专利名称：：一种基于移位和加法的定点环路控制方法
技术领域：
：本发明涉及扩频通信接收机相关通道的环路控制领域，具体地说，本发明涉及一种基于移位和加法的定点环路控制方法。
背景技术：
：扩展频谱(spreadspectrum)通信系统是建立在C.E.Shannon信息论的理论基础之上的一种比较理想的通信系统。它是指用来传输信息的射频带宽远大于信息本身带宽的一种通信方式。扩频通信系统具有抗干扰性强、截获率低、码分多址、信号隐蔽、保密性强、测距和易于组网等许多独特的优点，目前已经广泛应用于通信、导航、雷达、定位、测距、遥控、航天、电子对抗、移动通信等各个领域。相关通道是直接序列扩频通信接收机的核心处理模块之一，其研究重点主要是围绕信号载波和伪码的跟踪。天线接收的扩频信号，经过低噪声放大器放大，并下变频到中频，然后通过模拟数字转换器(ADC)采样变成数字信号。当扩频接收机完成对扩频信号的捕获后，便将捕获到的码相位和载波多普勒置入相关通道，开始对载波相位和伪码相位进行精确跟踪。相关通道由相关器、环路控制、数据提取、观测量提取等模块构成。相关器一般由现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)实现，其完成对载波和伪码的剥离，并实现预检测积分。环路控制模块根据相关器输出的同相(I)路和正交(Q)路的超前、即时和滞后累加和，通过鉴相、滤波以及生成新的载波频率控制字和码频率控制字实现对相关通道的反馈控制。当环路锁定时，即可进行数据的位同步、帧同步，以及伪距、多普勒频率等观测量的才是取。载波跟踪环和码跟踪环的环路控制结构一样，都是由鉴相器、滤波器以及数控振荡器(NCO)三部分组成。载波跟踪环采用对数据调制不敏感的科斯塔斯(Costas)环实现对载波相位的精确跟踪。一个良好i&计的载波跟踪环应该先用工作在宽频带的对动态更为牢固的锁频环(FLL)将环路闭合起来，然后逐渐过渡到大带宽的Costas环工作，最后再将Costas环带宽变窄到稳态工作冲莫式。码跟踪环采用延迟锁定环(DLL)实现对伪码相位的精确跟踪。由于载波环辅助码环技术可以消除码环中的所有动态，所以码环带宽相对于载波环带宽可以做得很窄，以提高伪距精度。目前关于环路控制的理论分析，以及相应的性能指标都有很成熟的结论。但在实现时一般采用浮点环路控制，虽然不会损失精度，但这使得对处理器的要求较高，且很难用硬件描述语言直接硬件实现。
发明内容本发明所要解决的技术问题是针对采用低端处理器或者硬件描述语言实现扩频通信接收机基带信号处理中环路控制的要求，提出了一种基于移位和加法的定点环路控制方法，它通过下列步骤实现a.相关器完成积分累加后输出6个累加结果，环路控制模块根据这6个累加结果实现对载波跟踪环和码跟踪环的控制；b.采用坐标旋转数字计算(Cordic)算法实现二象限反正切(atan),完成载波环鉴相器的工作，即atan(QP/IP)，形成载波环鉴相误差x(n);c.对载波环鉴相误差x(n)、载波环中间变量u(n-1)和u(n-2)，经过适当移位和加法运算后，实现载波环滤波器，形成载波环滤波器输出z(n)和新的载波环中间变量u(n);d.栽波环滤波器输出z(n),加上载波中频频率控制字，形成新的载波频率控制字，反馈到跟踪环路对载波环进行控制；e.更新载波环中间变量，以供下一次环路控制使用，至此，载波环环路控制完成；f.采用近似算法计算包络，分别完成对超前和滞后累加和包络的计算；g.采用基于移位和加法的二进制除法模块完成码环的鉴相器工作，形成码环鉴相误差x(n);h.对码环鉴相误差x(n)、码环中间变量u(n-l),经过适当移位和加法运算后，实现码环滤波器，形成码环滤波器输出z(n)和新的码环中间变量u(n);i.码环滤波器输出z(n),加上载波环滤波器输出z(n)除以比例因子得到的载波辅助参数，再加上码中频频率控制字，形成新的码频率控制字，反馈到跟踪环路对码环进行控制；j.更新码环中间变量，以供下一次环路控制使用，至此，码环环路控制完成。在上述步骤c中，载波环滤波器为三阶滤波器，采用直接II型实现，并将滤波器系数以及NCO增益综合考虑，近似为2的整数次幂，采用移位实现，移位数量可根据设计的环路带宽决定。在上述步骤h中，码环滤波器为二阶滤波器，采用直接II型实现，并将滤波器系数以及NCO增益综合考虑，近似为2的整数次幂，采用移位实现，移位数量可根据设计的环路带宽决定。本发明与现有技术相比，最大的特点在于整个环路控制过程中，所有的操作均简化为一系列移位和加法操作，并通过合理选择位宽，基本不损失跟踪精度。这使得环路控制的实现可以采用很低端的处理器，或者还可以用硬件描述语言直接硬件实现。所以本发明具有运算量低，实现方式筒单，不影响环路跟踪精度的优点。通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其它目的和特点将会变得更加清楚，其中图1是扩频通信接收机相关通道的典型框图。图2是相关通道中定点环路控制的实现方法。图3是Cordic算法的迭代框图。图4是载波跟踪环的数字滤波器结构框图。图5是采用移位和加法实现二进制除法的结构框图。图6是码跟踪环的数字滤波器结构框图。具体实施例方式参照下面结合附图对示例性实施例的详细描述，本发明的优点和特点以及实现的方法可更容易地理解。图1是目前扩频通信接收机广泛采用的相关通道的典型框图。采样数据进入相关通道后，首先与本地的正余弦载波相乘实现载波剥离，以产生同相(I)和正交(Q)数据然后分别与本地产生的超前(E)、即时(P)和滞后(L)的复现码相乘实现码剥离，并进行积分累加。环路控制模块根据相关器的积分累加结果生成新的载波频率控制字和码频率控制字，对跟踪环路进行反馈控制。图2是相关通道中定点环路控制的实现方法，分为载波环控制和码环控制两大部分。它通过以下几个步骤实现。5a.相关器完成积分累加后输出6个累加结杲，即同相超前(Ie)、同相即时(Ip)、同相滞后(IL)、正交超前(QE)、正交即时(QP)、正交滞后(QL)，载波跟踪环采用Ip和Qp进行控制，码环采用IE、L、Qe和Ql迸行控制。b.釆用Cordic算法实现二象限反正切atan,完成载波环鉴相器的工作，即atan(QP/IP)，形成载波环鉴相误差x(n)。鉴相结果的韵:据范围为[-兀/2,7t/2],当采用定点实现时需要采用Q格式表示法对其进行表示，即x(n)是被扩位了的鉴相结果，待滤波完后再舍掉相同位数即可。x(n)的Q格式由Cordic算法中查找表内容的Q格式决定，一般取Q30，但将x(n)输入到环路滤波器时，采用Q30会占据过大的位宽，可将其截取到Q5，再小会影响载波环的精度。c.釆用一系列移位和加法实现载波环滤波器，形成载波环滤波器输出z(n)和新的载波环中间变量u(n)。载波环滤波器采用三阶滤波器，可以对加速度进行稳定跟踪。载波环滤波器输出z(n)—共由6项相加组成，分别是载波环相位误差x(n)左移a位；载波环相位i吴差x(n)左移b位；载波环相位误差x(n)左移c位；载波环前一个时刻中间变量u(n-l)左移(a+2)位；载波环前一个时刻中间变量u(n-l)左移(b+l)位；载波环前两个时刻中间变量u(n-2)左移(b+l)位；新的载波环中间变量u(n)—共由3项相加组成，分别是相位j吴差x(n);栽波环前一个时刻中间变量u(n-l)左移1位；载波环前两个时刻中间变量u(n-2)取负；其中a、b、c都是指移位数量，为正表示左移，为负表示右移。d.载波环滤波器输出z(n)舍掉在鉴相时扩的位数后，加上栽波中频频率控制字，即形成新的载波频率控制字，反馈到跟踪环路对载波环进行控制。e.更新载波环中间变量，将u(n-2)更新为u(n-1),将u(n-])更新为新形成的u(n),以供下一次环路控制使用。至此，载波环环路控制完成。f.采用近似算法计算包络，分别完成对超前和滞后累加和包络的计算，即形g.采用基于移位和加法的二进制除法模块完成码环的鉴相器工作，形成码环鉴相误差x(n)，即￡-丄2￡十丄与载波环筌相器类似，由于(E-L)/(E+L)的结果范围为[-1,1],所以也需要采用Q格式表示法对其进行表示，即鉴相器输出的结果是被扩位了的数据，待滤波完后再舍掉相同位数即可。具体的扩位位数由仿真确定为7。另外，码环鉴相器的除2操作可暂时不做，留到滤波后舍位时一并进行。h.采用一系列移位和加法实现码环滤波器，形成码环滤波器输出z(n)和新的码环中间变量u(n)。由于载波环会辅助码环消除所有的动态，所以码环滤波器采用二阶滤波器。码环滤波器输出z(n)—共由3项相加组成，分别是码环相^U吴差x(n)左移d位；码环相位i吴差x(n)左移e位；码环前一个时刻中间变量u(n-l)左移(d+l)位；新的码环中间变量u(n)—共由2项相加组成，分别是码环相位误差x(n);码环前一个时刻中间变量u(n-l);其中d、e都是指移位数量，为正表示左移，为负表示右移。i.码环滤波器输出z(n)舍掉在鉴相时扩的位数后，加上载波环滤波器输出z(n)除以比例因子得到的载波辅助参数，再加上码中频频率控制字，即形成新的码频率控制字，反馈到跟踪环路对码环进行控制。j更新码环中间变量，将u(n-l)更新为新形成的u(n)，以供下一次环路控制使用。至此，码环环路控制完成。对于上述步骤b,图3是Cordic算法的迭代框图。Cordic算法即坐标旋转数字计算方法(CoordinateRotationDigitalComputer),可以进行4艮多数学运算，比如正弦、余弦、复乘、反正切，求模等。当用Cordic算法算法计算二象限反正切时，将其工作在向量模式，即x,+i=工，-.A.2'少,+i=乂+、.4-2—'z,+,=2,-J,.tan—'(2')其中当乂<0时《,=1,当j.,,>0日十，《=-1。经过若干次迭代后，得到<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>上述算法中tan-1(2")的运算可以使用查表实现，乘以2-'运算可以使用移位实现，这样计算atan的过程就由加法、移位和查表来实现了。由于Cordic算法旋转的角度在-兀/2到兀/2之间，所以在用其计算atan时，必须保证x>0。当x<()时，需要先将x和y都取反，然后再进行运算。对于上述步骤c,下面阐述载波跟踪环滤波器中移位数量a、b、c的设计方法。图4是载波跟踪环的数字滤波器结构框图，其数学表达式为y(n)=2y(n-1)-y(n-2)+b0*x(n)+b1*x(n-1)+b2*x(n-2)b0、bl和b2由环i各参lt决定，即<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>;T为积分累加时间；O)0为环路自然圓频率，其大小由环路带宽决定。当采用定点方式实现该滤波器时，首先将其结构改为直接II型实现，即u(n)=x(n)+2u(n-1>u(n-2)y(n)=b0*u(n)+bl*u(n-l)+b2*u(n-2)=(k1+k2+k3)*u(n)+2*(k1-k3)*u(n-1)+(k1-k2+k3)*u(n-2)=k1*[u(n)+2*u(n-1)+u(n-2)]+k2*[u(n)-u(n-2)]+k3*[u(n)-2*u(n-1)+u(n-2)]=k1*[x(n)+4*u(n-1)]+k2*[x(n)+2*u(n-1)-2*u(n-2)]+k3*x(n)8载波环NCO采用Nbit累加器实现。对于载波环NCO增益，其单位是radianspersecondperunit,意义是每控制的1个unit在1秒内代表物理上的多少弧度，即由于载波NCO存在增益K，所以反馈给相关通道的载波频率控制字要除以该增益，即z(n)=y(n)/K=kl/K*[x(n)+4*u(n-l)]+k2/K*[x(n)+2*u(n-l)-2*u(n-2)]+k3/K*x(n)=h1*Ix(n)+4*u(n-1)]+h2*[x(n)+2*u(n-1)-2*u(n-2)]+h3*x(n)将hl、h2和h3近似为2的整数次幂，这样就可以通过移位的方式实现乘法操作。最后得到的载波环滤波器实现方式为u(n)=x(n)+[u(n-1)《1]-u(n-2)z(n)=[x(n)《a]+[u(n-1)(a+2)]+[x(n)b]其中a、b、c都是指移位的数量，其大小由环路参数决定，为正时表示左移，为负时表示右移。载波环滤波器的输出z(n)加上载波中频对应的频率控制字7Z.2W,即为反馈到载波环NCO的频率控制字，同时z(n)还会对码环进行辅助。对于上述步骤f中所用到的JPL算法，是由美国喷气推进实验室(JPI」)提其中X=MAX(|I|，|Q|),Y=MIN(|I|，|Q|)。将上述运算采用移位方式实现，即A=X-(X>〉3)+(Y1)当XS[Y+(Y1)^^对于上述步骤g和步骤i所用到的除法，图5示出了采用移位和加法实现二进制除法的实现框图。二进制除法实质上就是用除数和被除数进行比较，看看在被除数中有多少个除数，因此除法运算的过程，就是从被除数中减去多少个+fu(n-1)《(b+1)]-[u(n-2)《(b+1)]+|x(n)cJA=X+(Y》3)当X^[Y+(Y《1)]时除数的过程。在比较的过程中，首先将除数的最低位对齐被除数的最高位，用被除数减去除数，如果够减，说明被除数高位中包含1个除数，则图中开关闭合，从被除数中减去除数，同时在商的对应位置上置1;反之，被除数高位中不包含除数，开关不闭合，在商的对应位置上置0。然后不断将除数移位继续比较，当所有位均比较完毕时，就完成了商的计算。需要注意的是，该除法器只能适应被除数和除数都是正数的情况，对于被除数或除数为负数的情况，需要首先将其变为正数，然后再根据被除数和除数的符号位确定商的符号位。对于上述步骤h，下面阐述码跟踪环滤波器中移位数量d、e的设计方法。图6是码跟踪环的数字滤波器结构框图，其数学表达式为y(n)=y(n-1)+b0*x(n)+b1*x(n-1)b0和M由环路参数决定，即b0=kl+k2M=kl-k2其中A:l=~，&2="，叫2-a2=1.414;T为积分累加时间；coo为环路自然圓频率，其大小由环路带宽决定。与载波环滤波器设计方法类似，将其结构改为直接II型实现，即u(n)=x(n)+u(n-1)y(n)=(kl+k2)*u(n)+(kl-k2)*u(n-l)=k1*[x(n)+2*u(n-1)]+k2*x(n)码环NCO也采用Nbit累加器实现。对于码环NCO增益，其单位是codepersecondperunit,意义是每控制的1个unit在1秒内代表物理上的多少码片，即反馈给相关通道的码频率控制字为z(n)=y(n)/K=k1/K*[x(n)+2*u(n-1)]+k2/K*x(n)=hl*[x(n)+2*u(n-1)]+h2*x(n)将hi和h2近似为2的整数次幂，这样就可以通过移位的方式实现乘法操作。最后得到的码环滤波器实现方式为u(n)=x(n)+u(n-l)z(n)=[x(n)《d]+[u(n-1)《(d+1)]+[x(n)《e]其中d、e都是指移位的数量，其大小由环路参数决定。为正时表示左移，为负时表示右移。码环滤波器的输出z(n)加上载波环滤波器输出z(n)除以比例因子得到的载波辅助参数，再加上码中频对应的频率控制字7^^.2'~，即为反馈到码环NCO的频率控制字。下面以GPS系统为例，给出环路滤波器移位数量的设计示例。假设GPS接收机采样率为fs=5MHz,积分累加时间为T=1ms，载波NCO和码NCO位宽均为N=32bit。首先给出载波环滤波器的设计示例。假设环路带宽设计为Bn=15Hz，则w。=B,'/0.7845=38.241,然后计算hi、h2和h3得到4义.2;r62=—，JZ."——=27.49=、o)n----=6273.64将hl、h2和h3近似到2的整数次幂,即令M-/4，h2=32，h3=8192,然后反推环路系数，由hi计算(DQ,然后由h2和吗计算a3,由h3和(00计算b3，最后由a3、b3和coo计算环路带宽B，即2乂.2;ra,=Zz2—;---^~=1.243w02r21/■力;r、"!3.--丄、=3.09w02.'BIt^zM-17.624("A-1)由于将h1、h2和h3取了近似，所以所有参数都与预先的设计值不同。参数a3和b3虽然不是预先设计的1.1和2.4，但其取值也比较接近设计值，只是会影响环路的瞬态响应，对环路的稳态跟踪性能影响不大。环路带宽比设计值略大，会增加些噪声，但可以通过修改hl、h2和h3进行更改。下表列出了不同组合的hl、h2和h3,相应的环路参数以及移位数量。<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>码环的设计方法与载波环类似。假设环路带宽设计为Bn-lHz，则叫=5/0.53=1.89，然后计算hl和h2得到<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>将hl和h2近似到2的整数次幂，即令hl-l,h2=2048，然后反推环路系数，由hi计算co。，然后由h2和co。计算a2，最后由a2和coo计算环3各带宽Bn，即<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>下表列出了不同组合的hi和h2，相应的环路参数以及移位数量。<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>本发明与现有技术相比，最大的特点在于整个环路控制过程中，所有的操作均简化为一系列移位和加法操作，并通过合理选择位宽，基本不损失跟踪精度。这使得环路控制的实现可以采用很低端的处理器，或者还可以用硬件描述语言直接硬件实现。所以本发明具有运算量低，实现方式简单，不影响环路跟踪精度的优点。权利要求1、一种基于移位和加法的定点环路控制方法，包括步骤a.相关器完成积分累加后输出6个累加结果，环路控制模块根据这6个累加结果实现对载波跟踪环和码跟踪环的控制；b.采用Cordic算法实现二象限反正切atan，完成载波环鉴相器的工作，即atan(QP/IP)，形成载波环鉴相误差x(n)；c.对载波环鉴相误差x(n)、载波环中间变量u(n-1)和u(n-2)，经过适当移位和加法运算后，实现载波环滤波器，形成载波环滤波器输出z(n)和新的载波环中间变量u(n)；d.载波环滤波器输出z(n)，加上载波中频频率控制字，形成新的载波频率控制字，反馈到跟踪环路对载波环进行控制；e.更新载波环中间变量，以供下一次环路控制使用，至此，载波环环路控制完成；f.采用JPL算法计算包络，分别完成对超前和滞后累加和包络的计算；g.采用基于移位和加法的二进制除法模块完成码环的鉴相器工作，形成码环鉴相误差x(n)；h.对码环鉴相误差x(n)、码环中间变量u(n-1)，经过适当移位和加法运算后，实现码环滤波器，形成码环滤波器输出z(n)和新的码环中间变量u(n)；i.码环滤波器输出z(n)，加上载波环滤波器输出z(n)除以比例因子得到的载波辅助参数，再加上码中频频率控制字，形成新的码频率控制字，反馈到跟踪环路对码环进行控制；j.更新码环中间变量，以供下一次环路控制使用，至此，码环环路控制完成。2、如权利要求l所述的方法，其特征在于在步骤c中，栽波环滤波誇为三阶滤波器，采用直接II型实现，并将滤波器系数以及NCO增益综合'考虑，近似为2的整数次幂，采用移位实现，移位数量根据设计的环路带宽决定。3、如权利要求l所述的方法，其特血在于在步骤h中，码环滤波器为二阶滤波器，采用直接II型实现，并将滤波器系数以及NCO增益综合考虑，近似为2的整数次幂，采用移位实现，移位数量根据设计的环路带宽决'定。全文摘要本发明公开了一种基于移位和加法的定点环路控制方法。针对采用低端处理器或者硬件描述语言实现扩频通信接收机基带信号处理中环路控制的要求，本发明将环路鉴相器采用能够通过移位和加法实现的算法定点实现，将环路滤波器系数以及NCO增益综合考虑，近似为2的整数次幂，通过移位和加法完成环路滤波以及生成新的载波频率控制字和码频率控制字。本发明不但大大降低了环路控制的运算量，而且通过合理选择位宽，可以基本不损失环路跟踪精度。文档编号H04L25/03GK101515913SQ200910080460公开日2009年8月26日申请日期2009年3月19日优先权日2009年3月19日发明者峰刘,健李,欣李,腾龙申请人:北京理工大学