实现软件GPS的软硬件设计讨论(Ⅱ)

类似MAX2741的低中频输出设计，希望借助宿主处理器的能力实现BPSK解调、而不是增加硬件电路解调；把图5中的PRN码片的本地采样变成对经过PRN码调制生成的本地BPSK已调载波的采样，则相关乘法运算同时起到对载波的解调。参考图6，此时，图5右下方沿PRN码的偏移量轴一维分布表现出的相关积峰(谷)表现为峰谷的显著程度与相关程度有关的、本地合成载波频率-相位平面上的凸岭(凹沟)。

图6：频偏扫描和错相扫描的积和频相平面的分布。

保证本地载波与接收序列中的载波同频时，对一个样本集而言、对应不同本地载波相移相关积峰(谷)值呈现余弦分布。

载波不同步时对不同相移值计算，要么没有明显的峰(谷)、要么峰(谷)出现与拍频对采样时间跨度内的PRN码的调制有关的多次变化。

完整地处理一个样本集包括对不同可能PRN码、PRN码带有或不带有一次数据反转、不同本振频移和不同本振相移范围扫描计算相关积。扫描的范围由接收机所能引用继承参数的确定性决定。

对于不同时间采集的样本集，相关积随时间不同以本振拍频变化。如果本振偏差保持在一定范围内，可以不对样本完整处理、而只是采用那些峰(谷)明显的样本集。

GPS卫星的BPSK信号中PRN码的每个位由1540个BPSK载波完整周期波形传递。对于类似MAX2741的接收机，由于不考虑下变频本振同步，其中频输出中PRN码的位和载波的相位已经不存在同步关系。因此，宿主机在合成本地的调制载波时也不必考虑载波和PRN的稳定相位关系。在合成本地调制载波时可直接用PRN码对本地载波切片、拼合生成本地调制载波。补偿卫星信号传输、接收环节的累计滤波作用的均衡可以在对本地调制波采样时加以考虑。

时钟、采样频率和幅度量化

MAX2741的锁相环和本振抑制了外部时钟抖动或相噪在变频过程中被放大传递到中频输出。用于二中频采样的时钟的抖动对载波检测的影响是线性的，对于较低抖动可以直接采用光速与抖动的乘积估计该时钟抖动对位置测量的影响。一个常见的、具有50ps抖动的晶振，采样时间抖动产生的影响估值小于0.15m。从这一点出发，大多宿主系统的时钟可以用作采样时钟。对这个时钟的要求主要考核其抖动向本振的传递。

尽管从理论和实践上都允许更低的二中频输出，但是低的二中频等效于引入更大的噪声和需要累积更多时间的测量数据；一般二中频的输出频率不要低于由位符号速率-带宽限定的2M，对二中频的采样也至少是二中频的倍频。较高的二中频频率和采样频率同时反映为样本集时间内更多的周期波形数和点数；这两个数的和以倒数关系影响乘积和的截断误差。

图6是分别对应100个周期波形(上图)和25个周期波形(下图)，利用10倍频采样的仿真结果。无论是图中的哪一组，都已经足够接近采用连续函数的结果。在中心部位，沿错相呈余弦变化，沿偏频呈SINC函数变化。图中的黑色平面为积和值为0的平面。代表积和值的曲面与零平面的交线为网格状的一组交叉直线。这组直线的在偏频方向的间隔为样本所包括周期波形数的倒数，倾斜的一组相位对偏频的斜率为周期波形数与π的乘积。在噪声影响可以接受的前提下，采用较少周期波形数有利于在更大范围内的俘获载波。

来自卫星群的信号可以被认为是同源的、只有统计性衰落涨落，可以被认为短时间内幅度是基本稳定的(部分信号间多普勒效应产生相对L1，L2载频5-10ppm的差拍，对6M二中频约0.1-0.2%)，同时，这个信号是淹没在噪声中的。对这样一个信号对整个幅度范围内线性量化是不合算的。简化的分析表明最佳的量化的范围约为噪声功率均方根值的1.5-1.6倍。如果没有继承的数据可以引用，其初步设置可以预处理数据的统计特征为检验。

限幅现象导致通带内出现由限幅幅度发生时间决定的大量干扰成分；为了去除这部分干扰，需要对数据作预处理。

合并计算载波相关解调和伪随机序列相关检验时，加性噪声引起溢出的时间里的数据无效。与算法有关，溢出持续时间较长时需要折中考虑是否需要将数据分隔成样本集不同的片处理。

参数估值和逼近优化

前文分析和给出了MAX2741 GPS接收机全部参数的初期设置估值和初期检验依据。其中一些参数是需要在工作中优化的，包括几层时计的统计误差参数、二中频输出滤波的带宽、二中频增益、量化器直流对消设置。

直流对消有一定的时变性。直流对消优化设置的判据和控制关系明确，可以采用简单的滑动平均反馈控制。

二中频增益则需要利用幅度自适应的白噪声加扰、以优选星的信号强度作为判据优化。其中白噪声的范围可以作为低时变性的参数在长时间里继承和滑动平均。

对于多数测量持续时间，卫星的移动参数可是被认为是稳定的。如果不能提供接收机的移动数据，至少需要提供角、线速率参数范围。一般情况下接收机的移动影响到测量数据处理，因此在测量数据处理软件中包括接收机移动处理是必要的。