相位噪声对Cn频段导航信号载波相位测量精度的影响分析.pdf
《相位噪声对Cn频段导航信号载波相位测量精度的影响分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《相位噪声对Cn频段导航信号载波相位测量精度的影响分析.pdf(14页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、总第 46 卷 第 2 期 时间频率学报 Vol.46 No.2 2023 年 4 月 Journal of Time and Frequency Apr.,2023 引用格式:张志敏,克兢,王雪,等.相位噪声对 Cn 频段导航信号载波相位测量精度的影响分析J.时间频率学报,2023,46(2):116-129.相位噪声对 Cn 频段导航信号载波相位测量精度的影响分析 张志敏1,2,克兢1,王雪3,贾晓辉1,2 (1.中国科学院 国家授时中心,西安 710600;2.中国科学院大学,北京 100049;3.西安电子科技大学,西安 710600)摘要:Cn 频段(5 0105 030 MHz)是
2、除 L 频段外唯一受国际电联(ITU)保护的导航频段,也是当前转发式系统的试验频段,在 Cn 频段开展导航业务可解决目前 L 频段所面临的频谱拥挤和易受干扰等问题。转发式卫星导航试验系统要实现“分米级定位,纳秒级授时”的目标,需要利用载波环进行高精度测距。相比 L 频段,Cn 频段落地电平较低,更易受干扰,因而针对Cn 频段导航信号进行载波相位测量精度的影响分析至关重要。本文首先研究了相位噪声的生成方法,接着利用锁相环的线性模型研究了输入端、内部振荡器相位噪声对锁相环跟踪精度的影响,分析了噪声带宽、相干积分时间对 PLL 相位抖动的影响,对于后续接收机的设计具有较强的借鉴意义。最后通过实测信号
3、验证了噪声带宽对锁相环跟踪精度的影响。研究结果表明:相位噪声会引起环路明显的相位抖动,频率白噪声和频率随机游走噪声所引起环路的相位抖动随噪声带宽 Bn先递减后递增,随相干积分时间 T 而递增。本文结论为后续 C 频段接收机的设计实现提供了有价值的借鉴。关键词:Cn 频段;相位噪声;噪声带宽;相干积分时间;相位抖动 DOI:10.13875/j.issn.1674-0637.2023-02-0116-14 The influence of phase noise on carrier phase measurement in Cn-band navigation signal ZHANG Zhi
4、-min1,2,KE Jing1,WANG Xue3,JIA Xiao-hui1,2(1.National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences,Xian 710600,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;3.Xidian University,Xian 710600,China)Abstract:Cn-band(5 0105 030 MHz)is the only navigation frequency band protect
5、ed by the International Telecommunication Union(ITU)except L-band,and it is also the experimental band of the current ZFS system.Carrying out navigation service in Cn-band can solve the problems of spectrum congestion and easy interference 收稿日期:2022-03-23;接受日期:2022-05-15 基金项目:中国科学院“西部之光”人才培养计划“西部青年学
6、者”资助项目(XAB2021YN20)第 2 期 张志敏等:相位噪声对 Cn 频段导航信号载波相位测量精度的影响分析 117 faced by L-band at present.In order to achieve the goal of“decimeter positioning and nanosecond timing”,the ZFS system needs to use the carrier loop for high-precision ranging.Compared with L-band,Cn-band has a lower landing power and is
7、 more susceptible to interference,so it is very important to analyze the influence of Cn-band navigation signals on ranging.Based on the basis of the generation method of phase noise,the influence of input and internal oscillator phase noise on the tracking accuracy of PLL was studied with the linea
8、r PLL model,and the influence of noise bandwidth and coherent integration time on PLL phase jitter was analyzed,the influence of noise bandwidth on the tracking accuracy of PLL was verified by RF signals.The results shown that the phase noise can cause obvious phase jitter of the loop,and the phase
9、jitter of the loop caused by frequency white noise and random walk noise decreases first and then increases with the noise bandwidth Bn,and increases with the coherent integration time.The study results provide a foundation for the design and implementation of the C-band receiver.Key words:Cn-band;p
10、hase noise;noise bandwidth;coherent integration time;phase jitter 0 引言 转发式卫星导航试验系统是中国科学院国家授时中心主要参与建设的区域卫星定位和授时系统,它投资少、见效快。与 GNSS 各系统相比,转发式系统的特点之一在于“转发”,即信号的产生和频率源均在地面。Cn 频段(5 0105 030 MHz)是除 L 频段外唯一受国际电联(ITU)保护的导航频段,也是当前转发式系统的试验频段之一,在 Cn 频段开展导航业务有利于解决目前 L 频段所面临的频谱拥挤和易受干扰等问题1。地面基带播发 Cn 频段信号,经 IGSO 通信
11、卫星上的透明转发器转发,由地面终端设备接收。转发式系统要实现“分米级定位,纳秒级授时”的目标,接收终端的高精度环路实现至关重要,码伪距测量精度已不能满足高精度定位和授时需求,转发式系统需要通过载波测距提高精度。在相同信噪比条件下,影响导航接收机载波跟踪环精度的因素主要有相位噪声、热噪声和动态应力等2。当噪声带宽逐渐变窄时,艾兰型相位抖动均方差可能会逐渐占据误差的主导地位3。文献4提出并研究了 GPS L1 频点信号预检测积分时间和噪声带宽对锁相环跟踪精度(随机误差)的影响,以及不同振荡器引入的载波测距系统误差。文献5推导了数字二阶载波跟踪环的相位抖动公式,并研究了数字锁相环与模拟锁相环的关系。
12、文献6研究了射频与基带时钟不同源对载波相位测量的影响。以往文献的研究均基于 L 频段进行,相比 L 频段,Cn 频段频率高、波长短,绕过障碍物的能力较弱,落地电平也相对较低,更易受干扰。因而针对转发式 Cn 频段导航信号,进行载波相位测量精度的影响研究至关重要。本文首先完成相位噪声的仿真与生成,接着推导了环路的相位抖动公式,探究相位噪声对锁相环跟踪精度的影响,通过仿真研究相位抖动与噪声带宽、相干积分时间的关系,最后通过实测数据验证结论。1 相位噪声机理及仿真方法 在实际的场景中,本振产生的信号可以表示为 c()()cos(2()S tAA tf t t=+。(1)式(1)中:A、cf分别表示标
13、称幅度和标称频率;()A t、()t分别表示随机振幅波动和随机相位波动。在进行相位噪声测量时,考虑到振荡器的相位噪声调制功率远大于幅度噪声调整功率,即()A tA,所以通常略去了振荡器的振幅波动带来的噪声3,本文正是基于()t开展研究工作。相位噪声的幂律谱模型适用于大多数频率源,它将振荡器输出的随机频率起伏或随机相位起伏近似118 时间频率学报 总 46 卷 为相位白噪声、相位闪烁噪声、频率白噪声、频率闪烁噪声以及频率随机游走噪声这 5 种独立噪声过程的加权和,用相对频率起伏谱密度()ySf表示为 22()ySfh f=。(2)式(2)中:(2,1,0,1,2)h =为振荡器的相位噪声系数。在
14、幂律谱模型的作用下,相位噪声的仿真基础为1f噪声的产生7。文献7和8分别利用白噪声通过 IIR 滤波器或 FIR 滤波器生成1f噪声,也就是 AR 或 MA 模型。文献2采用基于小波模型法产生相位噪声序列。考虑到 FIR 滤波器系统总是稳定的,并且有限精度运算的误差比较小,IIR 滤波器在一定的条件下才稳定,运算时还有可能引起振荡7,并且小波模型法低频拟合效果较差,故本文使用文献7中的 FIR 滤波器的方法进行相位噪声序列的生成。如图 1 将计算机产生的随机数通过不同参数的成型滤波器,得到相应的1(2,1,0,1,2)f=离散噪声序列,其中的成型滤波器类型为 FIR 数字滤波器。FIR 滤波器
15、白噪声1/f 噪声 图 1 1/f 噪声的产生示意图 以接收机常用的 TCXO(恒温晶振)作为模拟对象,常用的 TCXO 频率稳定度为13 ppm(-20+70),其噪声系数如表 1 所示。图 2 和图 3 分别为仿真产生的相位噪声序列和由幂律谱模型产生的理论功率谱密度与仿真产生的离散数据功率谱密度的拟合图。表 1 某 TCXO 的噪声系数 振荡器类型 h-2 h-1 h0 h1 h2 TCXO 9.296 510-19 6.456 710-19 7.587 910-18 2.896 110-20 8.638 410-22 6420-2-4-6幅值/(10-7)V0 2 000 4 000 6
16、 000 8 000 10 000序号 1.51.00.50-0.5-1.0-1.5幅值/(10-7)V0 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000序号 (a)相位白噪声 (b)相位闪烁噪声 420-2-4幅值/(10-8)V0 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000序号 1.51.00.50-0.5-1.0-1.5幅值/(10-10)V0 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000序号 (c)频率白噪声 (d)频率闪烁噪声 第 2 期 张志敏等:相位噪声对 Cn 频段导航信号载波相位测量精度的影响分析 119 420-2-4幅值/(
17、10-11)V0 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000序号 1.00.50-0.5-1.0幅值/(10-8)V0 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000序号 (e)频率随机游走噪声 (f)总的相位噪声 图 2 仿真产生的相位噪声序列 -400-500-600-700-800-900-1000功率谱密度/dB频率/(103)Hz0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 -60-80-100-120-140-160-180功率谱密度/dB频率/(103)Hz0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3
18、.5 4.0 4.5 5.0 (a)相位波动总噪声的 PSD (b)相位波动相位闪烁噪声的 PSD -90-100-110-120-130-140-150功率谱密度/dB频率/(103)Hz0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 -60-80-100-120-140-160-180功率谱密度/dB频率/(103)Hz0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 (c)相位波动相位白噪声的 PSD (d)相位波动频率白噪声的 PSD -100-150-200-250功率谱密度/dB频率/(103)Hz0 0.5 1
19、.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 功率谱密度/dB-100-150-200-250-300频率/(103)Hz0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 (e)相位波动频率闪烁噪声的 PSD (f)相位波动频率随机游走噪声的 PSD 图 3 由幂律谱模型产生的理论功率谱密度与仿真产生的离散数据的功率谱密度的拟合图 图 3 显示由幂律谱模型产生的理论功率谱密度与仿真产生的离散数据的功率谱密度基本是一致的,证实了仿真方法的正确性。由任意给定的噪声系数分量,可以模拟产生对应振荡器的离散噪声序列,为相位噪声的仿真分析提供了试验
20、手段。120 时间频率学报 总 46 卷 2 相位噪声对锁相环测距精度的影响 信号的捕获与跟踪过程是非线性的,然而当完成信号的粗捕获,进入到精确跟踪的稳定状态时,由于信号的稳态误差很小,鉴相曲线在零相位附近可以近似为直线,这样整个载波环都可以看成是线性的。图 4 即为载波环的线性化模型。环路滤波器载波 NCO1(s)+e(s)2(s)-n(s)图 4 锁相环的线性化模型环路 根据图 4 可以看出,载波环的线性化模型是一个负反馈过程,输入的相位1()s与载波 NCO(numerically controlled oscillator)的输出2()s做差,得到相位误差()e s。误差相位进入到环路
21、滤波器中,产生频率控制量,控制后续的载波 NCO,使之产生频率偏移,来跟踪输入信号的相位变化。由上面的分析可以得到,输入信号的相位噪声和本地振荡器的内部相位噪声的总误差谱po()Sf2为 2popipipsipoi22()()()()()()()1()SfSfE fSfSfSfE fH f=+=。(3)式(3)中:pi()Sf为总的相位噪声谱,psi()Sf表示输入信号的相位噪声功率谱,poi()Sf为本地振荡器 的内部噪声谱,2()E f为环路的误差传递函数,()H f为环路的系统传递函数。因为载波跟踪锁相环的相位跟踪误差为 22pi0()()dSfE ff=。(4)()H 与环路的阶数 n
22、 有关,即 2222n1()nnnH j=+。(5)式(5)中:n为跟踪环路的固有角频率。又由于总的输入噪声谱9表示为 2202112pi0432242()(2)()24hhhhhSf=+,0h2 f。(6)式(6)中:hf为相位噪声的有效带宽,0f为基准频率。将式(5)、(6)代入式(4)得到二阶锁相环的相位抖动为 2h24220211204322440n422()d24fhhhhhf+=+。(7)第 2 期 张志敏等:相位噪声对 Cn 频段导航信号载波相位测量精度的影响分析 121 对于二阶 PLL,nn0.53B=,将式(7)的结果转化为用测距值表示为 C2=。(8)式(8)中:89C(
23、2.99792458 10)(5.02293 10)0.05968=表示导航信号传播常数/Cn 频段载波频率,单位为 m/周。由公式(7)得到影响载波相位跟踪误差的因素包括振荡器的相位噪声参数、环路噪声带宽和环路阶数等。对于转发式系统,相位噪声的主要来源为地面基带、试验终端或接收机和卫星转发器等,地面基带产生导航信号时,振荡器会产生相位噪声,在到达接收机之前,如高功率放大器等因器件本身的制约,会对信号相位噪声产生一定程度的恶化。信号进入接收机终端后,相位噪声来源有接收机的采样时钟抖动和载波 NCO 的振荡频率误差等。卫星转发器产生的相位噪声已在文献10的研究中有涉及,且该文献得到高功率放大器引
24、起的测距精度恶化影响非常小。因此接下来主要针对输入端相位噪声和载波 NCO振荡频率误差引起 PLL 跟踪抖动进行研究。以 COSTAS 环为例,在图 5 中的压控振荡器和输入信号()S t加入得到的相位噪声序列。鉴相器的输出是环路的跟踪误差,同时反映了载波相位的测量精度6,实验所用鉴相器为二象限反正切鉴相器。低通滤波器鉴相器环路滤波器压控振荡器90 移相器IP(t)IQ(t)(t)Uf(t)Uoc(t)cos(t)Uos(t)sin(t)Apcos(f t+0+(t)(t)标准差低通滤波器 图 5 COSTAS 环的基本构成 2.1 输入端相位噪声 本节利用表 1 振荡器的噪声系数仿真得到离散
25、噪声数据,并加入到()t中,根据输入信号的类型,分为 Cn 频段单载波和导航信号(以 QPSK 调制信号为例)两种信号类型进行仿真。输入端信号仿真参数如表 2 所示,输入端相位噪声仿真参数如表 3 所示,相位噪声仿真参数中的标称频率选取接收机本振常用的经典值 5 MHz,采样率采用多数文献中使用的数值 10 kHz,噪声有效带宽为采样率的 1/2。表 2 输入端信号仿真参数 载波频率/MHz 中频/MHz 采样率/MHz 噪声带宽/Hz 积分时间/ms 码长 码率/Mcps 5 022.93 50 200 30 2 10 230 5.115 122 时间频率学报 总 46 卷 表 3 输入端相
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 相位 噪声 Cn 频段 导航 信号 载波 测量 精度 影响 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。