指标，对滤波器的预失真主要就是进行群时延预失真。由于理想信号的群时延为0，通过计算理想信号和失真信号的相频特性φ（ω）ideal、φ （ω）dis，求得信号失真前后的相频特性差dφ（ω），由公式（3）即可求出信号经过滤波器后的群时延特性变化。

式中dφ（ω）为失真信号与理想信号的相位差，τ（ω）为群时延。

图8　滤波器群时延特性估计Fig.8　Filter group delay estimate

根据以上公式仿真得到的滤波器群时延如图8所示，信号和滤波器分别采用2.1中相同的设计。

由仿真结果可知，计算得出的群时延与图3中的滤波器真实群时延特性基本符合，因此通过这种方法很好的反映了滤波器的群时延特性，将此群时延特性反馈给预失真单元，当信号质量达不到指标要求时，将-作为预失真滤波器的群时延特性，理想信号经过逆滤波器及发射信道中的滤波器后就可得到相位补偿。

3　结束语

滤波器是导航信道中引入失真的重要器件，通过对导航信号功率谱、星座图、SCB曲线的仿真分析，可以得出滤波器的幅频、相频特性对导航信号质量的影响。滤波器给导航信号带来的失真可以通过预失真技术来进行补偿，但由于温度变化、硬件故障等一些问题的出现，会使滤波器的非理想特性产生变化。根据信号的功率谱和相位谱与滤波器幅频、群时延的关系，通过仿真分析验证了监测信号的功率谱和群时延可以很好的反映滤波器的幅频和群时延特性，将这些非理想特性反馈给预失真单元，当信号质量达不到指标要求时，就可以根据监测得到的参数对导航信号进行补偿。

［1］Guenter W.Hein.Where are we going in satellite navigation PNT Symposium Stanford CA，2010.

［2］Manuela Rapisarda，PieroAngeletti，Enrico Casini.A Simulation Framework for the Assessment of Navigation Payload Non-Idealities［C］.2nd Workshop on GNSS Signal&Signal Processing 24-25 April 2007，ESTEC.

［3］杨志梅.导航卫星发射信道的预失真技术研究 ［D］.西安：中国空间技术研究院西安分院，2014.

［4］郭媛媛，王岗，谢军.导航载荷线性失真对BOC信号影响的研究［J］.现代电子技术，2012（5）：32-35，38.

［5］Soellner M，Kohl R，Luetke W，et al.The impact of linear and non-linear signal distortions on Galileo code tracking accuracy［C］.ION GPS 2002，24-27 September 2002.

［6］田嘉，王伟，史平彦.群时延对测距误差的影响［J］.空间电子技术，2012（3）：14-16，30.

Navigation signal monitoring technology for Filter Pre-distortion

LIU Han，ZHANG Li-xin
（China Academy of Space Technology，Xi’an 710100，China）

Navigation transmitter channel has some non-idealities，these non-idealitiesresult distortion in navigation signal，pre-distortion technology realizes navigation signal quality improvement through compensating non-idealities of channel.Filter is a very important non-ideal device in the channel，it's amplitude-frequency and group delay bring linear distortion to navigation signal，through analyzing amplitude spectrum and phase spectrum of distortion signal we can realize the monitor of the filter distortion characteristics.The pre-distortion unit uses the non-idealities monitored to change the filter parameter and compensate the distortion resulted by filter in the channel effectivel.

pre-distortion；filter；amplitude-frequency；group delay；monitor

TN820.2

A

1674－6236（2016）03-0133-04

2015-03-26稿件编号：201503355

刘 晗（1988—），男，吉林大安人，硕士研究生。研究方向：空间导航技术。