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卫星定时接收机的关键技术研究

作　者: 蔡凡
导　师: 张秀忠
学　校: 中国科学院研究生院（上海天文台）
专　业: 天文技术与方法
关键词: 卫星导航系统导航卫星接收机卫星定时接收机扩频通信捕获算法 FFT相关法匹配滤波器法跟踪算法锁频环锁相爪非相干延迟锁定环环路滤波器采样频率偏差非整数倍采样定时数字信号处理器
分类号: TN859
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

时间传递在科学研究、军事和经济建设等很多领域使用广泛。随着科技的发展，各个领域对时间精度的要求越来越高，要求时间同步的范围越来越广，授时技术也随之得到快速发展。利用无线电信号进行时间传递和比对是一种广泛应用的授时技术，典型代表是罗兰—C系统。随着空间技术的发展，利用卫星进行时间传递和比对的方法已经得到普遍应用，由于卫星授时技术极大扩展了时间同步的工作范围并提高了授时精度，因此卫星授时系统在多个领域逐渐替代原有的授时系统。在卫星授时过程中，卫星定时接收机的性能影响着定时精度。随着数字化技术的快速发展，卫星定时接收机借助数字化技术极大的提高了性能。但是由于数字化技术对接收机中晶体振荡器以及数字器件处理速度的高要求，使得接收机的成本居高不下。本文旨在通过对接收机涉及的数字信号处理算法的创新使得接收机在提高性能的同时不提高对接收机硬件要求，表现在降低了晶体振荡器的准确度要求以及数字信号的处理速度，提高卫星定时接收机的性价比。本文研究的主要内容如下：1．扩频通信系统中信号处理算法的相关内容。分析导航卫星信号的特点，比较导航卫星信号与一般扩频信号的异同，结合通用的载波恢复算法和符号定时算法选择卫星定时接收机中相关算法，分析卫星定时接收机的硬件结构和系统中的定时应用单元；2．详细分析数字信号处理算法涉及的理论基础，对捕获算法中的FFT相关法和匹配滤波器法、前向跟踪算法、反馈跟踪算法中的锁频环、锁相环、非相干延迟锁定环、多阶环路的性能及环路对应的算法公式等内容进行了理论分析和算法验证；3．在现有算法基础上做扩展性和补充性研究，为通过对接收机自身的技术改进来提高定时性能提供了可行途径。研究包括利用码跟踪环路完成采样频率偏差的估计以提高载波相位值的准确度、环路滤波器数字转换过程中不同等效方式之间的差异、码跟踪环两种运行方式之间的差异、利用非整数倍采样原理在不提高采样率的前提下提高码相位跟踪的准确度等；4．利用实际的卫星采样信号和DSP硬件平台对算法进行性能验证和硬件验证，分析在DSP硬件平台上进行算法移植时所应注意的相关内容。上述方面的研究为提高卫星定时接收机的有关性能提供了丰富的理论依据和设计参考。

全文目录

致谢  2-3
摘要  3-5
Abstract  5-11
第一章绪论  11-17
  1.1 研究背景  11-15
  1.2 研究的目的和意义  15-16
  1.3 论文的主要研究内容和组成结构  16-17
第二章扩频通信综述、卫星导航系统及卫星信号特点  17-34
  2.1 扩频通信  17-28
    2.1.1 直接序列扩频系统  17-28
  2.2 卫星导航系统及卫星信号特点  28-33
    2.2.1 GPS卫星导航系统及卫星信号特点  29-31
    2.2.2 国内卫星导航系统  31-33
  2.3 本章小节  33-34
第三章导航卫星接收机的结构  34-63
  3.1 接收机的总体结构  34-39
    3.1.1 软件无线电基本原理  34-35
    3.1.2 几种基本的软件无线电结构  35-39
  3.2 基带信号的提取  39-42
    3.2.1 窄带信号的正交分解的模拟域实现  39-40
    3.2.2 数字混频正交变换  40
    3.2.3 基于多相滤波的数字正交变换  40-42
  3.3 卫星定时接收机的系统结构及特点  42-62
    3.3.1 导航卫星接收机的单元组成  42-45
    3.3.2 卫星定时接收机的单元组成和定时原理  45-58
    3.3.3 卫星定时接收机的误差分析及改进措施  58-62
  3.4 本章小节  62-63
第四章信号处理算法研究  63-133
  4.1 采样原理及在接收机中的应用  63-74
    4.1.1 采样序列的充分性  63-66
    4.1.2 采样定理  66-70
    4.1.3 采样率的选择和抽取原理在接收机中的应用  70-74
  4.2 数字接收机的算法介绍  74-87
    4.2.1 闭环控制和开环控制  77-79
    4.2.2 定时恢复  79-83
    4.2.3 载波恢复  83-86
    4.2.4 卫星定时接收机中信号处理算法的特殊性  86-87
  4.3 导航卫星接收机的信号处理算法  87-132
    4.3.1 导航卫星接收机算法的选择  90-93
    4.3.2 信号捕获算法  93-97
    4.3.3 信号跟踪算法  97-132
  4.4 本章小节  132-133
第五章信号处理算法的扩展问题研究  133-170
  5.1 采样偏差对导航卫星接收机的影响研究  133-147
    5.1.1 采样频率偏差的影响  134-138
    5.1.2 偏差影响的消除  138-142
    5.1.3 参数设计及仿真结果分析  142-147
  5.2 不同码环跟踪方式的性能比较、不同形式环路滤波器的性能比较及非整数倍采样对码跟踪环的性能影响  147-169
    5.2.1 不同码环跟踪方式的性能比较  147-149
    5.2.2 不同形式下环路滤波器的性能比较  149-154
    5.2.3 非整数倍采样对码跟踪环的性能影响  154-169
  5.3 本章小节  169-170
第六章算法仿真、卫星信号处理及硬件验证  170-198
  6.1 算法仿真及卫星信号的处理  170-175
    6.1.1 算法的仿真  170-171
    6.1.2 卫星信号的处理  171-175
  6.2 信号处理算法的硬件验证  175-197
    6.2.1 DSP系统的设计过程  179-181
    6.2.2 DSP芯片的选择、开发环境简介及算法实验流程  181-188
    6.2.3 算法的DSP验证  188-197
  6.3 本章小节  197-198
总结  198-200
参考文献  200-206
缩略词  206-209
攻读学位期间发表的学术论文  209-210
个人简历  210

卫星定时接收机的关键技术研究

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