高性能导航接收机基带处理算法与实现技术分析.docx

摘 要
随着全球卫星导航系统的广泛应用,各个领域对导航接收机在捕获性能、多径抑制及实现复杂度等方面提出了更高的要求。现有研究主要在捕获算法、多径抑制算法等计算方法层面来开展优化研究,而本文结合电路实现约束来开展量化分析与优化方法研究,为导航接收机基带芯片设计提供更具指导性的优化设计方法。
论文主要针对制约导航接收机基带芯片关键性能的四个方面开展了研究工作:
1、信号捕获是导航接收机基带处理中计算复杂度最大、实时性要求最高的环节,其性能直接决定接收机的首次定位时间、接收灵敏度等关键指标。已有研究对捕获方法硬件实现复杂度缺乏准确和系统的定量分析,本文在统一的信号捕获模型下,系统地比较了时域、频域、时频域等信号捕获方法的硬件复杂度和实现约束条件,给出了量化的分析结论,为基带芯片设计的实现复杂度评估提供了系统性的量化分析方法。
2、伪码相位误差、载波频偏以及伪码频偏均会导致捕获性能严重恶化,而已有的捕获方法通常没有对它们的影响进行处理或补偿。针对伪码相位误差和载波频偏引起的相干处理损耗,提出了基于相邻检测量组合判决的检测方法,可显著提高系统的检测概率,在常规搜索步进条件下,最大可使检测器的等效信噪比提高 。针对伪码频偏问题,提出了一种基于信号采样分数抽取的伪码频偏补偿技术,避免了因修改本地码采样频率而带来的工程实现难题,在 5 倍码率的采样率条件下最大伪码频偏损耗小于 、峰值偏移小于 个码元宽度,可以满足大多数高动态捕获系统的要求。在此基础上,提出了一种基于匹配滤波频域并行 FFT 捕获的改进捕获方案,并优化了匹配滤波器的设计和频率搜索策略。
3、多径效应是影响导航接收机定位精度的主要因素之一,在一些高精度测量应用中甚至是最主要的误差源,多径问题也是当前高性能导航接收机的一个研究热点。针对导航接收机中多径抑制算法性能和资源占用量之间的矛盾,提出了一种基于 FIR 滤波器模型的多径抑制方法,其性能与基于最大似然估计的 MEDLL 算法相当,但优点是计算量与多径信号数量无关,可大大减小存在多个路径信号时的硬件实现复杂性。针对高分辨率多相关器的实现问题,提出一种基于本地伪码差分的实现结构,在相关器间隔为 1/16 码元宽度条件下,其计算量只有传统结构的 1/32,硬件规模只有传统结构的 1/8。
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4、通过建立多任务划分的导航接收机基带处理模型,提出了一种基于多处理器协同工作的芯片架构,用多个协处理器对多任务进行并行处理,克服了传统基带接收机集中式单一处理器的资源占用高、调度复杂、计算实时性要求高等缺点, 简化了基带芯片设计,同时兼顾了基带处理的灵活性和处理效率。针对芯片开发过程中仿真验证耗时长、工作量大等问题,研究了基于 Palladium 仿真加速器仿真流程和基于 FPGA 的芯片原型验证方法,直接应用于导航基带芯片开发,并通过实际样片测试,在功耗、处理性能方面充分验证了上述技术研究的有效性。
论文的研究成果已经应用于我国自主卫星导航系统接收机和基带芯片的设计中,并取得了良好的应用效果。相关方法和结论也可应用于其他扩频系统的测距接收机设计。
关键词:导航接收机信号捕获载波频偏伪码相位伪码频偏多径抑制多相关器基带芯片
ABSTRACT
As GNSS (Global Navigation Satellite System) is widely used all around the world, various fields have more requirements for navigation receiver, such as acquisition performance and multipath mitigation. Existing researches mainly pay attention to the algorithm for acquition and multipath mitigation. But quantitative analysis and optimized bined with the restrictions of hardware implementation are developed in this dissertation, which is more directive for the design of navigation baseband chip.
This dissertation is mainly focused on four crucial topics which restrict the promotion of the receiver’s performance:
Signal acquis