專利名稱：一種中頻直序擴頻接收機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種擴頻接收機，尤其涉及一種用于衛(wèi)星測距的中頻直序擴頻接 收機，該發(fā)明屬于衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著航天技術(shù)的發(fā)展，我國的深空探測戰(zhàn)略已經(jīng)正式展開，并取得初步成果，2007 年10月，嫦娥一號月球探測衛(wèi)星成功發(fā)射，并傳回了大量的月球遙測數(shù)據(jù)，為我國利用探 測太空，利用太空邁出了第一步，同時，月球探測的成功將為我國開展深空探測奠定技術(shù)基 石出。在深空探測過程中，時刻了解衛(wèi)星所處的精確位置具有重要意義，對衛(wèi)星的定位 不僅能夠使得地面站時刻了解衛(wèi)星的工作狀態(tài)、所處的位置，而且能夠為衛(wèi)星的變軌、姿態(tài) 調(diào)整提供依據(jù)。測距的原理是測量無線電信號到被測目標(biāo)的傳輸時延，從而計算出和目標(biāo) 距離。目前我國的衛(wèi)星測距系統(tǒng)主要分為兩種，側(cè)音(連續(xù)音)測距系統(tǒng)和偽碼(擴頻) 測距系統(tǒng)。連續(xù)音測距主要通過發(fā)送一系列不同頻率的連續(xù)測距信號，測量接收到的各個 頻率信號的延時，最高頻率分量被稱為測距時鐘，確定了側(cè)音測距的精度，其它分量用來解 距離模糊。偽碼測距信號通過發(fā)送特定的擴頻碼序列，測量衛(wèi)星返回的擴頻碼序列的相位 延時，即可得到地面站和衛(wèi)星之間的距離。和側(cè)音測距相比，偽碼測距具有測距精度高，無 模糊距離大，抗干擾能力強，抗衰落能力強，抗多徑干擾能力強，保密性好，具有碼分多址能 力等優(yōu)點，偽碼測距是衛(wèi)星測控的重要手段，目前我國衛(wèi)星測距方式正越來越多的采用偽 碼測距方式。偽碼測距的精度由擴頻碼的碼片速率決定，碼片速率越高測距的精度越高，測距 的無模糊距離由測距碼的長度決定。測距碼越長，能夠測量的距離范圍越大。為了提高測 距精度，增大最大測量距離，需要提高擴頻碼的碼片速率，并且選擇更長的擴頻碼，但是碼 片速率越高，對硬件的要求越高，實現(xiàn)的難度越大，擴頻碼周期越長，捕獲的難度越大，捕獲 的時間越長，因此設(shè)計一種能夠?qū)Ω叽a片速率長碼進行快速捕獲的擴頻接收機具有重要意 義。
發(fā)明內(nèi)容1、目的本實用新型的目的是提供一種用于衛(wèi)星測距的中頻直序擴頻接收機。該 擴頻接收機能夠?qū)Ω叽a片速率的長碼進行快速捕獲，并具有較高的測距精度。2、技術(shù)方案如圖1所示，本實用新型是一種用于衛(wèi)星測距的中頻直序擴頻接收 機，組成包括前端模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(簡稱前端A/D) 10、同相支路乘法器20、同相支路有限沖 激響應(yīng)低通濾波器(簡稱同相支路FIR低通濾波器)21、正交支路乘法器30、正交支路有限 沖激響應(yīng)低通濾波器(簡稱正交支路FIR低通濾波器)31、積分清零器40、緩存器41、快速 傅里葉變換模塊(簡稱FFT模塊)42、支路1復(fù)數(shù)乘法器50、支路1本地偽隨機碼存儲只讀 存儲器(簡稱支路1本地PN碼存儲R0M)51、支路1逆快速傅里葉變換模塊(簡稱支路1IFFT模塊)52、支路1均方根模塊53、支路2復(fù)數(shù)乘法器60、支路2本地偽隨機碼存儲只讀存儲 器(簡稱支路2本地PN碼存儲R0M)61、支路2逆快速傅里葉變換模塊(簡稱支路2IFFT模 塊)62、支路2均方根模塊63、自動門限計算模塊70、捕獲判斷模塊71、偽隨機碼起始位置 計算模塊(簡稱PN碼起始位置計算模塊)72、載波頻率調(diào)整模塊73、本地偽隨機碼生成器 (簡稱本地PN碼生成器)80、相關(guān)器81、碼跟蹤環(huán)均方根模塊82、碼跟蹤環(huán)鑒相器83、碼跟 蹤環(huán)環(huán)路濾波器84、碼跟蹤環(huán)加法器85、碼跟蹤環(huán)數(shù)控振蕩器(簡稱碼跟蹤環(huán)NC0) 86、碼跟 蹤環(huán)多普勒補償模塊87、載波跟蹤環(huán)鑒頻/鑒相器90、載波跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器91、載波跟蹤 環(huán)加法器92和載波跟蹤環(huán)數(shù)控振蕩器(簡稱載波跟蹤環(huán)NC0)93。其中碼跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器84和載波跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器91內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，只有參 數(shù)不同，如圖2所示包括直通支路放大器100、環(huán)路濾波器加法器101、積分支路放大器 110、積分支路加法器111和積分支路延時單元112。上述所有組成部分，除前端A/D10使用現(xiàn)成上架產(chǎn)品以外，其余部分均在可編程 邏輯門陣列(FPGA)中實現(xiàn)。所述的前端A/D10以恒定的采樣率對調(diào)理后的70M中頻擴頻信號進行帶通采樣， 將輸入的模擬信號變換為數(shù)字信號，前端A/D10使用現(xiàn)成的產(chǎn)品。載波跟蹤環(huán)NC0 93使用直接頻率綜合算法(簡稱DDS算法)實現(xiàn)，負(fù)責(zé)產(chǎn)生和前 端A/D10帶通采樣后標(biāo)稱中頻相同的兩路固定本地載波，兩路載波的相位相差90°，載波 跟蹤環(huán)NC0 93的輸出和前端A/D10輸出的帶通采樣后的信號作為同相支路乘法器20和正 交支路乘法器30的輸入；同相支路乘法器20和正交支路乘法器30使用FPGA內(nèi)部IP核實 現(xiàn)，作為下變頻器使用，將輸入信號下變頻到零中頻，同相支路乘法器20和正交支路乘法 器30輸出的結(jié)果分別進入結(jié)構(gòu)相同的同相支路FIR低通濾波器21和正交支路FIR低通濾 波器31 ；同相支路FIR低通濾波器21和正交支路FIR低通濾波器31采用FIR結(jié)構(gòu)濾波器， 使用FPGA內(nèi)部IP核實現(xiàn)，負(fù)責(zé)對下變頻后的信號進行濾波，濾除下變頻后的倍頻分量和帶 外噪聲，將基帶信號中的噪聲功率降到更低。低通濾波后的結(jié)果一方面輸出給積分清零器40，進行碼捕獲，另一方面輸出給相 關(guān)器81用于碼跟蹤。積分清零器40在碼跟蹤環(huán)NC086產(chǎn)生的本地PN碼時鐘控制下，對同 相支路FIR低通濾波器21和正交支路FIR低通濾波器31濾波后的結(jié)果分別進行積分清零。 積分清零器40輸出的結(jié)果進入緩存器41，在緩存器41中同時對同相和正交支路的信號進 行緩存，以適應(yīng)后續(xù)FFT模塊42對輸入數(shù)據(jù)速率的要求，緩存器41使用FPGA內(nèi)部IP核實 現(xiàn)。緩存器41緩存后輸出的同相和正交支路的結(jié)果分別作為FFT模塊42的實部和虛部輸 入，在FFT模塊42中進行快速傅里葉變換，F(xiàn)FT模塊42使用FPGA內(nèi)部IP核實現(xiàn)。FFT模 塊42的實部和虛部輸出作為支路1復(fù)數(shù)乘法器50和支路2復(fù)數(shù)乘法器60的一路輸入，支 路1復(fù)數(shù)乘法器50和支路2復(fù)數(shù)乘法器60使用FPGA內(nèi)部IP核實現(xiàn)。支路1復(fù)數(shù)乘法器 50和支路2復(fù)數(shù)乘法器60的另一路輸入分別由支路1本地PN碼存儲R0M51和支路2本地 PN碼存儲R0M61提供。FFT模塊42的輸出依次和支路1本地PN碼存儲R0M51和支路2本 地PN碼存儲R0M61中存儲的本地PN碼經(jīng)過FFT變換后的結(jié)果進行復(fù)數(shù)相乘。支路1本地 PN碼存儲R0M51和支路2本地PN碼存儲R0M61使用FPGA內(nèi)部IP核實現(xiàn)，內(nèi)部固化的數(shù)據(jù) 為碼相位相差FFT長度一半的兩路本地PN碼序列FFT變換后的結(jié)果。支路1復(fù)數(shù)乘法器 50和支路2復(fù)數(shù)乘法器60計算后的結(jié)果分別送入支路1IFFT模塊52和支路2IFFT模塊62進行逆快速傅里葉變換，支路1IFFT模塊52和支路2IFFT模塊62使用FPGA內(nèi)部IP核 實現(xiàn)。支路1IFFT模塊52和支路2IFFT模塊62的輸出分別送入支路1均方根模塊53和 支路2均方根模塊63計算相應(yīng)的均方根值，均方根值的計算采用JPL近似算法，即利用公
式
計算均方根值，計算出均方根
值之后，將支路1均方根模塊53和支路2均方根模塊63的輸出同時送入自動門限計算模 塊70，根據(jù)此時相關(guān)峰的狀態(tài)計算出合適的門限值，將自動門限計算模塊70的輸出和支路 1均方根模塊53、支路2均方根模塊63的輸出同時送入捕獲判斷模塊71，捕獲判斷模塊71 通過比較自動門限模塊70輸出的門限和支路1均方根模塊53、支路2均方根模塊63的輸 出的相關(guān)峰值判斷擴頻接收機是否捕獲。捕獲判斷模塊71的輸出分別送入PN碼起始位置 計算模塊72和載波頻率調(diào)整模塊73。當(dāng)捕獲判斷模塊71判斷擴頻應(yīng)答機沒有捕獲時，擴頻接收機工作在捕獲狀態(tài)，載 波頻率調(diào)整模塊73在搜索完一個碼周期后，會調(diào)整輸出的頻率區(qū)間，從而調(diào)整載波跟蹤環(huán) NC0 93輸出的頻率，直至完成捕獲為止。此時PN碼起始位置計算模塊72沒有輸出。當(dāng)捕獲 判斷模塊71判斷擴頻應(yīng)答機已經(jīng)捕獲時，就會使擴頻接收機由捕獲狀態(tài)轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。此 時，載波頻率調(diào)整模塊73會停止調(diào)整，同時將此時輸出送入碼跟蹤環(huán)多普勒補償模塊87， 碼跟蹤環(huán)多普勒補償模塊87根據(jù)碼片速率和載波頻率之間的比例關(guān)系，產(chǎn)生相應(yīng)的PN碼 多普勒補償分量，用于調(diào)整碼跟蹤環(huán)NC0 86輸出的碼時鐘，補償多普勒效應(yīng)對擴頻碼的影 響。而PN碼起始位置計算模塊72將通過鎖定時相關(guān)峰的位置，計算本地PN的起始位置， 將計算的結(jié)果送入本地PN碼生成器80，調(diào)整本地PN碼生成器80產(chǎn)生的本地PN序列的相 位。本地PN碼生成器80產(chǎn)生超前(PN-)、準(zhǔn)點(PN)、滯后(PN+)三路本地PN碼，這三 路本地PN碼彼此之間相差半個碼片相位，三路本地PN碼同時進入相關(guān)器81后與同相支路 FIR低通濾波器21和正交支路FIR低通濾波器31的輸出進行相關(guān)運算。輸出的三路相關(guān) 結(jié)果同時送入碼跟蹤環(huán)均方根模塊82計算均方根。其中準(zhǔn)點相關(guān)結(jié)果需要送入載波跟蹤 環(huán)鑒頻/鑒相器90，進行鑒頻、鑒相后用于載波跟蹤。碼跟蹤環(huán)均方根模塊82輸出的結(jié)果 進入碼跟蹤環(huán)鑒相器83鑒相，鑒相原理是比較超前相關(guān)的結(jié)果和滯后相關(guān)的的結(jié)果，確定 碼跟蹤環(huán)NC086的相位超前還是滯后，鑒相的結(jié)果送入碼跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器84。碼跟蹤環(huán) 環(huán)路濾波器84的主要作用是濾除誤差信號中的高頻分量，并為鎖相環(huán)路提供一個短期的 記憶，當(dāng)環(huán)路由于瞬時噪聲而失鎖時，可確保環(huán)路迅速重新捕獲信號，碼跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器 84使用理想一階濾波器，結(jié)構(gòu)如圖2所示，由兩個支路直通支路和積分支路組成，直通支 路只含有一個直通支路放大器100，將輸入信號放大指定的倍數(shù)即可，積分支路包括積分支 路放大器110、積分支路單位延時單元112和積分支路加法器111組成，輸入的信號在進入 直通支路的同時會進入積分支路，輸入通過積分支路的放大器放大后和經(jīng)過積分支路延時 單元延時后的結(jié)果相加，相加后的結(jié)果一方面作為積分支路延時單元的輸入，另一方面作 為積分支路的輸出，和直通支路的輸出通過環(huán)路濾波器加法器101相加，兩個支路相加后 的結(jié)果作為碼跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器84的輸出，碼跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器84輸出與碼跟蹤環(huán)多普 勒補償模塊87的輸出同時送入碼跟蹤環(huán)加法器85進行相加運算，相加后的結(jié)果送入碼跟 蹤環(huán)NC0 86，調(diào)整輸出PN碼時鐘頻率，使得輸出的本地PN碼時鐘與接收到的碼時鐘同步。[0014]相關(guān)器81輸出的準(zhǔn)點相關(guān)結(jié)果送入載波跟蹤環(huán)鑒頻/鑒相器90，進行鑒頻、鑒相。 載波跟蹤環(huán)鑒頻/鑒相器90使用叉積鑒頻/鑒相算法，計算出輸入信號載波與本地載波之 間的頻差和相差。計算出的頻差和相差進入載波跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器91，載波跟蹤環(huán)環(huán)路濾 波器91的結(jié)構(gòu)與碼跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器84完全相同，但是系數(shù)有所不同。載波跟蹤環(huán)環(huán)路 濾波器91的輸出和載波頻率調(diào)整模塊73的輸出一同進入載波跟蹤環(huán)加法器92，求和之后 的結(jié)果進入載波跟蹤環(huán)NC0 93跟蹤輸入信號的載波，完成對輸入擴頻信號的解擴、解調(diào)。3、優(yōu)點及效果從以上的描述中，可以看出，該中頻直序擴頻接收機具有以下特 點采用FFT部分相關(guān)捕獲結(jié)構(gòu)；利用ROM存儲本地FFT計算的結(jié)果，和輸入信號進行相關(guān) 運算；一路FFT同時計算兩路的相關(guān)值。這種結(jié)構(gòu)帶來的優(yōu)點如下(1)采用FFT部分相關(guān)捕獲結(jié)構(gòu)，每進行一次FFT運算即可計算出FFT長度點的相 關(guān)峰，相比匹配濾波的方法，大幅減少資源消耗，捕獲的速度更快。(2)利用ROM存儲本地FFT計算的結(jié)果，和輸入信號進行相關(guān)運算，不用對本地PN 碼進行FFT運算，減少了本地PN FFT變換模塊，大大減少了資源的消耗。同時根據(jù)ROM的 深度和FFT的長度可以保證在不同載噪比下的捕獲要求。(3)利用一路FFT同時計算兩路的相關(guān)值，相比用獨立的FFT計算兩路相關(guān)峰，具 有相同的捕獲時間，但是減少了一路FFT計算模塊的資源消耗，提高了資源利用率。
圖1本實用新型中頻直序擴頻接收機結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本實用新型環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu)示意圖；圖中符號說明如下10前端A/D ；20同相支路乘法器；21同相支路FIR低通濾波器；30正交支路乘法器；31正交支路FIR低通濾波器；40積分清零器；41緩存器；42FFT模塊；50支路1復(fù)數(shù)乘法器；51支路1本地PN碼存儲ROM ；52支路1IFFT模塊；53支路1均方根模塊；60支路2復(fù)數(shù)乘法器；61支路2本地PN碼存儲ROM ；62支路2IFFT模塊；63支路2均方根模塊；70自動門限計算模塊；71捕獲判斷模塊；72PN碼起始位置計算模塊；73載波頻率調(diào)整模塊；80本地PN碼生成器；81相關(guān)器；82碼跟蹤環(huán)均方根模塊83碼跟蹤環(huán)鑒相器；84碼跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器；85碼跟蹤環(huán)加法器；86碼跟蹤環(huán)NC0 ；87碼跟蹤環(huán)多普勒補償模塊；90載波跟蹤環(huán)鑒頻/鑒相器；91載波跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器；92載波跟蹤環(huán)加法器93載波跟蹤環(huán)NC0100直通支路放大器；101環(huán)路濾波器加法器；110積分支路放大器；
7[0040]111積分支路加法器；112積分支路延時單元。 具體實施方式
如圖1所示，本實用新型一種用于衛(wèi)星測距的中頻直序擴頻接收機，組成包括前 端模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(簡稱前端A/D) 10、同相支路乘法器20、同相支路有限沖激響應(yīng)低通濾波 器(簡稱同相支路FIR低通濾波器)21、正交支路乘法器30、正交支路有限沖激響應(yīng)低通濾 波器(簡稱正交支路FIR低通濾波器)31、積分清零器40、緩存器41、快速傅里葉變換模塊 (簡稱FFT模塊)42、支路1復(fù)數(shù)乘法器50、支路1本地偽隨機碼存儲只讀存儲器(簡稱支 路1本地PN碼存儲ROM) 51、支路1逆快速傅里葉變換模塊(簡稱支路1IFFT模塊)52、支 路1均方根模塊53、支路2復(fù)數(shù)乘法器60、支路2本地偽隨機碼存儲只讀存儲器(簡稱支路 2本地PN碼存儲ROM) 61、支路2逆快速傅里葉變換模塊(簡稱支路2IFFT模塊)62、支路2 均方根模塊63、自動門限計算模塊70、捕獲判斷模塊71、偽隨機碼起始位置計算模塊(簡稱 PN碼起始位置計算模塊)72、載波頻率調(diào)整模塊73、本地偽隨機碼生成器(簡稱本地PN碼 生成器)80、相關(guān)器81、碼跟蹤環(huán)均方根模塊82、碼跟蹤環(huán)鑒相器83、碼跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器 84、碼跟蹤環(huán)加法器85、碼跟蹤環(huán)數(shù)控振蕩器(簡稱碼跟蹤環(huán)NC0) 86、碼跟蹤環(huán)多普勒補償 模塊87、載波跟蹤環(huán)鑒頻/鑒相器90、載波跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器91、載波跟蹤環(huán)加法器92和 載波跟蹤環(huán)數(shù)控振蕩器(簡稱載波跟蹤環(huán)NC0) 93。其中碼跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器84和載波跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器91內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，只有參 數(shù)不同，如圖2所示包括直通支路放大器100、環(huán)路濾波器加法器101、積分支路放大器 110、積分支路加法器111和積分支路延時單元112。上述所有組成部分，除前端A/D10使用現(xiàn)成上架產(chǎn)品以外，其余部分均在可編程 邏輯門陣列(FPGA)中實現(xiàn)。所述的前端A/D10以恒定的采樣率對調(diào)理后的70M中頻擴頻信號進行帶通采樣， 將輸入的模擬信號變換為數(shù)字信號，前端A/D10使用現(xiàn)成的產(chǎn)品。載波跟蹤環(huán)NC0 93使用直接頻率綜合算法(簡稱DDS算法)實現(xiàn)，負(fù)責(zé)產(chǎn)生和前 端A/D10帶通采樣后標(biāo)稱中頻相同的兩路固定本地載波，兩路載波的相位相差90°，載波 跟蹤環(huán)NC0 93的輸出和前端A/D10輸出的帶通采樣后的信號作為同相支路乘法器20和正 交支路乘法器30的輸入；同相支路乘法器20和正交支路乘法器30使用FPGA內(nèi)部IP核實 現(xiàn)，作為下變頻器使用，將輸入信號下變頻到零中頻，同相支路乘法器20和正交支路乘法 器30輸出的結(jié)果分別進入結(jié)構(gòu)相同的同相支路FIR低通濾波器21和正交支路FIR低通濾 波器31 ；同相支路FIR低通濾波器21和正交支路FIR低通濾波器31采用FIR結(jié)構(gòu)濾波器， 使用FPGA內(nèi)部IP核實現(xiàn)，負(fù)責(zé)對下變頻后的信號進行濾波，濾除下變頻后的倍頻分量和帶 外噪聲，將基帶信號中的噪聲功率降到更低。低通濾波后的結(jié)果一方面輸出給積分清零器40，進行碼捕獲，另一方面輸出給相 關(guān)器81用于碼跟蹤。積分清零器40在碼跟蹤環(huán)NC086產(chǎn)生的本地PN碼時鐘控制下，對同 相支路FIR低通濾波器21和正交支路FIR低通濾波器31濾波后的結(jié)果分別進行積分清零。 積分清零器40輸出的結(jié)果進入緩存器41，在緩存器41中同時對同相和正交支路的信號進 行緩存，以適應(yīng)后續(xù)FFT模塊42對輸入數(shù)據(jù)速率的要求，緩存器41使用FPGA內(nèi)部IP核實 現(xiàn)。緩存器41緩存后輸出的同相和正交支路的結(jié)果分別作為FFT模塊42的實部和虛部輸入，在FFT模塊42中進行快速傅里葉變換，F(xiàn)FT模塊42使用FPGA內(nèi)部IP核實現(xiàn)。FFT模 塊42的實部和虛部輸出作為支路1復(fù)數(shù)乘法器50和支路2復(fù)數(shù)乘法器60的一路輸入，支 路1復(fù)數(shù)乘法器50和支路2復(fù)數(shù)乘法器60使用FPGA內(nèi)部IP核實現(xiàn)。支路1復(fù)數(shù)乘法器 50和支路2復(fù)數(shù)乘法器60的另一路輸入分別由支路1本地PN碼存儲R0M51和支路2本地 PN碼存儲R0M61提供。FFT模塊42的輸出依次和支路1本地PN碼存儲R0M51和支路2本 地PN碼存儲R0M61中存儲的本地PN碼經(jīng)過FFT變換后的結(jié)果進行復(fù)數(shù)相乘。支路1本地 PN碼存儲R0M51和支路2本地PN碼存儲R0M61使用FPGA內(nèi)部IP核實現(xiàn)，內(nèi)部固化的數(shù)據(jù) 為碼相位相差FFT長度一半的兩路本地PN碼序列FFT變換后的結(jié)果。支路1復(fù)數(shù)乘法器 50和支路2復(fù)數(shù)乘法器60計算后的結(jié)果分別送入支路1IFFT模塊52和支路2IFFT模塊 62進行逆快速傅里葉變換，支路1IFFT模塊52和支路2IFFT模塊62使用FPGA內(nèi)部IP核 實現(xiàn)。支路1IFFT模塊52和支路2IFFT模塊62的輸出分別送入支路1均方根模塊53和 支路2均方根模塊63計算相應(yīng)的均方根值，均方根值的計算采用JPL近似算法，即利用公
式
計算均方根值，計算出均方根
值之后，將支路1均方根模塊53和支路2均方根模塊63的輸出同時送入自動門限計算模 塊70，根據(jù)此時相關(guān)峰的狀態(tài)計算出合適的門限值，將自動門限計算模塊70的輸出和支路 1均方根模塊53、支路2均方根模塊63的輸出同時送入捕獲判斷模塊71，捕獲判斷模塊71 通過比較自動門限模塊70輸出的門限和支路1均方根模塊53、支路2均方根模塊63的輸 出的相關(guān)峰值判斷擴頻接收機是否捕獲。捕獲判斷模塊71的輸出分別送入PN碼起始位置 計算模塊72和載波頻率調(diào)整模塊73。當(dāng)捕獲判斷模塊71判斷擴頻應(yīng)答機沒有捕獲時，擴頻接收機工作在捕獲狀態(tài)，載 波頻率調(diào)整模塊73在搜索完一個碼周期后，會調(diào)整輸出的頻率區(qū)間，從而調(diào)整載波跟蹤環(huán) NC0 93輸出的頻率，直至完成捕獲為止。此時PN碼起始位置計算模塊72沒有輸出。當(dāng)捕獲 判斷模塊71判斷擴頻應(yīng)答機已經(jīng)捕獲時，就會使擴頻接收機由捕獲狀態(tài)轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。此 時，載波頻率調(diào)整模塊73會停止調(diào)整，同時將此時輸出送入碼跟蹤環(huán)多普勒補償模塊87， 碼跟蹤環(huán)多普勒補償模塊87根據(jù)碼片速率和載波頻率之間的比例關(guān)系，產(chǎn)生相應(yīng)的PN碼 多普勒補償分量，用于調(diào)整碼跟蹤環(huán)NC0 86輸出的碼時鐘，補償多普勒效應(yīng)對擴頻碼的影 響。而PN碼起始位置計算模塊72將通過鎖定時相關(guān)峰的位置，計算本地PN的起始位置， 將計算的結(jié)果送入本地PN碼生成器80，調(diào)整本地PN碼生成器80產(chǎn)生的本地PN序列的相 位。本地PN碼生成器80產(chǎn)生超前(PN-)、準(zhǔn)點(PN)、滯后(PN+)三路本地PN碼，這三 路本地PN碼彼此之間相差半個碼片相位，三路本地PN碼同時進入相關(guān)器81后與同相支路 FIR低通濾波器21和正交支路FIR低通濾波器31的輸出進行相關(guān)運算。輸出的三路相關(guān) 結(jié)果同時送入碼跟蹤環(huán)均方根模塊82計算均方根。其中準(zhǔn)點相關(guān)結(jié)果需要送入載波跟蹤 環(huán)鑒頻/鑒相器90，進行鑒頻、鑒相后用于載波跟蹤。碼跟蹤環(huán)均方根模塊82輸出的結(jié)果 進入碼跟蹤環(huán)鑒相器83鑒相，鑒相原理是比較超前相關(guān)的結(jié)果和滯后相關(guān)的的結(jié)果，確定 碼跟蹤環(huán)NC086的相位超前還是滯后，鑒相的結(jié)果送入碼跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器84。碼跟蹤環(huán) 環(huán)路濾波器84的主要作用是濾除誤差信號中的高頻分量，并為鎖相環(huán)路提供一個短期的 記憶，當(dāng)環(huán)路由于瞬時噪聲而失鎖時，可確保環(huán)路迅速重新捕獲信號，碼跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器84使用理想一階濾波器，結(jié)構(gòu)如圖2所示，由兩個支路直通支路和積分支路組成，直通支 路只含有一個直通支路放大器100，將輸入信號放大指定的倍數(shù)即可，積分支路包括積分支 路放大器110、積分支路單位延時單元112和積分支路加法器111組成，輸入的信號在進入 直通支路的同時會進入積分支路，輸入通過積分支路的放大器放大后和經(jīng)過積分支路延時 單元延時后的結(jié)果相加，相加后的結(jié)果一方面作為積分支路延時單元的輸入，另一方面作 為積分支路的輸出，和直通支路的輸出通過環(huán)路濾波器加法器101相加，兩個支路相加后 的結(jié)果作為碼跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器84的輸出，碼跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器84輸出與碼跟蹤環(huán)多普 勒補償模塊87的輸出同時送入碼跟蹤環(huán)加法器85進行相加運算，相加后的結(jié)果送入碼跟 蹤環(huán)NC0 86，調(diào)整輸出PN碼時鐘頻率，使得輸出的本地PN碼時鐘與接收到的碼時鐘同步。相關(guān)器81輸出的準(zhǔn)點相關(guān)結(jié)果送入載波跟蹤環(huán)鑒頻/鑒相器90，進行鑒頻、鑒相。 載波跟蹤環(huán)鑒頻/鑒相器90使用叉積鑒頻/鑒相算法，計算出輸入信號載波與本地載波之 間的頻差和相差。計算出的頻差和相差進入載波跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器91，載波跟蹤環(huán)環(huán)路濾 波器91的結(jié)構(gòu)與碼跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器84完全相同，但是系數(shù)有所不同。載波跟蹤環(huán)環(huán)路 濾波器91的輸出和載波頻率調(diào)整模塊73的輸出一同進入載波跟蹤環(huán)加法器92，求和之后 的結(jié)果進入載波跟蹤環(huán)NC0 93跟蹤輸入信號的載波，完成對輸入擴頻信號的解擴、解調(diào)。中頻直序擴頻接收機主要利用FFT并行相關(guān)的算法來完成對擴頻碼的捕獲，原理
為互相關(guān)序列z(n)的離散傅里葉變換為 N-l N-1 即兩序列的互相關(guān)值可已通過計算兩序列傅里葉變換結(jié)果進行復(fù)共軛相乘后做 逆FFT變換得到。該并行相關(guān)是一種部分相關(guān)，首先需要對采樣、下變頻、濾波之后的信號進行積分 清零來降低采樣率，以簡化對硬件的要求，然后對積分清零后的數(shù)據(jù)進行FFT運算，將FFT 運算輸出結(jié)果于本地參考PN序列的FFT值進行復(fù)數(shù)乘法，之后進行逆FFT運算，輸出即為 接收PN信號與本地PN信號的復(fù)相關(guān)結(jié)果。對復(fù)相關(guān)峰進行平方率包絡(luò)檢波(求模)，并進行相關(guān)峰的門限判斷以確定是否 得到正確的捕獲。如果在一個擴頻碼周期內(nèi)均沒有得到正確的捕獲，則表明由于頻偏的影 響超出了捕獲范圍，需通過載波頻率調(diào)整模塊73來控制載波跟蹤環(huán)NC0 93的中心頻率到 下一載波頻率，同樣在一個擴頻碼周期內(nèi)進行碼捕獲，直到得到正確的捕獲為止。捕獲完成之后，通過捕獲判斷模塊71，接收機可以計算出擴頻碼的起始位置，通過 該起始位置，本地PN生成器80可以生成和接收PN碼近似同步的本地PN碼，兩者之間的相 位差在半個碼片周期之內(nèi)。本地PN生成器80同時產(chǎn)生準(zhǔn)點、超前和滯后三路PN碼。對PN碼的跟蹤是通過超前、滯后串行相關(guān)器所構(gòu)成的數(shù)字延遲鎖相環(huán)來完成的。
權(quán)利要求一種中頻直序擴頻接收機，其特征在于它的組成包括前端模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊即前端A/D(10)、同相支路乘法器(20)、同相支路有限沖激響應(yīng)低通濾波器即同相支路FIR低通濾波器(21)、正交支路乘法器(30)、正交支路有限沖激響應(yīng)低通濾波器即正交支路FIR低通濾波器(31)、積分清零器(40)、緩存器(41)、快速傅里葉變換模塊即FFT模塊(42)、支路1復(fù)數(shù)乘法器(50)、支路1本地偽隨機碼存儲只讀存儲器即支路1本地PN碼存儲ROM(51)、支路1逆快速傅里葉變換模塊即支路1IFFT模塊(52)、支路1均方根模塊(53)、支路2復(fù)數(shù)乘法器(60)、支路2本地偽隨機碼存儲只讀存儲器即支路2本地PN碼存儲ROM(61)、支路2逆快速傅里葉變換模塊即支路2IFFT模塊(62)、支路2均方根模塊(63)、自動門限計算模塊(70)、捕獲判斷模塊(71)、偽隨機碼起始位置計算模塊即PN碼起始位置計算模塊(72)、載波頻率調(diào)整模塊(73)、本地偽隨機碼生成器本地PN碼生成器(80)、相關(guān)器(81)、碼跟蹤環(huán)均方根模塊(82)、碼跟蹤環(huán)鑒相器(83)、碼跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器(84)、碼跟蹤環(huán)加法器(85)、碼跟蹤環(huán)數(shù)控振蕩器即碼跟蹤環(huán)NCO(86)、碼跟蹤環(huán)多普勒補償模塊(87)、載波跟蹤環(huán)鑒頻/鑒相器(90)、載波跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器(91)、載波跟蹤環(huán)加法器(92)和載波跟蹤環(huán)數(shù)控振蕩器即載波跟蹤環(huán)NCO(93)；其中碼跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器(84)和載波跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器(91)內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，只有參數(shù)不同，包括直通支路放大器(100)、環(huán)路濾波器加法器(101)、積分支路放大器(110)、積分支路加法器(111)和積分支路延時單元(112)；上述所有組成部分，除前端A/D(10)使用現(xiàn)成上架產(chǎn)品以外，其余部分均在可編程邏輯門陣列即FPGA中實現(xiàn)；所述的前端A/D(10)以恒定的采樣率對調(diào)理后的70M中頻擴頻信號進行帶通采樣，將輸入的模擬信號變換為數(shù)字信號；載波跟蹤環(huán)NCO 93的輸出和前端A/D(10)輸出的帶通采樣后的信號作為同相支路乘法器(20)和正交支路乘法器(30)的輸入；同相支路乘法器(20)和正交支路乘法器(30)輸出的結(jié)果分別進入結(jié)構(gòu)相同的同相支路FIR低通濾波器(21)和正交支路FIR低通濾波器(31)；低通濾波后的結(jié)果一方面輸出給積分清零器(40)，進行碼捕獲，另一方面輸出給相關(guān)器(81)用于碼跟蹤；積分清零器(40)在碼跟蹤環(huán)NCO(86)產(chǎn)生的本地PN碼時鐘控制下，對同相支路FIR低通濾波器(21)和正交支路FIR低通濾波器(31)濾波后的結(jié)果分別進行積分清零；積分清零器(40)輸出的結(jié)果進入緩存器(41)；緩存器(41)緩存后輸出的同相和正交支路的結(jié)果分別作為FFT模塊(42)的實部和虛部輸入；FFT模塊(42)的實部和虛部輸出作為支路1復(fù)數(shù)乘法器(50)和支路2復(fù)數(shù)乘法器(60)的一路輸入；支路1復(fù)數(shù)乘法器(50)和支路2復(fù)數(shù)乘法器(60)的另一路輸入分別由支路1本地PN碼存儲ROM(51)和支路2本地PN碼存儲ROM(61)提供；FFT模塊(42)的輸出依次和支路1本地PN碼存儲ROM(51)和支路2本地PN碼存儲ROM(61)中存儲的本地PN碼經(jīng)過FFT變換后的結(jié)果進行復(fù)數(shù)相乘；支路1復(fù)數(shù)乘法器(50)和支路2復(fù)數(shù)乘法器(60)計算后的結(jié)果分別送入支路1IFFT模塊(52)和支路2IFFT模塊(62)進行逆快速傅里葉變換；支路1IFFT模塊(52)和支路2IFFT模塊(62)的輸出分別送入支路1均方根模塊(53)和支路2均方根模塊(63)計算相應(yīng)的均方根值，利用公式 <mrow><msqrt> <msup><mi>a</mi><mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup><mi>b</mi><mn>2</mn> </msup></msqrt><mo>≈</mo><mi>Max</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>abs</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>a</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mi>abs</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>b</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <mi>Min</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>abs</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>a</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mi>abs</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>b</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow> </mrow>計算出均方根值之后，將支路1均方根模塊(53)和支路2均方根模塊(63)的輸出同時送入自動門限計算模塊(70)，將自動門限計算模塊(70)的輸出和支路1均方根模塊(53)、支路2均方根模塊(63)的輸出同時送入捕獲判斷模塊(71)；捕獲判斷模塊(71)的輸出分別送入PN碼起始位置計算模塊(72)和載波頻率調(diào)整模塊(73)；當(dāng)捕獲判斷模塊(71)判斷擴頻應(yīng)答機沒有捕獲時，載波頻率調(diào)整模塊(73)在搜索完一個碼周期后，會調(diào)整輸出的頻率區(qū)間，從而調(diào)整載波跟蹤環(huán)NCO(93)輸出的頻率，直至完成捕獲為止；此時PN碼起始位置計算模塊(72)沒有輸出；當(dāng)捕獲判斷模塊(71)判斷擴頻應(yīng)答機已經(jīng)捕獲時，就會使擴頻接收機由捕獲狀態(tài)轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)；此時，載波頻率調(diào)整模塊(73)會停止調(diào)整，同時將此時輸出送入碼跟蹤環(huán)多普勒補償模塊(87)，用于調(diào)整碼跟蹤環(huán)NCO(86)輸出的碼時鐘；而PN碼起始位置計算模塊(72)將通過鎖定時相關(guān)峰的位置，計算本地PN的起始位置，將計算的結(jié)果送入本地PN碼生成器(80)；本地PN碼生成器(80)產(chǎn)生超前、準(zhǔn)點、滯后三路本地PN碼，三路本地PN碼同時進入相關(guān)器(81)后與同相支路FIR低通濾波器(21)和正交支路FIR低通濾波器(31)的輸出進行相關(guān)運算；輸出的三路相關(guān)結(jié)果同時送入碼跟蹤環(huán)均方根模塊(82)計算均方根；其中準(zhǔn)點相關(guān)結(jié)果需要送入載波跟蹤環(huán)鑒頻/鑒相器(90)；碼跟蹤環(huán)均方根模塊(82)輸出的結(jié)果進入碼跟蹤環(huán)鑒相器(83)鑒相，鑒相的結(jié)果送入碼跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器(84)；碼跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器(84)使用理想一階濾波器，結(jié)構(gòu)如圖2所示，由兩個支路直通支路和積分支路組成，直通支路只含有一個直通支路放大器(100)，積分支路包括積分支路放大器(110)、積分支路單位延時單元(112)和積分支路加法器(111)組成，輸入的信號在進入直通支路的同時會進入積分支路，輸入通過積分支路放大器(110)放大后和經(jīng)過積分支路延時單元(112)延時后的結(jié)果相加，相加后的結(jié)果一方面作為積分支路延時單元(112)的輸入，另一方面作為積分支路的輸出，和直通支路的輸出通過環(huán)路濾波器加法器(101)相加，兩個支路相加后的結(jié)果作為碼跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器(84)的輸出，碼跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器(84)輸出與碼跟蹤環(huán)多普勒補償模塊87的輸出同時送入碼跟蹤環(huán)加法器(85)進行相加運算，相加后的結(jié)果送入碼跟蹤環(huán)NCO(86)，調(diào)整輸出PN碼時鐘頻率，使得輸出的本地PN碼時鐘與接收到的碼時鐘同步；相關(guān)器(81)輸出的準(zhǔn)點相關(guān)結(jié)果送入載波跟蹤環(huán)鑒頻/鑒相器(90)；計算出的頻差和相差進入載波跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器(91)，載波跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器(91)的結(jié)構(gòu)與碼跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器(84)完全相同，但是系數(shù)有所不同；載波跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器(91)的輸出和載波頻率調(diào)整模塊(73)的輸出一同進入載波跟蹤環(huán)加法器(92)，求和之后的結(jié)果進入載波跟蹤環(huán)NCO(93)跟蹤輸入信號的載波，完成對輸入擴頻信號的解擴、解調(diào)。
專利摘要一種用于衛(wèi)星測距的中頻直序擴頻接收機，它由前端A/D(10)、FFT模塊(42)、本地PN碼生成器(80)、相關(guān)器(81)、自動門限計算模塊(70)等共37個部件組成。連接關(guān)系為前端A/D(10)的輸出和載波跟蹤環(huán)NCO(93)的輸出，分別連接到同相支路乘法器(20)和正交支路乘法器(30)，輸入進入同相支路FIR低通濾波器(21)和正交支路FIR低通濾波器(31)，結(jié)果一方面輸出給積分清零器(40)后，送入FFT模塊(42)和支路1本地PN碼存儲ROM(51)、支路2本地PN碼存儲ROM(61)的輸出進入支路1復(fù)數(shù)乘法器(50)、支路2復(fù)數(shù)乘法器(60)，輸出送入支路1均方根模塊(53)、支路2均方根模塊(63)輸出送入動門限計算模塊(70)、捕獲判斷模塊(71)進行碼捕獲；另一方面輸出給相關(guān)器(81)和本地PN碼生成器)(80)進行碼跟蹤。相關(guān)器(81)的輸出同時送入載波跟蹤環(huán)鑒頻/鑒相器(90)后進入載波跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器(91)，載波跟蹤環(huán)環(huán)路濾波器(91)輸出進入載波跟蹤環(huán)NCO(93)，進行載波跟蹤。
文檔編號G01S7/285GK201607527SQ200920278070
公開日2010年10月13日 申請日期2009年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月14日
發(fā)明者馮文全, 劉曦, 劉蘇瀟, 孫樺, 官秀梅, 尹佳, 朱楠, 趙洪博, 趙琦, 陸國雷 申請人:北京航空航天大學(xué)