卫星接收机跟踪环路介绍

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相位锁定环路的I/Q解调
令： 则：

经过低通滤波后的同相信号I与Q合在一起可写为：
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相位锁定环路的I/Q解调
相位可由右式得出：

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相位锁定环路的I/Q解调
当锁相环锁定信号后，相位差的值基本上在零值 附近晃动，根据公式可发现，同相信号包含的数据信 号和一些噪声，正交信号则基本上只是噪声。说明I/Q 解调法通过反馈调节机制使得I路输出信号功率最大， 同时使得Q路功率保持最小。 考虑到导航电文数据的比特0和1近乎随机，我 我们若将锁相环输出标记在图中，则大概一半的数据 集中于正向I轴，另一半集中在负向I轴。
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相位锁定环路的I/Q解调
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相位锁定环路的I/Q解调

Mf c
Mfc / 2 N
Mf c fo N 2
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相位锁定环路的相干积分
积分-清除器通过积分低通滤波器来消除信号中的 高频成分和噪声，提高载噪比。工作过程如下： 积分器对输入信号i和q经过一定时间的积分后，得到输 出积分结果I和Q，然后清除积分器中各个寄存单元，进 行下一时段积分，以此往复。 由于积分环节是IQ两路分开，所以称为相干积分， 相干积分的时间称为 Tcoh 。
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锁相环与锁频环对比
锁频环下辅助的锁相环是常见的组合方案，锁相环与锁 频环同时工作。因锁频环滤波器所输出的频率差异需要 积分才可以变成锁相环滤波器的相位差异，所以使用N-1 阶锁频环辅助N阶锁相环。如图为二阶锁频环辅助三阶 锁相环
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码环设计
码跟踪环简称码环，一般采用延迟锁定环（DLL） 。将通过复制一个与接收信号中的伪码（C/A码）相位 相一致的伪码，然后让接收信号与复制伪码相乘相关， 以剥离接收信号中的伪码，并从中获得GPS定位所必需 的伪距这一重要测量值。主要是利用了C/A码的自相关 性。 如果每一时刻只复制一份C/A码，那么由于缺乏可 比性，码环难以判断复制的C/A码与接收信号的相关结 果是否真的达到最大，所以码环一般复制三份（也可以 是两份或更多），用EPL表示，分别是超前（Early）、 即时（ Prompt）和滞后（Late） 2017/5/22 53
coh
coh
1 Tcoh
coh
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频率锁定环路的基本原理
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环路的锁定、捕获和跟踪
1、环路的锁定
• 没有输入信号时，VCO以自由振荡频率ωo振荡。 • 有输入信号ui(t)时，
• 刚开始 ωi ≠ ωo。 • 当某时刻，ωi 和 ωo 接近到一定程度时，鉴相器
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相位锁定环路的暂态相应

暂态相应描述了一个系统在外界激励作用下收 敛到稳态过程中的系统状态变化大小和快慢等情况 。
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相位锁定环路的暂态相应

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相位锁定环路的暂态相应
噪声的带宽称为环路带宽，控制着进入环路噪声 的多少。噪声带宽越窄，进入环路的噪声频率越少， 环路滤波效果越好；反之亦然。 利用 二阶锁相环的系统函数H（s）可得，噪声 带宽为：
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锁相环环路的阶数

三阶环路的环路滤波器的传递函数
a3n2 n3 1 F ( s) b3n 2 K s s
系统函数为
b3n s 2 a3n2 s n3 H ( s) 3 s b3n s 2 a3n2 s n3
环路的同步带和捕捉带
• 捕捉带
• 环路能捕捉的最大的输入信号频率变化范围。
• 同步带
• 在环路已进入锁定状态后，压控振荡器能跟踪 输入信号频率变化的范围。
• 又称为PLL的同步特性或非线性跟踪特性。
频率锁定环路的鉴频方法
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频率锁定环路的鉴频方法
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锁相环与锁频环对比
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相位锁定环路的鉴相器
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相位锁定环路的鉴相器
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频率锁定环路的基本原理
锁频环与锁相环不同之处在于鉴别其，频率鉴别器 称之为鉴频器。 锁频环追求的是其复制载波与接受载波的频率一致 ，并不要求其相位一致。锁频环中向量 rp (n) 并不靠近I轴 的正向或负向，端点可在向量图中发生旋转或者在某一 任意相位差异角度上保持不动，锁频环可以推断出频率 差异的幅值和正负，这就是锁频环鉴频的基本原理。 角频率的误差是通过相邻两个历元的相位差异变化 率估算得到：其中，必须位于同一个数据的比特时延。
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相位锁定环路
相位锁定环路（PLL）简称锁相环，是以锁定输 入载波信号的相位为目标的一种载波环实现形式。 锁相环是一个产生、输出周期信号的电子控制 环路，通过不断调整其输出信号的相位，使输出信号 与输入信号之间的相位时刻保持一致。 当输入、输出相位一致时，称为锁定状态；未 一致但趋于一致称为迁入状态；不收敛或者干扰过于 激烈未能进入锁定状态时称为百度文库相环暂时失锁。
码环设计
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码环设计
相关器间距： 由于存在EPL三路，每路都含有I、Q支路，所以每 个通道上原则上共有6个数字相关器，超前码输入到超前 相关器，即时码输入到即时相关器，滞后码输入到滞后 相关器。这三者相关器是等间距的，此处的间距是指复 制得到的C/A码相位差异。若D表示超前与滞后相关器间 距，d表示超前与即时相关器间距，则存在下述关系：
跟踪环路介绍
东南大学 仪器科学与工程学院
汇报目录

跟踪环路简介和原理 载波环设计



相位锁定环路 频率锁定环路 锁相环与锁频环对比

码环设计 基带数字信号处理 多路径效应与抑制
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跟踪环路目的
得到更为精确的码初始相位和载波频率，然后 从跟踪到的卫星信号中解调出导航数据。主要目的 是提高所捕获到的C/A码的相位和载波频率的精度， 并在信号随着时间变化的时候保持接收机本地复制 信号与输入信号的准确同步，进而去除信号中的载 波和伪随机码得到导航数据信息。 跟踪主要包括码相位和载波相位的跟踪。信 号跟踪是连续运行的，如果被跟踪的哪一颗卫星出 现失锁，必须对这颗卫星重新捕获一次，使得接收 机能够恢复对这颗卫星的跟踪状态。
输出一误差电压，经环路滤波器变换后控制VCO
的频率，使其输出频率变化到接近 ωi ，且两信号 的相位误差为 φ（常数），这时环路锁定。
2、环路的迁入
从信号的加入到环路锁定以前，称环路的迁入过程。
3、环路的跟踪
• 环路锁定后，当输入基准信号的频率或相位发生某种变 化时，由于环路的反馈控制作用，压控振荡器的频率和 相位将随输入信号的变化而变化，使压控振荡器的频率 与输入信号频率相同且相位差固定为（φ）。 • 但变化范围是有限的。
do (t ) t o (t ) 0 dt Ko 0 u f (t )dt dt
t
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相位锁定环路拉氏变换
为方便对其运行性能进行分析，对上式进行拉 氏变换，可得压控振荡器的传递函数为：
锁相环的系统函数为：
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锁相环环路的阶数
一阶环路的环路滤波器的传递函数 1 F ( s) n K n H ( s) 系统函数为 s n 二阶环路的环路滤波器的传递函数 系统函数为
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跟踪环路原理
信号跟踪是一个与接收信号同步的二维信号 的复制过程。利用复制的载波与接收信号进行混频 可以实现载波剥离及将信号下变到基带。复制伪码 与接收机信号相乘可以实现伪码剥离和信号解扩， 这时接收信号就只剩下数据码。 GPS卫星信号是动态变化的，变化包括： 多普勒效应引起载波频率发生动态偏移； 伪随机码的起始时间会随着卫星与接收机间 距离的变化而变化。
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相位锁定环路的I/Q解调
一种典型的载波环：
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相位锁定环路的I/Q解调
作为压控振荡器的数字化形式，数控振荡器是用 来完成正弦载波和余弦载波的赋值工作，工作流程如 下： 1、载波数控振荡器输出一个阶梯型的周期型号 2、正弦和余弦函数查询表分别将阶梯信号转换成数字 式正弦和余弦载波复制信号。 数控振荡器是一个由加法器和寄存器组成的相位累加 器。
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相位锁定环路的暂态相应
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相位锁定环路的暂态相应
当接收机检测到变强的用户动态应力时，它就随 即放宽噪声宽带，以迎合用户的高动态需求，然后当 用户动态应力减弱至正常水平时，它又相应地缩小噪 声带宽。
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相位锁定环路的I/Q解调
由于卫星信号的BPSK调制和强度微弱等特点， 接收机锁相环通常采用I/Q解调来帮助完成载波剥离、 鉴相和数据解调任务。
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相位锁定环路的相干积分
对i路进行时间为 Tcoh的相关计算可得

可得复数向量为
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相位锁定环路的相干积分
数字式锁相环中，忽略了高频部分的i路和q路表示为
这些结果送入积分器后，积分器进行如下计算：
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相位锁定环路的相干积分

Tcoh
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捕捉带(Δ ω p )—— 环路由失锁进入锁定所 允许信号频率偏离ω r的最大值。 捕捉时间(τ P )——环路由失锁状态进入锁定 状态所需的时间
相位锁定环路

ui (t )
ui (t )
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相位锁定环路

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相位锁定环路

do (t ) Kou f (t ) dt
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跟踪环路原理

信号通道处理信号的四个阶段：
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载波环
载波环的目前是尽力使其复制的载波信号与 接收费的卫星载波倍号保持一致，从而通过混频机 制彻底的剥离卫星信号中的载波。 下变频混频机制：接收信号与本机产生的信 号相乘，去除高频部分。 若复制裁波与接收载波不一致，接收信号不 能被下变频到真正的基带，并且码环C/A码的自相 关幅值会削弱。
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锁相环环路的阶数
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相位锁定环路的离散系统

二阶锁相环滤波传递函数：
N阶锁相环系统函数：（Ts表示信号采样周期）
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相位锁定环路的离散系统
二阶数字式锁相环方框图：
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相位锁定环路的稳态相应
为什么要进行稳态相应分析： 假定一个N阶锁相环处于锁定状态，然后输入 信号的初相位突然加入干扰或者激励，那么锁相环 是否能最终回到锁定状态以及收敛后跟踪误差大小 是多少，就是稳态响应性能的分析。 一般分为相位阶跃、频率阶跃、频率斜升等。
e (n)
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Tcoh
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频率锁定环路的基本原理
相干积分器的滤波带宽为 ，所以采用越长的Tcoh 的积分器具有越好的噪声滤波效果；当锁频环以相位差 1 1 异作为鉴频器时，它的频率迁入范围宽 T （从 2T 到 1 T 2T ），也就是说， coh 越长的锁频环具有越小的频率迁入 范围。因此，在锁频环中，仍需要 Tcoh 在环路的噪声性能 和动态性能之间做出平衡。
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相位锁定环路的稳态相应
相位阶跃 频率阶跃 频率斜升
误差传递函数的Z变换表示：
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相位锁定环路的稳态相应
相位阶跃
频率阶跃
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相位锁定环路的稳态相应
频率斜升激励
一个N阶锁相环不但可以准确无误的跟踪相位按时间 （N-1）阶次方或更低次方的变化信号，而且可以跟踪相位 按时间N次方变化的信号，只不过会产生一个值恒定的跟踪 误差，但不可跟踪（N+1）阶。
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相位锁定环路

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捕捉过程—环路由失锁进入锁定的过程
a.
Δ ω i 较小→ud(t) 能顺利通过LF得到 uC(t) →控制VCO→环路锁定
b. Δ ω i较大→ ud(t) 通过LF有较大衰减→ uC(t) 较小→经频率牵引过程时间长→环 路锁定 c. Δ ω i很大→ ud(t) 不能通过LF产生uC(t) →VCO不受控→环路失锁
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相位锁定环路的相干积分
相干积分时间 Tcoh 是一种妥协处理：一方面，为增强滤波 Tcoh 的值应该尽可能的 效果、降低噪声和提高跟踪精度， 长；另一方面，为了支持用户的高动态性，让跟踪环路 能更大容忍由用户运动导致的频率跟踪误差并限制频率 误差损耗，积分滤波器的通带带宽必须相当宽，也就是 Tcoh 尽可能的小。必须兼顾噪声和动态这两方面。