[发明专利]高精度延迟滤波器的多级插值设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及卫星导航信号模拟器的精密延迟信号产生技术，提出的高精度延迟滤波器的多级插值设计方法可以有效解决在精密延迟信号产生领域普遍存在的超长阶滤波器的设计问题。

背景技术

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)能够为地球及近地空间的任意地点提供全天候的精密位置和时间信息。GNSS接收机接收GNSS卫星发射的信号，测量载体到卫星的距离、距离变化率等，测定载体的位置和速度。在卫星导航接收机的研制开发、测试、生产过程中GNSS卫星信号模拟器具有非常重要的作用。GNSS卫星信号模拟器根据载体动态特性等各种因素的影响，模拟产生接收机收到的各颗GNSS卫星信号，卫星导航信号模拟器是一种高精度的测试仪器，其几种典型用途包括：产生高动态GNSS信号，检验接收机的捕获和跟踪性能；作为精度比较标准，检验GNSS接收机的动态测量精度；产生特定的GNSS信号，验证测量方案的可行性。

卫星信号模拟器需要实时模拟不同卫星信号到达接收机的精密时间延迟和距离变化，这些时间延迟和距离变化受卫星和接收机之间的相对运动、电离层和对流层波动等因素影响。高精度卫星导航接收机定位精度为米级，则按照导航定位理论，接收机的距离测量精度是定位精度除上几何因子，一般GPS星座观测的几何因子为3，因此距离测量精度为0.3米。根据测量理论，鉴定一种设备的测量精度理论上应选用精度高10倍以上的另一种设备作为比较标准，工程应用时要求虽有降低，但比较标准的精度至少也要比被鉴定设备精度高5倍。因此卫星导航信号模拟器产生信号的时延控制精度要达到0.03-0.05米。可见，时延的精密控制是卫星导航信号模拟器的关键，如果伪距时延控制精度要达到0.05m，即167ps。对于1.023Mcps码速率的基带扩频信号，相当于一个码元宽度的1/5866。

卫星信号模拟器的时延控制传统上采用以下两种方法实现：一是模拟时延控制，该方法让信号发生器产生的信号通过若干个模拟滤波器来实现时延控制，但是这种方法中模拟滤波器时延受到包括温度等外界的影响极大，精度也不高。二是数字时延控制。随着微电子技术的发展，实现高精度的延迟分辨率，可以基于数字延迟滤波器(Digital Delay Filter)的延迟控制方法。

但是按照传统FIR滤波器设计方法设计用于卫星导航信号模拟器的数字延时滤波器时却存在很大的困难，原因高精度的延迟需求对滤波器的阶数提出了很高的要求，导致事实上无法实现。如假设伪距相位控制精度要求优于0.05m，即0.1667ns。则对于2M带宽的基带扩频信号，如果将码片细分4096倍，即4096倍插值，达到的延时最小值为0.122ns，伪距相位控制最小值为0.036m，满足伪距相位控制精度要求优于0.05m要求。以40MHz的采样速率进行信号合成计算，2M带宽伪距相位控制数字延时滤波器设计的技术指标可以描述为通带2M，阻带4M，阻带抑制比为-80dB，采样频率为40*256MHz＝10.24GHz。理论上达到上述要求的数字延时滤波器数十万阶，直接设计如此高倍率数字延时滤波器是极端困难的。利用现有滤波器设计工具，一般采用多项式逼近中的Remez交换算法，会受到计算机内存与操作系统制约，导致程序运行失败或者设计结果达不到要求。

在传统多速率信号处理中处理此类问题一般采取将采样率转换器(Sampling Rate Converter，简称SRC)通过多次转换来实现。多次转换方法耗费资源多，而且设计复杂性高。

发明内容

如上所述，精密时延滤波器实现的关键问题实际是由于要得到高倍率插值滤波器而要进行超长阶FIR滤波器的设计问题，本方法采用了一种利用多个滤波器相互插值的设计方法得到精密时延滤波器，以适应插值倍数M₀很大的情况来解决超长阶滤波器的设计问题。

本方法包括以下几个步骤：

(1)确定两级插值因子

对于插值倍数M₀很大的情况，可以选取两级插值因子M₁、M₂，满足M₀＝M₁M₂。M₁、M₂的选取方法最好满足互质关系，大小相差不大。

(2)分配滤波器参数