一種基于分布直方圖的qpsk調(diào)制i/q支路正交性測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)評(píng)估領(lǐng)域，涉及調(diào)制域計(jì)算，針對(duì)于高增益拋物面天線 接收的衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行后處理，計(jì)算I/Q支路的正交性。目前本發(fā)明適用于QPSK調(diào)制，具體 涉及一種基于I/Q支路基帶信號(hào)分布直方圖的測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前普遍使用的計(jì)算正交性的方法有兩種，分別是星座圖和基于跟蹤環(huán)路的正交 性測(cè)試。星座圖測(cè)試是通過評(píng)估星座圖的相位誤差和幅度誤差判斷信號(hào)是否存在正交性異 常及非正交的程度，但其相位誤差并不是真正意義上的I/Q支路的相位差，并且由于實(shí)際 環(huán)境下存在噪聲，致使數(shù)據(jù)點(diǎn)落在星座點(diǎn)正常位置的周圍，形成云般的形狀，再加上基帶處 理時(shí)濾波器的不理想造成碼片波形振蕩、信號(hào)不連續(xù)點(diǎn)存在過渡帶等，都會(huì)帶來測(cè)量星座 圖與理想星座圖誤差較大，所以其指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果不能真實(shí)反映I/Q支路的調(diào)制性能。
[0003] 基于跟蹤環(huán)路的正交性測(cè)試方法，是利用接收機(jī)跟蹤環(huán)路中的碼環(huán)和載波環(huán)，分 別在同一時(shí)刻對(duì)I/Q兩個(gè)支路進(jìn)行載波相位測(cè)量，計(jì)算I/Q兩路載波相位差，即可得出被測(cè) 信號(hào)I/Q支路正交性。這種方法在信噪比低的情況下可以使用，但是要求偽碼已知。對(duì)于 GPS P(Y)碼及北斗的二號(hào)一期信號(hào)的Q支路偽碼是未知的，這種方法是不適用的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)以上兩種方法的弊端，提出一種基于基帶信號(hào)分布直方圖的 QPSK (Quadrature Phase Shift Keyin)調(diào)制I/Q支路正交性測(cè)試方法。該方法允許Q支路 偽碼未知，并且計(jì)算誤差較小。可以計(jì)算出被測(cè)信號(hào)是否存在正交性異常，并且檢測(cè)出正交 性異常的程度。
[0005] 該方法的實(shí)現(xiàn)需利用射頻前端采集待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，得到數(shù)字中頻信號(hào)并存儲(chǔ)， 之后的數(shù)據(jù)處理中用到的是此數(shù)字中頻信號(hào)。首先，用接收機(jī)跟蹤該數(shù)字中頻信號(hào)的I支 路，輸出載波相位、載波頻率和導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)；其次，利用載波頻率和載波相位信息在本地 產(chǎn)生載波，解調(diào)數(shù)字中頻信號(hào)，生成I/Q兩個(gè)支路的基帶信號(hào)，再利用導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)剝離1/ Q兩個(gè)支路基帶信號(hào)中的電文。當(dāng)I/Q兩個(gè)支路存在非正交時(shí)，即兩個(gè)支路的相位差不是 90°，兩個(gè)支路基帶信號(hào)波形會(huì)偏離理想的碼片形狀，相對(duì)的幅度也會(huì)發(fā)生變化，提取波形 的特征并計(jì)算可得出相位的相對(duì)偏移。在此用到的特征是波形的幅度特征，而幅度的提取 正是利用分布直方圖的計(jì)數(shù)峰值獲得。為了使特征提取更準(zhǔn)確，采用周期疊加法提高信噪 比，當(dāng)累加周期足夠長(zhǎng)，可使碼片波形清晰，特征明顯。
[0006] 基于上述測(cè)試方法，本發(fā)明還提供一種實(shí)現(xiàn)上述測(cè)試方法的測(cè)試裝置，所述的測(cè) 試裝置包括四個(gè)模塊，分別為：衛(wèi)星信號(hào)采集模塊、數(shù)字下變頻模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊和正 交性計(jì)算模塊；
[0007] 衛(wèi)星信號(hào)采集模塊由高增益天線、前置放大器、下變頻器、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)磁盤 陣列組成，高增益天線接收待測(cè)衛(wèi)星信號(hào)，接收的信號(hào)經(jīng)過前置濾波器和前置放大器的濾 波放大后進(jìn)入下變頻器，在下變頻器中與本地載波混頻，生成模擬中頻信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換 器將模擬中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字中頻信號(hào)，將此數(shù)字中頻信號(hào)記為r(nTs);采集一段時(shí)間的 數(shù)字中頻信號(hào)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)磁盤陣列中，準(zhǔn)備發(fā)送到數(shù)字下變頻模塊；
[0008] 數(shù)字下變頻模塊包括接收機(jī)跟蹤環(huán)路、本地振蕩器、第一乘法器、第二乘法器、第 一低通濾波器和第二低通濾波器，首先接收機(jī)跟蹤環(huán)路跟蹤已采集的數(shù)字中頻信號(hào)r(nT s) 的I支路，輸出穩(wěn)定跟蹤的載波頻率w、載波相位Φ和導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)D (nTs);
[0009] 結(jié)合輸出的載波頻率和載波相位在本地振蕩器中產(chǎn)生與I支路載波同相的載 波信號(hào)cos(w · ηΤ,+ Φ)，以及與I支路載波正交的載波信號(hào)sin(w · ηΤ,+ Φ);載波信號(hào) C〇S(wnTs+(i))在第一乘法器中與數(shù)字中頻信號(hào)r(nT s)相乘后，經(jīng)過第一低通濾波器得 到I支路基帶信號(hào)，記為I>TS)，同理，載波信號(hào)sin(w · ηΤ3+Φ)在第二乘法器中與數(shù)字 中頻信號(hào)r (nTs)相乘后，經(jīng)過第二低通濾波器得到Q支路基帶信號(hào)，記為Q>TS)，I>T S)、 QJnTs)為本地還原的基帶信號(hào)；
[0010] 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊包括電文剝離模塊、周期疊加模塊和歸一化處理模塊，所述的電 文剝離模塊用于剝離兩只路的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)，然后在周期疊加模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)段疊加，最 后在歸一化處理模塊進(jìn)行歸一化計(jì)算；
[0011] 所述的正交性計(jì)算模塊進(jìn)行分布直方圖的電平值提取和正交性計(jì)算。
[0012] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于：
[0013] (1)不需要I、Q兩個(gè)支路的偽碼都已知，拓寬了 I、Q正交判斷的應(yīng)用范圍；
[0014] (2)對(duì)外部噪聲、器件的熱噪聲以及不理想性造成的偏差不敏感，使得I、Q正交判 斷
[0015] 的結(jié)果具有魯棒性；
[0016] (3)使用周期累加的方式，提高了信噪比，從而提高了 I、Q正交性判斷結(jié)果的精 度。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明提供的基于分布直方圖的QPSK調(diào)制I/Q支路正交性測(cè)試方法流程 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0019] 本發(fā)明提供一種基于分布直方圖的QPSK調(diào)制I/Q支路正交性測(cè)試方法，還提供一 種實(shí)現(xiàn)所述的測(cè)試方法的測(cè)試裝置，所述的測(cè)試裝置包括四個(gè)模塊，分別為：衛(wèi)星信號(hào)采集 模塊、數(shù)字下變頻模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊和正交性計(jì)算模塊，下面將對(duì)各個(gè)模塊及其測(cè)試方 法進(jìn)行詳細(xì)介紹。
[0020] 1.衛(wèi)星信號(hào)采集模塊進(jìn)行信號(hào)采集；
[0021] 如附圖1所示，衛(wèi)星信號(hào)采集模塊由高增益天線、前置放大器、下變頻器、A/D(模 擬/數(shù)字）轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)磁盤陣列組成，主要完成對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的離線數(shù)據(jù)采集，以供后 面模塊處理和分析。高增益天線接收待測(cè)衛(wèi)星信號(hào)，接收的信號(hào)經(jīng)過前置濾波器和前置放 大器的濾波放大后進(jìn)入下變頻器，在下變頻器中與本地載波混頻，生成模擬中頻信號(hào)，再經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換器將模擬中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字中頻信號(hào)，將此數(shù)字中頻信號(hào)記為r(nTs)。采集一 段時(shí)間的數(shù)字中頻信號(hào)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)磁盤陣列中，準(zhǔn)備發(fā)送到數(shù)字下變頻模塊。
[0022] 在不考慮噪聲等的理想情況下QPSK調(diào)制的數(shù)字中頻信號(hào)，表達(dá)式如下：
[0023] r(nTJ = ^2P,c(nT^) D(nT^)cos(w·?7； +φ) + ^jlP0 P(nT^) D(nT^)sin(w·?7； + φ) (I)
[0024] 其中n為采樣序列的序號(hào)，Ts為采樣周期，w為中頻頻率，Φ為初始相位，P I 支路信號(hào)的功率，PqS Q支路信號(hào)的功率，c (nT s)為I支路偽碼的采樣值，P (nTs)為Q支路 偽碼的采樣值，D (nTs)為導(dǎo)航電文的采樣值。正常情況下，I/Q支路的載波相位差為90°， 當(dāng)調(diào)制的數(shù)字中頻信號(hào)發(fā)生非正交性異常時(shí)，存在^的角度偏移，信號(hào)可表達(dá)為：
[0025] r(nTJ = ^jlPlCinTJ D{nTJcos(\wnT + φ) + ^P0 Ρ(/?Γ)0(λ2Γ )sin(w*?r, +φ + φ) (2)
[0026] 對(duì)上式⑵可整理如下：
[0027] HnTs) = [^jlPlCin) + ^2Ρ() ^\ηφΡ(ηΤ)] D(nT) cosiw· ?7' + φ) + ^2Ρυ P(nT^) D(n']]) cos^sin(w· ?7' + φ)
[0028] 2.數(shù)字下變頻模塊完成信號(hào)解調(diào)，得到I/Q兩路基帶信號(hào)。
[0029] (1)首先利用接收機(jī)跟蹤環(huán)路跟蹤已采集的數(shù)字中頻信號(hào)r (nTs)的I支路（假設(shè) I支路偽碼已知），輸出穩(wěn)定跟蹤的載波頻率w、載波相位Φ和導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)D (nTs)。
[0030] (2)結(jié)合輸出的載波頻率和載波相位在本地振蕩器中產(chǎn)生與I支路載波同相的 載波信號(hào)cos (W · nTs+Φ)，以及與I支路載波正交的載波信號(hào)sin (W · nTs+Φ)。載波信號(hào) C〇S(wnTs+(i))在第一乘法器中與數(shù)字中頻信號(hào)r(nT s)相乘后，經(jīng)過第一低通濾波器得到 I支路基帶信號(hào)，記為IJnTs)，所述第一低通濾波器的截止頻率要大于c (nTs)和P (nTs)兩 個(gè)偽碼的帶寬，確保時(shí)域內(nèi)包含這兩種偽碼。同理，載波信號(hào)sin(wnTs+Φ)在第二乘法器 中與數(shù)字中頻信號(hào)r (nTs)相乘后，經(jīng)過第二低通濾波器得到Q支路基帶信號(hào)，記為A (nTs)， 所述第二低通濾波器的截止頻率大于P(nTs)偽碼的帶寬即可。IJnT s)、QJnTs)為本地還 原的基帶信號(hào)，注意與衛(wèi)星端基帶信號(hào)的區(qū)別。
[0031] 此時(shí)有：
[0032]
[0033] 滬 P(/i7；)]D(/i7；) (4) QMO = P(?7；)cos^D(/z7；) (5)
[0034] 3.數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊對(duì)兩路基帶信號(hào)進(jìn)行歸一化處理；
[0035] 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊是對(duì)數(shù)據(jù)做一些變換，為之后的信號(hào)處理做前期準(zhǔn)備，這里涉及 到了剝離基帶信號(hào)導(dǎo)航電文、周期疊加法提高信噪比和歸一化處理，如附圖1所示。
[0036] 對(duì)于實(shí)際接收到的衛(wèi)星信號(hào)，若接收天線的增益不足，將無法清晰辨別解調(diào)后的 信號(hào)，會(huì)使正交性異常檢測(cè)誤差很大。理論分析表明將R個(gè)數(shù)據(jù)段（數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度可根據(jù)偽 碼周期選擇，如對(duì)GPS Ll信號(hào)可選Ims)疊加，信噪比可提高R倍，即IOlogltlR dB。但此時(shí) 的基帶信號(hào)