matlab仿真卫星导航接收机信号干扰,卫星导航软件接收机多采样率信号处理技术...

卫星导航软件接收机作为当代卫星导航接收机领域的主要发展方向，在数字化通用硬件平台上通过软件实现了对卫星导航信号的最大化处理。该类接收机以其灵活设计、标准化架构以及模块化结构著称，在现有多种卫星导航系统（包括GPS、GLONASS、BDS-2及Galileo）难以实现兼容与升级等问题的基础上提供了有效的解决方案。为了适应不同系统的适应性需求，在保证性能的前提下通常可采用过采样技术——即系统采样频率远高于系统带宽两倍这一策略即可满足所需性能指标的要求。然而这种做法会带来后端DSP处理负担的显著增加从而可能影响整体系统的实时性表现。为此本研究创新性地提出了一种多采样率信号与信息处理系统并以此为例进行了深入分析及仿真验证实验结果表明所提方案能够在有效提升微弱信号检测能力的同时充分满足软实现实时运行需求。

1 多采样率信号处理原理

多采样率信号处理的本质即通过数字信号处理技术直接调整信号速率的具体过程也即通过数字信号处理技术直接调整信号速率具体可分为两类一类为抽取过程另一类为内插过程这两者在实际应用中各有特点其中以整数倍抽样的方法较为简单易行因此在工程实践中普遍采用这一方法对于非整数情况通常将其转化为等效于若干次整数倍抽样的复合操作以实现精确控制而本文仅探讨上述两类抽样技术及其应用问题

1.1 整数倍抽取

当面对大量信号数据时

为了确保抽取前后信号的采样频率均满足采样定理的要求而不会导致频谱混叠的现象发生，在实际操作中应当在执行信号抽样之前对其进行抗混叠预处理以消除可能存在的高频成分干扰

1.2 整数倍内插

整数倍内插位于两个相邻采样点之间并增加了I-1个采样点，在此过程中I被视为内插因子其中内插因子被定义为I，在实际工程应用中常用如图2所示的方法来实现内插过程

2 软件接收机信号与信息处理流程

软件接收机负责信号与信息的处理过程如图4所示，在此过程中DSP系统从AD采样器每隔1毫秒定期读取一次连续的采样数据流随后对该数据执行采样率转换操作从而降低后续捕获阶段的计算负担信号捕获完成后系统将捕获到的卫星星号粗估多普勒频移以及粗估码延迟传递给跟踪迁入模块从该模块开始系统将基于初始采集的原始数据开展工作并针对多普勒频移及码延迟进行精确计算

完成迁入后将进行比特同步操作，在此之后系统将正常进入精确的跟踪流程。随后将依次执行以下步骤：首先是子帧同步操作，在此过程中系统将解析导航电文内容，并根据获取的信息完成观测量数据的提取与导航计算。

本文仅对采样率转换模块进行深入研究，并使用卫星导航捕获模块来验证该模块的准确性。

3 采样率转换算法实现

该软件接收机AD端输出信号具有8.25兆赫z的零中频数据特征。而捕获算法仅需求取频率为2.046兆赫z的数据即可完成任务。因此,转换算法的主要目标是实现从8.25兆赫z到2.046兆赫z的采样率转换。由于该转换并非基于整数倍因子的设计,本文采用了内插与抽取相结合的方法以实现该目标。如图5所示。

软件接收机的信号与信息处理流程如图4所示，在此过程中DSP从AD采样器中每隔1 ms读取一次采样数据流，并对该数据进行采样率转换从而降低后续计算量。在信号捕获完成后捕获到的卫星星标、粗估计多普勒频率偏移及粗估计码延时被传递给跟踪-跳变模块并采用来自AD采集器的原始数据序列。随后该模块对多普勒频率偏移及码延时进行了精确估计

完成迁入后,通过二进制同步实现环路过渡,随后依次进行正常精确的定位阶段.具体流程包括:先是子帧同步,接着是导航信息解码,然后是观测数据采集,最后进行导航计算处理.

该文仅对其采样率转换模块进行了深入探讨，并采用卫星导航捕获模块来验证其准确性。

3 采样率转换算法实现

以下是对原文的有效同义改写

首先对原始数据实施16倍零值内插，并随后执行抗混叠滤波处理。为了实现抽样目标，在此基础上采用近似算法实现抽样过程。经过上述步骤后最终获得采样率为2.046 MHz的采样信号。鉴于所采用的抽样算法具有近似性，在减少计算开销的前提下本文选择先完成零值内插后再执行抽样操作，并避免直接从8.25 MHz的高分辨率信号中进行抽样得到目标频率下的采样信号

3.1 频谱分析

零中频信号具有良好的连续性特性，在这一过程中需要特别注意载波同步问题。

3.2 抽取近似算法

针对分数倍采样率转换所引发的问题，本文提出了一种近似算法用于信号抽取。具体步骤如下：设原始数据总量为N，则目标输出数据量设定为M。

3.2 抽取近似算法

为了应对分数倍采样率转换所带来的挑战，本研究提出了一种近似的算法来处理信号抽样问题。具体来说，该算法的实现过程如下：其中原始数据的总数设为N，输出的数据总数设定为M。

公式（4）解得k=M。即此控制程序的作用是使得输出的数据个数与所需数据个数严格相等。

3.3 内插系统的多相表示

根据图5的数据分析可知，在经过内插处理后，
大量原始数据被替换成零值，
抗混叠滤波器处理后的数据
相当于对原始数据进行卷积运算。
为了显著提升计算效率，
将整个内插系统
（包括抗混叠滤波器在内的部分）
表示为多相结构形式更为合适，
这种设计能够有效避免零值数据参与卷积过程，
从而显著提升了计算效率。
对于对实时卫星导航软件接收机性能要求极为严格的场景来说，
这一优化设计具有重要意义。
例如采用内插倍数I=3以及滤波器系数N=12，
直接比较了直接结构与多相结构的性能差异如图7所示。

根据解式(4)，我们能够得到k=M的值。这表明，在应用该控制程序时，系统的输出数据数量将严格对应所需数据的数量。

3.3 内插系统的多相表示

根据图5的数据可知，在内插处理后，原始数据中有大量数值为零。抗混叠滤波器处理后的内插数据相当于对原始数据执行卷积运算。为了提升计算效率这一目标，在设计信号处理架构时可将内插系统表示为多相结构形式。这种结构设计使得在卷积运算中不会包含这些零值从而显著提升了计算效率这一特点对于实时卫星导航软件接收机具有重要意义。以具体参数配置为例假设采用内插倍数I=3以及滤波器系数N=12来展开分析对比分析的是直接结构与多相结构方案如图7所示

图7展示了抗混叠滤波器的直接实现结构。由此可见，在每次输出y(n, 2T)时（其中n为整数），有四个非零数据参与运算；其余8个位置上的值均为零。相比之下，在多相结构中将滤波器系数划分为三组参数，在每个时间间隔[T, T+Δ]内分别计算三个中间变量v₀(t), v₁(t), v₂(t)。信号y在时间点nΔ处根据数据选择器选取上述三个中间变量之一作为当前输出。相较于传统直接型结构，在相同采样率下（即相同的Δ），多相结构能够减少一半的乘法操作量，并且其总的运算工作量仅为传统方法的一半左右。因此本文所采用的采样率转换算法基于内插系统的多相架构设计方案

4 算法验证

本文分别采用Matlab和软件接收机平台对采样率转换系统进行了验证。

4.1 Matlab仿真验证

图8显示利用Matlab对原始信号数据以及采样率转换后的数据执行频谱分析的结果

在设置采样频率为8.25 MHz时

图9展示了采用2.046 MHz重采样数据进行捕获的实验结果。该实验结果表明，经过重采样的信号数据能够充分满足卫星导航软件接收机快速捕获算法所需的标准。

在设置采样频率为8.25 MHz时（MHz），通过图8(a)，可以看出在此设置下（MHz），GPS信号呈现出了双边带特征（MHz），其双边带宽度达到了1.023 MHz）。当采用2.046 MHz作为采样率时（MHz），通过查看图8(b)，可以看到重采样的效果如何？将上下两张图表进行对比分析后发现（MHz），重采样的过程并未导致信道畸变或混叠现象（MHz）。由此可得所采用的方法是有效的（有效）。

图9展示了采用2.046 MHz重采样数据进行信号捕捉的过程，在实验结果的基础上可以看出重采样后获得的信号数据完全符合卫星导航接收机快速捕获算法所需输入的要求

4.2 平台验证

基于该软件接收机硬件平台对采样率转换算法进行了验证，并在图10中展示了具体结果

4.2 平台验证

通过软硬件协同测试系统对采样率转换算法性能的评估结果见于图10。该软体接收系统的信息处理流程架构详述于图4，并运行着即时零中频软体收容器功能。分析表明，在重采样过程中可获得足够的样本量以实现GPS L1卫星信号的有效捕获。

本文探讨了多速率信号处理技术在卫星导航软件接收机中的应用，并以GPS L1信号为例，在结合Matlab技术和硬件平台构建的基础上，基于频谱分析方法以及快速捕获算法对采样率转换算法进行了实验验证。实验结果表明，在采用多采样率信号处理技术下可有效减少计算负担的同时充分满足系统的实时性能要求