导航载荷线性失真对BOC信号影响的研究

1、导航载荷线性失真对BOC信号影响的研究0 引 言为了提供精确定位服务，卫星导航载荷必须提供连续，准确和高完好性的信号。传输路径的非理想效应是定位精度的限制因素。星载导航载荷的非理想特性使传输信号发生失真，从而使接收信号与本地复现信号不匹配。这种不匹配的主要后果是跟踪性能的恶化。失真信号与本地复现信号的不匹配会改变延迟锁定环(DLL)的鉴相特性，使DLL的输出(S曲线)的过零点与接收信号和本地复现信号相关曲线的峰值不对应，这种偏移被称为“定时偏移”(TO)，针对不同的导航载荷配置不同的相关器间隔得到的定时偏移的最大值被定义为“S曲线偏移”(SCB)1。同时，功率损失(PL)，相关损失(CL)，S

2、曲线斜率也是值得评估的参数。为了评估对上述参数影响最大的导航载荷失真因素，本文借鉴文献2提出的评估导航载荷非理想特性的仿真框架，利用Matlab软件进行了仿真分析，评估了线性失真(幅度、相位和群延迟)对BOC信号的影响。1 导航载荷仿真模型一般导航载荷链框图如图1所示。其中，最重要的单元是导航信号产生单元(NSGU)，频率生成和上变频器单元(FGUU)，高功率放大器(HPA)，输出多工器(OMUX)和天线(ANT)。每个单元引入以下失真进而造成了总的信号失真：(1) 线性失真，如幅度、相位和群时延波动失真，主要由信号发生器、滤波器、多工器和天线引入。(2) 非线性无记忆失真，由高功率放大器引入

3、。由于高功放带宽比信号带宽宽很多，因此不存在频率选择性，其非线性可认为是无记忆的。将线性失真等效为滤波器的幅度、相位和群时延特性，可以得到如图2所示的导航载荷仿真框图4,包括三个主要模块：(1) 理想的信号发生器，“理想”意味着不考虑来自该模块的失真。其实它们都被纳入到了导航载荷模块。(2) 导航载荷模块。(3) 理想的接收机模块，模拟开环非相干DLL，“理想”是指没有载波频率偏移或热噪声的存在。产生的信号送入导航载荷模型，它由三个主要分块构成：(1) 前置滤波器，模拟高功放之前的线性失真，主要是由NSGU和FGUU引入的。(2) 高功率放大器(HPA)的模块。(3) 后置滤波器，模拟高功放之

4、后的线性失真，主要来自于OMUX和ANT。最后，理想接收机实现了接收信号的捕获(存在热噪声的情况下)和DLL的开环跟踪。该模块的输出是S曲线，从它可以估计定时偏移(TO)和S曲线偏移(SCB)。导航载荷模块是整个仿真框架的核心，主要包括以下几个部分：(1) HPA前/后置滤波器线性失真可通过不同类型的滤波器模拟，如标准FIR/IIR数字滤波器(巴特沃斯、切比雪夫)，只要给定它们的主要参数(带宽、滚降系数、波纹等)或带宽有限的FIR滤波器，其频率响应是以表格形式输入的。使用标准的滤波器大大简化了过滤器的定义，并能快速估计其对S曲线偏差的影响。(2) 高功率放大器无记忆高功率放大器可通过查找表存储

5、所需放大器的AM/AM和AM/PM传输特性来模拟。这种方法能够仿真不同种类的HPA(TWTA,SSPA)，只要提供适当的AM/AM和AM/PM传输特性。由于篇幅限制，本文仅分析线性失真(振幅、相位和群延迟)对单路BOC信号的影响。不考虑实际的物理模型，仅从信号处理的角度出发，可采用图3所示的仿真模型5。2 评估参数为了评估信号失真对码跟踪精度的影响，本文采用非相干DLL的S曲线斜率和偏移以及相关损失进行评估。作为导航载荷规范的重要参数6，本文也考察了功率损失。对于周期为T的理想信号Sin(t)的和经过失真处理后的输出信号Sout(t)，功率损失(PL)被定义为:式中Pk是Sin中的Sin,k分

6、量的相对功率。S曲线分析是基于一个最普遍的接收机概念非相干DLL的跟踪回路7。迟早间隔为的DLL的鉴别函数或归一化S曲线(SC)由式(4)给出：3 仿真分析本文仿真采用BOC(10,5)基带信号，采样率为1 023 MHz，时间长度为一个CA码周期，即1 ms。3.1 幅度失真典型的幅度失真的类型有幅度波纹、抛物面幅度、幅度斜坡等，本文仅对幅度波纹做详细分析。幅度波纹的频率响应H(f)定义为：从以上的分析推导，可以得出以下结论：(1) 上述方程与输入信号的Sin(t)的形状无关。(2) 考虑到BOC(m,n)信号自相关函数ACF的特性，当波纹周期f与码速率相比拟时，对于固定的n/m，所有评估参

7、数(CL，PL和dSlope)与n无关。图4给出了各评估参数随A变化的趋势。图4 振幅纹波对评估参数的影响3.2 相位失真典型的相位失真类型有相位波纹、抛物线相位、立方相位等，本文仅对立方相位做详细分析。立方相位的幅频响应如式(12)所示：H(f)=expj23(fc+s)fc+sff0fc+s3(12)式中:在频率fs+c处的群时延为(fc+s)，相对中心频率的偏移为f0。相应的相频响应和群时延如图5所示。 图6显示出输出信号发生了不对称的失真，相应的S曲线出现了平滑效应，S曲线斜率随着鉴相间隔的改变剧烈变化且不对称。从图7的仿真结果可以看出，随着群时延斜率的增加，S曲线斜率剧烈变化。由于相

8、位的奇对称，S曲线偏移不再由输出信号相对于输入信号的延迟决定，而是包括了由S曲线不对称引入的偏差。最终的偏差与(fc+s)关系密切，即使群时延很小。CL受(fc+s)影响较大。3.3 椭圆滤波器线性失真椭圆滤波器是一种频率特性最常见的微波滤波器10。一般椭圆滤波器的群延迟响应有以下特征：通带内的抛物线特征，可通过立方相位响应FIR滤波器来模拟；通带边缘的耳状特征，可以通过有耳状群时延特性的FIR滤波器模型来模拟。同时，椭圆滤波器很容易满足通带损失小于1 dB，阻带衰减多达几十分贝，过渡带陡峭的幅频响应，可用来分析带限和群时延共同作用引入的线性失真的影响。图8显示了椭圆滤波器的幅频响应和群延迟特

9、性，这是一个6阶椭圆滤波器，通带内的损失不超过0.5 dB，阻带衰减50 dB。对BOC(m,n)信号，通带边缘频率fp应满足：2*fp/fc+s取值为15，其中fc+s=(m+n)*1.023 MHz。从图8可见，椭圆滤波器对相关损失有强烈的影响，对BOC信号来说，带限到主瓣会使相关损失达到大于1 dB。S曲线斜率也明显受到带限的影响，带限到主瓣会使S曲线斜率增加。但随着带宽的增加，S曲线斜率会减小。时间偏移对椭圆滤波器引入的线性失真相当敏感，尤其是群时延响应失真。然而，当相关器间距趋于零时，时间偏移也趋于零。4 结 语为了评估线性失真对BOC(m,n)型信号的影响，采用PL，CL，dSlope和TO这几个参数比较合理。通过仿真可以看出，带限是最关键的失真类型，这也会出现在任何端到端的实际系统中，即使是相对很宽的带宽，也会对码跟踪精度造成相当的影响。总体看来，典型的线性相位失真对评估参数(CL,dSlope,