摘 要： 研究了軟件接收機多采樣率信號處理技術(shù),。采用過采樣技術(shù)來提高ADC的分辨率,，實現(xiàn)對衛(wèi)星導航微弱信號的檢測。提出將軟件接收機的軟件設(shè)計成多采樣率處理系統(tǒng),，即在捕獲信號前首先對信號進行降速率處理,，而跟蹤環(huán)路工作時,，依然采用降速率前的信號。仿真實驗證明,，該方案既可以提高對衛(wèi)星導航微弱信號的檢測能力,，又能實時地實現(xiàn)對衛(wèi)星導航信號的捕獲和跟蹤。
關(guān)鍵詞： 軟件接收機,； 衛(wèi)星導航,；多采樣率信號處理；內(nèi)插,；抽取
衛(wèi)星導航軟件接收機是當代衛(wèi)星導航接收機領(lǐng)域發(fā)展的方向[1],，其基本思想是：將A/D和D/A盡可能靠近RF端，在數(shù)字化的通用硬件平臺上,，用軟件盡可能多地實現(xiàn)對衛(wèi)星導航信號的處理,。軟件接收機具有靈活性、標準化,、模塊化的特點,，為解決目前多種衛(wèi)星導航系統(tǒng)（如GPS、GLON-ASS,、BD-2,、GALILEO）所存在的難兼容、難升級,、開發(fā)周期長等難題提供了選擇,。為了提高軟件接收機對不同衛(wèi)星導航系統(tǒng)的適應(yīng)性，通常采用過采樣技術(shù),，即系統(tǒng)的采樣頻率通常遠遠大于系統(tǒng)帶寬的兩倍,。同時，過采樣技術(shù)可以提高ADC的分辨率,，提高其檢測衛(wèi)星導航信號的能力,。采用過采樣技術(shù)無需高性能的ADC，就可以達到所需要的性能指標,。但是,，過采樣會導致后端DSP所需要處理的計算量大大增加，這可能會影響軟件接收機的實時性,。本文提出了多采樣率信號與信息處理系統(tǒng),，并且以GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)為例進行了分析和仿真驗證。平臺驗證證明,，采用該方案既可以提高對衛(wèi)星導航微弱信號的檢測能力,，又可以滿足軟件接收機的實時性[2]要求,。
１ 多采樣率信號處理原理
多采樣率信號處理的實質(zhì)是用數(shù)字信號處理的方法直接改變信號的速率,，包括抽取和內(nèi)插兩種類型[4],。使采樣率降低的采樣率轉(zhuǎn)換稱為抽取，使采樣率升高的采樣率轉(zhuǎn)換稱為內(nèi)插,。由于整數(shù)倍抽取或內(nèi)插比較簡單,，實現(xiàn)較容易，在實際工程應(yīng)用中,，普遍采用整數(shù)倍抽取或內(nèi)插,，遇到非整數(shù)的情況，也是將其轉(zhuǎn)換成整數(shù)倍內(nèi)插和抽取的形式進行,。因此,，本文只對整數(shù)倍抽取和內(nèi)插進行討論。
1.1 整數(shù)倍抽取
當信號的數(shù)據(jù)量太大時,，為了減少計算量以便于處理和計算,，將采樣數(shù)據(jù)每D個取一個，這里D成為抽取因子,。若設(shè)原始信號為x(n1,T1),，經(jīng)過D倍抽取后信號為y(n2,T2)，這里T1為原始信號的采樣周期,，對應(yīng)的采樣頻率設(shè)為f0,，T2為抽取后信號的采樣周期,對應(yīng)的采樣頻率
即抽取前后的采樣頻率都必須滿足采樣定理的要求，才能保證抽取后的信號頻譜不發(fā)生混疊失真,。為了避免抽取后的信號發(fā)生混疊失真,，通常情況下，在抽取前,，先對信號進行抗混疊處理,，然后再行抽取，如圖1所示,。
1.2 整數(shù)倍內(nèi)插
整數(shù)倍內(nèi)插[3]是在已知的相鄰抽樣點之間插入(I-1)個抽樣值的點,。在這里，I被稱為內(nèi)插因子,。在實際工程應(yīng)用中,，通常采用如圖2所示的內(nèi)插方法。
２ 軟件接收機信號與信息處理流程
軟件接收機信號與信息處理流程[4]如圖4所示,，DSP從AD采樣器中每1 ms讀入一次采樣數(shù)據(jù)流,，首先將數(shù)據(jù)進行采樣率的轉(zhuǎn)換，使采樣率降低,，以降低后端捕獲的計算量,。信號捕獲完成后，將所得的衛(wèi)星星號,、粗估多普勒頻移和粗估碼延遲送入跟蹤遷入模塊,。從跟蹤遷入模塊開始,，采用從AD讀入的原始數(shù)據(jù)。跟蹤遷入模塊對多普勒頻移和碼延遲進行精確估計,。
跟蹤遷入完成后,，經(jīng)過比特同步，環(huán)路進入正常的精確跟蹤過程,，依次經(jīng)過子幀同步,、導航電文解調(diào)、觀測量提取和導航解算,。
本文只對采樣率轉(zhuǎn)換模塊進行詳細的探討,，并用衛(wèi)星導航捕獲模塊對采樣率轉(zhuǎn)換模塊的正確性進行驗證。
３ 采樣率轉(zhuǎn)換算法實現(xiàn)
本文采用的軟件接收機AD端的輸出信號為采樣頻率8.25 MHz的零中頻數(shù)據(jù),，而捕獲算法只需要采樣頻率為2.046 MHz的數(shù)據(jù)即可,。因此,轉(zhuǎn)換算法的任務(wù)就是將采樣頻率從8.25 MHz變換到2.046 MHz。由于從8.25 MHz到2.046 MHz不是整數(shù)倍抽取,，因此本文采用整數(shù)倍內(nèi)插和抽取相結(jié)合的方式進行,。本文采用的采樣率轉(zhuǎn)換算法如圖5所示。
首先對原始數(shù)據(jù)進行16倍零值內(nèi)插,，然后進行抗混疊濾波處理,，采用近似算法進行抽取，最后得到采樣率為2.046 MHz的采樣信號,。由于抽取算法是近似的,，為了降低近似帶來的誤差，本文采用先內(nèi)插再抽取的方式,，而不是從8.25 MHz的信號直接抽取得到2.046 MHz的信號,。
3.1 頻譜分析
原始信號為零中頻的數(shù)據(jù)，采樣頻率為8.25 MHz,，內(nèi)插后,，采樣頻率變?yōu)?32 MHz。對于GPS系統(tǒng)C/A碼來說,，其雙邊帶信號帶寬為1.023 MHz,。所以抗混疊濾波器的通帶頻率必須大于1.023 MHz，阻帶頻率必須小于7.227 MHz,。本文采取的抗混疊濾波器為FIR濾波器,，采用窗函數(shù)法進行設(shè)計,其階數(shù)為128階。采用Matlab Fdatool工具進行設(shè)計,，幅頻響應(yīng)如圖6所示,。從圖6可以看出，該濾波器的3 dB帶寬為3.5 MHz,40 dB阻帶頻率為6.6 MHz,，滿足圖5所示采樣率轉(zhuǎn)換算法的要求,。
3.2 抽取近似算法
為了避免分數(shù)倍采樣率轉(zhuǎn)換帶來的麻煩,，本文采用一種近似算法對信號進行抽取。該算法的步驟如下,設(shè)原始數(shù)據(jù)個數(shù)為N,欲輸出數(shù)據(jù)個數(shù)為M,。
解式(4),，可得k=M,。也就是說,，采用該控制程序，可以使輸出的數(shù)據(jù)個數(shù)嚴格等于所需要的數(shù)據(jù)個數(shù),。
3.3 內(nèi)插系統(tǒng)的多相表示
由圖5可知,，原始數(shù)據(jù)內(nèi)插后，有相當一部分數(shù)據(jù)為0,，內(nèi)插后的數(shù)據(jù)經(jīng)過抗混疊濾波器,，相當于對原始數(shù)據(jù)進行卷積運算，為了提高計算效率,，可以將內(nèi)插系統(tǒng)(包括抗混疊濾波器在內(nèi))表示為多相結(jié)構(gòu)[4],，這種結(jié)構(gòu)可以避免零數(shù)據(jù)參與卷積運算，從而大大提高了計算效率,，這對計算量要求苛刻的實時衛(wèi)星導航軟件接收機來說是非常重要的,。以內(nèi)插倍數(shù)I=3，濾波器系數(shù)N=12為例,，來說明內(nèi)插系統(tǒng)多相表示的優(yōu)越性,。內(nèi)插系統(tǒng)直接結(jié)構(gòu)和多相結(jié)構(gòu)比較如圖7所示。
圖7下圖為抗混疊濾波器的直接實現(xiàn)形式,，由此可知,，每輸出一個y(n2T2)，有4個非零數(shù)據(jù)參加運算,，有8個0參加乘加運算,。與直接形式相比，多相形式將濾波器系數(shù)分成三組,每一個T2時刻計算出3個值v0(n1T1),、v1(n1T1),、v2(n1T1)，y(n2T2)通過數(shù)據(jù)選擇器每隔T2時刻選擇其中一個值做為輸出,。因此,，每輸出一個y(n2T2)，只有4個非零數(shù)據(jù)和4個濾波器系數(shù)參與運算,，其他8個系數(shù)不參與運算,，因此，多相形式比直接形式計算量小,，效率高,。本文采樣率轉(zhuǎn)換算法采用內(nèi)插系統(tǒng)的多相形式進行,。
４ 算法驗證
本文分別采用Matlab和軟件接收機平臺對采樣率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進行了驗證。
4.1 Matlab仿真驗證
圖8為采用Matlab對原始信號數(shù)據(jù)和采樣率轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行頻譜分析[5]的結(jié)果,。
當采樣頻率為8.25 MHz時,，信號的頻譜為圖8(a)所示，由該圖可以看出,，在此采樣頻率下,，GPS信號的頻譜的雙邊帶帶寬為1.023 MHz。當采樣頻率為2.046 MHz時,，信號的頻譜如圖8(b)所示,，對比上下圖可知，重采樣并沒有使信號的頻譜發(fā)生失真和混疊,，因此,，圖5所示的采樣率轉(zhuǎn)換算法是正確的。
圖9為采用2.046 MHz重采樣數(shù)據(jù)進行捕獲的結(jié)果,，由該結(jié)果可以看出重采樣后的信號數(shù)據(jù)完全可以滿足衛(wèi)星導航軟件接收機快速捕獲算法對輸入數(shù)據(jù)的要求,。
4.2 平臺驗證
采用軟件接收機硬件平臺對采樣率轉(zhuǎn)換算法驗證的結(jié)果如圖10所示。該軟件接收機的信號與信息處理流程如圖4所示,，該軟件接收機是實時零中頻軟件接收機,。從圖10相關(guān)峰可以看出，采用重采樣后的數(shù)據(jù),，完全可以實時地捕獲GPS L1衛(wèi)星信號,。
本文研究了衛(wèi)星導航軟件接收機多采樣率信號處理技術(shù)，并以GPS L1信號為例,，采用Matlab和軟件接收機硬件平臺,從頻譜分析和借助軟件接收機的快捕算法對采樣率轉(zhuǎn)換算法進行了驗證,。結(jié)果表明，采用多采樣率信號處理技術(shù)可以降低軟件接收機后端信號與信息處理的計算量,，能夠很好地滿足軟件接收機的實時性要求,。
參考文獻
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