GPS软件接收机载波跟踪环路设计

余小辉

(中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051)



GPS软件接收机载波跟踪环路设计

余小辉

(中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051)

为研究GPS信号处理技术，首先设计了GPS软件接收机的总体方案，然后对其中的关键模块——载波跟踪环进行深入分析并拟定环路各部件的实现方案，利用MATLAB对环路进行仿真分析，验证了该方案的可行性，最后在Altera公司的FPGA上完成了环路的设计。结果表明，Costas载波跟踪环性能良好，完全能够满足GPS软件接收机的工作要求，具有一定的工程参考价值。

GPS软件接收机；载波跟踪环；科斯塔斯环

0 引 言

全球定位系统(GPS)，作为成熟的卫星导航系统之一，目前已经被广泛应用到军事、民用的各个领域，作为GPS用户设备的接收机一直是国内外很多公司和研究机构的研发对象。目前，由于国外厂商对接收机核心技术的垄断，国内很多GPS接收机的生产还依赖国外原始设备制造(OEM)板的进口，而我国的导航定位市场需求在日益扩大，因此，完全地研制出自主知识产权的接收机，对于我国在GPS接收机技术上的独立及发展我国的北斗二代卫星导航系统都具有重要的意义[1]。

GPS软件接收机，设计灵活，并能迅速分析和实现各类算法。本文所设计的是GPS L1信号软件接收机，主要由信号接收、射频前端、相关器和导航解算4个部分组成。

相关器和导航解算部分是软件接收机的核心， GPS软件接收机的技术核心是相关器，用于捕获并跟踪GPS信号，送到后级处理。载波跟踪环路，又称同相正交环、Costas环，是设计相关器的关键技术，因为载波的频率和相位同步与否将直接影响到GPS接收机的性能和定位精度；Costas环中环路滤波器的参数对基带信号处理部分的频率带宽和噪声误差会有重要影响[2]。因此本文重点介绍载波跟踪环的设计。

1 Costas载波跟踪环分析与设计

Costas载波跟踪环由数控振荡器、鉴相器、环路滤波器、低通滤波器等部分组成[3]。

数控振荡器(NCO)用来产生本地载波信号，它与输入中频信号同相相乘及相移90°再相乘，相乘后再经低通滤波器输出，2路低通滤波器的输出都加到arctan鉴相器上，它的输出Δφe为输入信号相位φs和NCO相位φr之差，经环路滤波器滤波后加到NCO，在环路未锁定时，Δφe控制NCO的频率和相位，向缩小跟踪误差的方向调整。在环路锁定后，相位差Δφe很小，从环路中的I路上的输出数据即为导航电文。

在作者所设计的GPS接收机中，数据速率为50 bit/s，量化位数为2位，采样速率为5 MHz，载波中心频率为 1.405 MHz，输入信噪比大于0 dB，要求环路锁定后相位抖动小于5°。

1.1 低通滤波器模块

低通滤波器的作用是滤除中频输入信号相乘后产生的高次谐波和窄带噪声，由于在现场可编程门阵列(FPGA)中处理的GPS中频信号为数字信号，采用积分清零器作为低通滤波器，先将输入数字信号经过2n个载波周期的累加，然后将数据通过移位寄存器右移n位，这样既可以起到低通滤波的作用，又保证了环路的增益不变，不会使数据过大而溢出。

1.2 鉴相器模块

鉴相器采用四象限反正切鉴相器，因为它的输出信号与输入幅值无关，在高信噪比和低信噪比时鉴相性能均为最佳，且输出值直接为相位差φe，但计算量较大。反正切运算采用查表法来实现时，要用到一个只读存储器(ROM),占用了FPGA很大的资源空间。为节省FPGA的资源，采用近似算法y=90°×Q/(Q+I)来代替y=arctan(Q/I)。这样做的误差很小，可以忽略，而且只需要一个加法器和一个除法器就可以实现。

1.3 NCO模块

NCO的结构框图如图1所示，累加器将输入的N位频率控制字M不断累加，直到累加器溢出，得到以M为步长的数字相位，通过保持寄存器得到要输出的当前相位，由当前相位映射得到正余弦信号。每次NCO累加到溢出时，就完成了1个复现载波周期。采样频率fs为5 MHz，32 bit的NCO时钟fclk为64 MHz，则NCO的频率控制字为：

M=2Nfs/fclk=5×232/64=3.035 544×108

(1)

频率分辨率为：

(2)

图1 NCO的结构框图

1.4 环路滤波器模块

环路滤波器的作用包括低通滤波和调节环路的跟踪速度。环路滤波器采用一阶数字环路滤波器来实现，原理图如图2所示。

图2 一阶数字环路滤波器框图

通过建立数字锁相离散域模型[4]，可以得到环路滤波器的2个参数:

(3)

(4)

式中：ξ为阻尼系数，取ξ=0.707；BL为等效环路噪声带宽；T为NCO的相位校正间隔；Ko为鉴相器增益K0=2πfs/2NT；Kd为NCO增益，Kd=0.5Q(2N-1-1)·2B-1Dr。

在环路中，BL越小，环路噪声越小，跟踪精度越高，但跟踪速度越慢；BL越大，跟踪速度越快，但环路噪声大，精度较低，并且环路容易失锁[5]。根据经验折衷考虑，取BL=30 Hz，算得环路自然角频率ωn=8εBL/(4ε2+1)=56 Hz。

根据采样时间取得T=1 ms, NCO采样频率fs取64 MHz，N为NCO中相位累加的位数，这里为32 bit。最后算得C1=0.035 5，C2=0.001 04，近似算法得到C1=2-5，C2=2-10。

2 载波跟踪环路的仿真和实现

为了验证前文设计的载波跟踪环方案的可行性，对环路进行MATLAB仿真，如图3。由仿真结果看到，环路在300 ms左右进入了稳定状态，稳定后载波相位差一直在0°上下，环路已经完全锁定。为了便于观察环路仿真结果，仿真时设多普勒频移为常值，仿真结果显示，多普勒频移在环路稳定后一直稳定在2 474 Hz左右。

图3 载波相位差和多普勒频移仿真图

按照前文设计和仿真的参数对环路的各个部件在FPGA中用VHDL语言来实现。对各个时钟进行了设置，GPS载波跟踪环路的采样时钟频率clk为5 MHz,环路中累加器的清零时钟clr频率为1 kHz,NCO的输入时钟频率 nco_clk为64 MHz。图4为FPGA仿真软件QuartusⅡ实现的载波跟踪环路原理图。

图4 QuartusⅡ上实现的顶层寄存器传输级原理图

在QuartusⅡ上对原理图进行仿真，得到环路的波形图，如图5所示。在仿真中将载波的初始相位差设为22.5°，初始频率误差设为110 Hz，在大约6.4 ms时，载波相位和频率与给定值完全同步，环路锁定，此后环路一直处于锁定状态。在环路中加入噪声，输入信噪比为5 dB时，同步时间约60 ms，锁定后相位抖动约8°，环路能够较好地锁定。该载波跟踪环可以在含噪声的GPS信号中使用，解调出码调制的导航电文。

图5 载波同步时环路的波形仿真图

3 结束语

本文所设计的Costas载波跟踪环已在GPS L1信号软件接收机测试平台上(如图6所示)测试使用。

图6 GPS L1信号软件接收机测试平台图

测试使用的结果表明,该设计实现了捕获灵敏

度≤-158 dBW，跟踪灵敏度≤-160 dBW，定位精度≤3 m(1 rms，-158 dBW，GDOP<2)，性能良好，从而证明了设计的正确性和可行性。在以后的研究中，可以进一步优化跟踪环路的算法，提高环路的性能。

[1] 刘基余．GPS卫星导航定位原理与方法[M]．北京：科学出版社,2003：6-7.

[2] COSTAS J P.Synchronous Communication[J]．Proceedings of the IRE，1956，44(12)：1713-1718.

[3] 张欣．扩频通信数字基带信号处理算法及其VLSI实现 [M].北京:科学出版社,2004.

[4] 余小辉．GPS L1信号处理技术研究与实现[D]．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

[5] 张安安,杜勇,韩方景．全数字Costas环在FPGA上的设计与实现[J]．电子工程师，2006(1)：18-20.

Design of Carrier Tracking Loop for Software GPS Receiver

YU Xiao-hui

(The 13th Research Institute,CETC,Shijiazhuang 050051,China)

To research into GPS signal processing technology,this paper firstly designs the total scheme for software GPS receiver,then deeply analyzes the key module——carrier tracking loop and designs the realization scheme of each part of the loop,uses MATLAB to perform simulation and analysis to the loop,validates the feasibility of this scheme,finally finishes the scheme design of the loop based on FPGA of Altera Co..The result indicates that the tracking performance of Costas carrier loop is well,can satisfy the requirements of software GPS receiver completely and has definite engineering reference value.

software GPS receiver;carrier tracking loop;Costas loop

2016-04-27

TN911.25

A

CN32-1413(2016)04-0088-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.04.020