卫星导航软件接收机多采样率信号处理技术

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                    ???? 摘? 要： 研究了软件接收机多采样率信号处理技术。采用过采样技术来提高ADC的分辨率，实现对卫星导航微弱信号的检测。提出将软件接收机的软件设计成多采样率处理系统，即在捕获信号前首先对信号进行降速率处理，而跟踪环路工作时，依然采用降速率前的信号。仿真实验证明，该方案既可以提高对卫星导航微弱信号的检测能力，又能实时地实现对卫星导航信号的捕获和跟踪。
　　卫星导航软件接收机是当代卫星导航接收机领域发展的方向，其基本思想是：将A/D和D/A尽可能靠近RF端，在数字化的通用硬件平台上，用软件尽可能多地实现对卫星导航信号的处理。软件接收机具有灵活性、标准化、模块化的特点，为解决目前多种卫星导航系统（如GPS、GLON-ASS、BD-2、GALILEO）所存在的难兼容、难升级、开发周期长等难题提供了选择。为了提高软件接收机对不同卫星导航系统的适应性，通常采用过采样技术，即系统的采样频率通常远远大于系统带宽的两倍。同时，过采样技术可以提高ADC的分辨率，提高其检测卫星导航信号的能力。采用过采样技术无需高性能的ADC，就可以达到所需要的性能指标。但是，过采样会导致后端DSP所需要处理的计算量大大增加，这可能会影响软件接收机的实时性。本文提出了多采样率信号与信息处理系统，并且以GPS卫星导航系统为例进行了分析和仿真验证。平台验证证明，采用该方案既可以提高对卫星导航微弱信号的检测能力，又可以满足软件接收机的实时性要求。
　　１ 多采样率信号处理原理
　　多采样率信号处理的实质是用数字信号处理的方法直接改变信号的速率，包括抽取和内插两种类型。使采样率降低的采样率转换称为抽取，使采样率升高的采样率转换称为内插。由于整数倍抽取或内插比较简单，实现较容易，在实际工程应用中，普遍采用整数倍抽取或内插，遇到非整数的情况，也是将其转换成整数倍内插和抽取的形式进行。因此，本文只对整数倍抽取和内插进行讨论。
　　1.1 整数倍抽取
　　当信号的数据量太大时，为了减少计算量以便于处理和计算，将采样数据每D个取一个，这里D成为抽取因子。若设原始信号为x(n1,T1)，经过D倍抽取后信号为y(n2,T2)，这里T1为原始信号的采样周期，对应的采样频率设为f0，T2为抽取后信号的采样周期,对应的采样频率




　　1.2 整数倍内插
　　整数倍内插是在已知的相邻抽样点之间插入(I-1)个抽样值的点。在这里，I被称为内插因子。在实际工程应用中，通常采用如图2所示的内插方法。







　　跟踪迁入完成后，经过比特同步，环路进入正常的精确跟踪过程，依次经过子帧同步、导航电文解调、观测量提取和导航解算。
　　本文只对采样率转换模块进行详细的探讨，并用卫星导航捕获模块对采样率转换模块的正确性进行验证。
　　３ 采样率转换算法实现
　　本文采用的软件接收机AD端的输出信号为采样频率8.25 MHz的零中频数据，而捕获算法只需要采样频率为2.046 MHz的数据即可。因此,转换算法的任务就是将采样频率从8.25 MHz变换到2.046 MHz。由于从8.25 MHz到2.046 MHz不是整数倍抽取，因此本文采用整数倍内插和抽取相结合的方式进行。本文采用的采样率转换算法如图5所示。




　　3.2 抽取近似算法
　　为了避免分数倍采样率转换带来的麻烦，本文采用一种近似算法对信号进行抽取。该算法的步骤如下,设原始数据个数为N,欲输出数据个数为M。







　　当采样频率为8.25 MHz时，信号的频谱为图8(a)所示，由该图可以看出，在此采样频率下，GPS信号的频谱的双边带带宽为1.023 MHz。当采样频率为2.046 MHz时，信号的频谱如图8(b)所示，对比上下图可知，重采样并没有使信号的频谱发生失真和混叠，因此，图5所示的采样率转换算法是正确的。
　　图9为采用2.046 MHz重采样数据进行捕获的结果，由该结果可以看出重采样后的信号数据完全可以满足卫星导航软件接收机快速捕获算法对输入数据的要求。




　　本文研究了卫星导航软件接收机多采样率信号处理技术，并以GPS L1信号为例，采用Matlab和软件接收机硬件平台,从频谱分析和借助软件接收机的快捕算法对采样率转换算法进行了验证。结果表明，采用多采样率信号处理技术可以降低软件接收机后端信号与信息处理的计算量，能够很好地满足软件接收机的实时性要求。