banner.jpg)
本文作為該文的第二部分，討論內(nèi)容不要是關于物理層的；某些部分具有一定的普遍性，但仍與模擬前端和配合的處理器及軟件關系密切。
GPS接收機模擬前端架構(gòu)
在以MAX2741/MAX2741A為代表的GPS接收機架構(gòu)中，MAX2741是專門為利用宿主機的處理能力完成GPS功能的應用設計的模擬前端。可以預期，類似架構(gòu)的GPS接收機逐漸會因其低總體成本成為市場主流。其架構(gòu)為一個兩次下變頻超外差接收機，輸出為數(shù)字化的第二中頻信號流。除了射頻輸入濾波器、一中頻輸出濾波器和鎖相環(huán)環(huán)路濾波器需要在片外搭建，MAX2741片內(nèi)集成了包括本振諧振槽路在內(nèi)的所有組成完整接收機需要的其他元件。
MAX2471只在二中頻濾波量化、參考頻率配置方面支持靈活配置，通道中二中頻以上和本振部分相對固定；對于這樣一個接收機，參考頻率的分頻和上述3個濾波器的設計在系統(tǒng)設計規(guī)劃階段可以根據(jù)面向C/A碼調(diào)制帶寬確定，一般不再需要調(diào)整。
二中頻帶寬、輸出直流消除和增益可以在接收過程中自適應優(yōu)化。
直流對消主要是面向接收機二中頻變頻器偏置漂移和相位漂移，形成低頻阻帶；可以通過統(tǒng)計樣本集中零兩側(cè)的點數(shù)平衡予以調(diào)節(jié)。
增益通過量化臺階的位置影響接收效果；引用繼承的設置或根據(jù)輸出數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分布快速建立初步設置后，需要在工作中自適應。后面段落另有針對初步設置的討論。
參考圖4，通過為MAX2741提供一個虛擬的底層時計可以改善軟件GPS系統(tǒng)設計對宿主硬件的依賴性。虛擬時計可由宿主機處理器的內(nèi)嵌硬件實現(xiàn)的(如常見的捕獲時間計數(shù)器)，也可由單獨的硬件實現(xiàn)。輸出的串行數(shù)據(jù)本身是時序串行的，已經(jīng)帶有時間信息。虛擬時計記錄在沒有串行數(shù)據(jù)期間的時間。
虛擬時計使接收機接口標準化，同時明確了接收機與處理接口的實時性要求。以虛擬時計和串行流數(shù)據(jù)流為接口，硬件接口和軟件移植被簡化為這個接口的實現(xiàn)。
基于片段生成的樣本集和部分滑動相關算法
參考第一部分的討論，保證有效的相關計算需要在時間跨度<20ms之內(nèi)采集到至少包括總量超過折合1ms連續(xù)數(shù)據(jù)量的一個樣本集。并不是針對GPS應用設計的宿主系統(tǒng)不一定能保證連續(xù)的數(shù)據(jù)采集和緩沖；因此，從通用性出發(fā)，需要考慮利用圖4中帶時戳數(shù)據(jù)片斷拼制一個用于相關計算的集。
圖4：增加一個虛擬時計br>圖6：頻偏掃描和錯相掃描的積和頻相平面的分布。
第一部分已提到偽隨機序列的片斷，如果保持足夠的樣本數(shù)、仍保持原序列的特性；參考5示意，由片斷組成的序列作相關計算時如果之間的間隔較短，可以用0值(或0和1交替序列)充填連接成更長序列；但較長的序列需要投入更大的計算開銷。是充填還是分別處理與采用的算法有關；采用FFT時適合充填，滑移相關時適合分開。
針對一個特定的PRN碼，接收到的序列中是否存在同樣的碼以及這個碼在序列中所在的位置都由相關積反映；如圖5右下方的示意，當采用不同的偏移使本地產(chǎn)生的PRN碼片滑動時，如果接收序列中存在該PRN碼、在本地碼片滑動到與接收序列中該碼一致的位置時相關積出現(xiàn)峰值(或者谷值)。
改善GPS設計的硬件無關性。
圖5：針對多個片斷進行的相干計算的示意。
本地生成相干碼片的過程把一個本地生成PRN碼序按接收序列的時鐘序列采樣；此時鐘由接收機的采樣時鐘確定，與接收序列中帶有的GPS系統(tǒng)時鐘沒有直接關系；生成本地PRN序列所采用的時鐘(包括生成本地載波所采用的時鐘)則是要做到與GPS系統(tǒng)一致的時鐘、即需要測量的時鐘。
GPS接收所要求的信噪比不能保證有效的載波恢復和同步，需要先利用PRN的時域相關抑制非相干部分才能有效地識別出載波。
面向低中頻的解調(diào)和相關算法以及載波跟蹤
類似MAX2741的低中頻輸出設計，希望借助宿主處理器的能力實現(xiàn)BPSK解調(diào)、而不是增加硬件電路解調(diào)；把圖5中的PRN碼片的本地采樣變成對經(jīng)過PRN碼調(diào)制生成的本地BPSK已調(diào)載波的采樣，則相關乘法運算同時起到對載波的解調(diào)。參考圖6，此時，圖5右下方沿PRN碼的偏移量軸一維分布表現(xiàn)出的相關積峰(谷)表現(xiàn)為峰谷的顯著程度與相關程度有關的、本地合成載波頻率-相位平面上的凸嶺(凹溝)。
圖6：頻偏掃描和錯相掃描的積和頻相平面的分布。
保證本地載波與接收序列中的載波同頻時，對一個樣本集而言、對應不同本地載波相移相關積峰(谷)值呈現(xiàn)余弦分布。
載波不同步時對不同相移值計算，要么沒有明顯的峰(谷)、要么峰(谷)出現(xiàn)與拍頻對采樣時間跨度內(nèi)的PRN碼的調(diào)制有關的多次變化。
完整地處理一個樣本集包括對不同可能PRN碼、PRN碼帶有或不帶有一次數(shù)據(jù)反轉(zhuǎn)、不同本振頻移和不同本振相移范圍掃描計算相關積。掃描的范圍由接收機所能引用繼承參數(shù)的確定性決定。
對于不同時間采集的樣本集，相關積隨時間不同以本振拍頻變化。如果本振偏差保持在一定范圍內(nèi)，可以不對樣本完整處理、而只是采用那些峰(谷)明顯的樣本集。
GPS衛(wèi)星的BPSK信號中PRN碼的每個位由1540個BPSK載波完整周期波形傳遞。對于類似MAX2741的接收機，由于不考慮下變頻本振同步，其中頻輸出中PRN碼的位和載波的相位已經(jīng)不存在同步關系。因此，宿主機在合成本地的調(diào)制載波時也不必考慮載波和PRN的穩(wěn)定相位關系。在合成本地調(diào)制載波時可直接用PRN碼對本地載波切片、拼合生成本地調(diào)制載波。補償衛(wèi)星信號傳輸、接收環(huán)節(jié)的累計濾波作用的均衡可以在對本地調(diào)制波采樣時加以考慮。
時鐘、采樣頻率和幅度量化
MAX2741的鎖相環(huán)和本振抑制了外部時鐘抖動或相噪在變頻過程中被放大傳遞到中頻輸出。用于二中頻采樣的時鐘的抖動對載波檢測的影響是線性的，對于較低抖動可以直接采用光速與抖動的乘積估計該時鐘抖動對位置測量的影響。一個常見的、具有50ps抖動的晶振，采樣時間抖動產(chǎn)生的影響估值小于0.15m。從這一點出發(fā)，大多宿主系統(tǒng)的時鐘可以用作采樣時鐘。對這個時鐘的要求主要考核其抖動向本振的傳遞。
盡管從理論和實踐上都允許更低的二中頻輸出，但是低的二中頻等效于引入更大的噪聲和需要累積更多時間的測量數(shù)據(jù)；一般二中頻的輸出頻率不要低于由位符號速率-帶寬限定的2M，對二中頻的采樣也至少是二中頻的倍頻。較高的二中頻頻率和采樣頻率同時反映為樣本集時間內(nèi)更多的周期波形數(shù)和點數(shù)；這兩個數(shù)的和以倒數(shù)關系影響乘積和的截斷誤差。
圖6是分別對應100個周期波形(上圖)和25個周期波形(下圖)，利用10倍頻采樣的仿真結(jié)果。無論是圖中的哪一組，都已經(jīng)足夠接近采用連續(xù)函數(shù)的結(jié)果。在中心部位，沿錯相呈余弦變化，沿偏頻呈SINC函數(shù)變化。圖中的黑色平面為積和值為0的平面。代表積和值的曲面與零平面的交線為網(wǎng)格狀的一組交叉直線。這組直線的在偏頻方向的間隔為樣本所包括周期波形數(shù)的倒數(shù)，傾斜的一組相位對偏頻的斜率為周期波形數(shù)與π的乘積。在噪聲影響可以接受的前提下，采用較少周期波形數(shù)有利于在更大范圍內(nèi)的俘獲載波。
來自衛(wèi)星群的信號可以被認為是同源的、只有統(tǒng)計性衰落漲落，可以被認為短時間內(nèi)幅度是基本穩(wěn)定的(部分信號間多普勒效應產(chǎn)生相對L1，L2載頻5-10ppm的差拍，對6M二中頻約0.1-0.2%)，同時，這個信號是淹沒在噪聲中的。對這樣一個信號對整個幅度范圍內(nèi)線性量化是不合算的。簡化的分析表明最佳的量化的范圍約為噪聲功率均方根值的1.5-1.6倍。如果沒有繼承的數(shù)據(jù)可以引用，其初步設置可以預處理數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征為檢驗。
限幅現(xiàn)象導致通帶內(nèi)出現(xiàn)由限幅幅度發(fā)生時間決定的大量干擾成分；為了去除這部分干擾，需要對數(shù)據(jù)作預處理。
合并計算載波相關解調(diào)和偽隨機序列相關檢驗時，加性噪聲引起溢出的時間里的數(shù)據(jù)無效。與算法有關，溢出持續(xù)時間較長時需要折中考慮是否需要將數(shù)據(jù)分隔成樣本集不同的片處理。
參數(shù)估值和逼近優(yōu)化
前文分析和給出了MAX2741 GPS接收機全部參數(shù)的初期設置估值和初期檢驗依據(jù)。其中一些參數(shù)是需要在工作中優(yōu)化的，包括幾層時計的統(tǒng)計誤差參數(shù)、二中頻輸出濾波的帶寬、二中頻增益、量化器直流對消設置。
直流對消有一定的時變性。直流對消優(yōu)化設置的判據(jù)和控制關系明確，可以采用簡單的滑動平均反饋控制。
二中頻增益則需要利用幅度自適應的白噪聲加擾、以優(yōu)選星的信號強度作為判據(jù)優(yōu)化。其中白噪聲的范圍可以作為低時變性的參數(shù)在長時間里繼承和滑動平均。
對于多數(shù)測量持續(xù)時間，衛(wèi)星的移動參數(shù)可是被認為是穩(wěn)定的。如果不能提供接收機的移動數(shù)據(jù)，至少需要提供角、線速率參數(shù)范圍。一般情況下接收機的移動影響到測量數(shù)據(jù)處理，因此在測量數(shù)據(jù)處理軟件中包括接收機移動處理是必要的。
捕獲(導入)和跟蹤的策略
本文討論的離線并行處理方式接收機可以靈活地選用不同的俘獲和跟蹤方式，主要受到宿主處理器的數(shù)據(jù)-程序存儲能力限制。
處理一個樣本集時首先針對該樣本集的采集時間、根據(jù)繼承的定時精確度確定適合引用的參數(shù)和需要的測量處理。一般并不需要完全從頭開始，搜尋所有的星位和重新確定所有不同精度的時間。
一般最糟情況下只是沒有合適的載頻數(shù)據(jù)可以引用，此時可以對若干個較短采集時間的樣本集做FFT檢測載波。在這個情況下可以適當調(diào)窄二中頻信號的帶寬。
如果已經(jīng)有比較準確的載波頻率數(shù)據(jù)可以引用，則可以在零平面交線附近作載波頻-相搜索、確定精確的載波頻-相數(shù)據(jù)；
如果已可以引用精確的載波頻-相數(shù)據(jù)，則可以采用較大樣本集進行相關檢驗、識別有效的碼組和測量碼組相位定時。
已經(jīng)可以繼承碼組和碼組的相位定時后，接下來作如何處理將取決于接收機希望達到哪種功能和性能。
如果是50米以內(nèi)的定位，則可以轉(zhuǎn)入接收報文。在報文接收時可同時測量報文位轉(zhuǎn)換時間、測量碼組相位定時和根據(jù)相關積的拍頻起伏維持載波鎖相。
如果需要，可以進行載波頻-相跟蹤、提供更精確的測量數(shù)據(jù)。導入到載波頻-相跟蹤階段后，同期的報文位轉(zhuǎn)換時間、碼組相位定時測量是必要的。這主要是由于載波頻-相跟蹤主要適合短時程跟蹤，持續(xù)依賴于載波頻-相跟蹤時出現(xiàn)滑動錯位的可能性很大、需要由偽隨機碼的相位重新校準。
跟蹤期間，如果在接收載波頻率附近進行頻-相掃描、其間引起的相關積幅度變化不顯著，因此并不能依靠在這個范圍內(nèi)掃描一個樣本集的數(shù)據(jù)得出頻-相偏移數(shù)據(jù)。如果載頻已鎖定在樣本采集時間可以反應得過來的頻偏之內(nèi)，如100Hz以內(nèi)，則可以在一系列順序的測量中觀察到差拍現(xiàn)象和利用差拍參數(shù)跟蹤。否則得需要利用在零平面交線附近作載波頻-相搜索，在這個搜索計算中是不能同時得出好的相關積數(shù)據(jù)的。
