专利名称：高精度延迟滤波器的多级插值设计方法
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(GlobalNavigation 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Mtl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Mtl很大的情况，可以选取两级插值因子M1I2，满足Mq = M1My MpM2 的选取方法最好满足互质关系，大小相差不大。(2)分配滤波器参数根据两级插值因子分配情况和最终要求的超长阶滤波器特性确定，设计M1倍插值 滤波器( )和M2倍插值滤波器V2 的参数。假设数字基带信号对应的采样频率为fs， 信号带宽为B。两级插值因子分别为MpM2。则M1倍插值滤波器设计参数设计如下通带频率和阻带频率为 过渡带宽BW1* Bff1 = fST。P「fPASS1M2倍插值滤波器设计参数设计如下通带频率和阻带频率为 过渡带宽BW2* :BW2 — fsR0P2_fpASS2(3)设计低倍率插值滤波器利用MATLAB滤波器设计工具，根据第二步得到的通带、阻带频率和过渡带宽，得 到M1倍插值滤波器/^1 和M2倍插值滤波器^2 {η)。(4)多级插值设计将、卜)看作信号，对其进行M2倍插值，插值的方式为在\卜；)相邻两个数之间插 入M2个零，插值后滤波器1变为h' M1(n)。h' Μ1 (η) = hM1 (1)，0，. · · 0，hM1 (2)，0，· · ·，0，hM1 (3)，......，hM1 (M1)用 Iim2 (η)对
4h' M1(n)进行滤波，得到最终的高阶滤波器hM(l(η)hM0 (η) = h' Μ1 (η) X hE (η)，* 表示卷积运算。由于/^(…和/^2 (…均为有限时长序列，( )也必是有限时长序列，其长度为 其中^M1、^2分别是两个滤波器的长度。上述设计结果，就是所要的Mtl倍插值滤 波器。由于该设计方法是用两个滤波器简单作用构成的，阶数M0只能是组合数，故称其 为构造性设计方法。本发明可以非常简便快捷的设计长阶滤波器，在实用上不存在多次转换问题，可 以有效降低FPGA耗费资源量。
图1为滤波器1的时域波形及频域特性。图2为滤波器2的时域波形及频域特性。图3为滤波器3的时域波形及频域特性。
具体实施例方式下面通过一个设计实例来说明设计效果。假设数字基带信号对应的采样频率fs =40MHz，信号带宽为10MHz，延时分辨率要求为τ Δ < 25ps。要构造延时滤波器组，要求 M0彡1000。取Mtl = 1024，M1 = 32，M2 = 32。假设信号带外衰减设计要求大于llOdB。则 M1倍插值滤波器设计参数为
5
YQMHz — 1
JpASS1=~MjT=m
_ fs-\0MHz 3
JSTOP: ~~
过渡带宽BW1为
B^l - fSTOPl - fpASS\ 二
M2倍插值滤波器设计参数为 _ \0ΜΗζ _ 1 —一 M2M1Zi _ 4096
MJs-IQMHz _ 127 —2 — ~MxMJs~ _ 4096
过渡带宽BW2为
- fsTOP2 — fpASS2 二 2Q^g
设计结果为 Nm =479
=447
三个滤波器的时域波形及频域特性分别如附图1，2，3所示。
权利要求
高精度延迟滤波器的多级插值设计方法，其特征在于采用多个滤波器相互插值的设计方法得到精密时延滤波器，该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的选取方法满足互质关系，大小相差不大；(2)分配滤波器参数根据两级插值因子分配情况和最终要求的超长阶滤波器特性确定，设计M1倍插值滤波器和M2倍插值滤波器的参数，设数字基带信号对应的采样频率为fs，信号带宽为B，两级插值因子分别为M1、M2，则M1倍插值滤波器设计参数设计如下通带频率和阻带频率为 <mrow><msub> <mi>f</mi> <mrow><mi>PASS</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>=</mo><mfrac> <mi>B</mi> <mrow><msub> <mi>M</mi> <mn>1</mn></msub><msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow> <mrow><msub> <mi>f</mi> <mrow><mi>STOP</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi></msub><mo>-</mo><mi>B</mi> </mrow> <mrow><msub> <mi>M</mi> <mn>1</mn></msub><msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi></msub> </mrow></mfrac> </mrow>过渡带宽BW1为BW1＝fSTOP1 fPASS1M2倍插值滤波器设计参数设计如下通带频率和阻带频率为 <mrow><msub> <mi>f</mi> <mrow><mi>PASS</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><mo>=</mo><mfrac> <mi>B</mi> <mrow><msub> <mi>M</mi> <mn>2</mn></msub><msub> <mi>M</mi> <mn>1</mn></msub><msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi></msub> </mrow></mfrac> </mrow> <mrow><msub> <mi>f</mi> <mrow><mi>STOP</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>M</mi> <mn>1</mn></msub><msub> <mi>f</mi> <mi>S</mi></msub><mo>-</mo><mi>B</mi> </mrow> <mrow><msub> <mi>M</mi> <mn>1</mn></msub><msub> <mi>M</mi> <mn>2</mn></msub><msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi></msub> </mrow></mfrac> </mrow>过渡带宽BW2为BW2＝fSTOP2 fPASS2(3)设计低倍率插值滤波器利用MATLAB滤波器设计工具，根据第二步得到的通带、阻带频率和过渡带宽，得到M1倍插值滤波器和M2倍插值滤波器(4)多级插值设计将看作信号，对其进行M2倍插值，插值的方式为在相邻两个数之间插入M2个零，插值后滤波器1变为h′M1(n)，h′M1(n)＝hM1(1)，0，...0，hM1(2)，0，...，0，hM1(3)，......，hM1(M1)用hM2(n)对h′M1(n)进行滤波，得到最终的高阶滤波器hM0(n)hM0(n)＝h′M1(n)×hM2(n)，*表示卷积运算由于和均为有限时长序列，也必是有限时长序列，其长度为 <mrow><msub> <mi>N</mi> <msub><mi>M</mi><mn>0</mn> </msub></msub><mo>=</mo><msub> <mi>M</mi> <mn>2</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>N</mi><msub> <mi>M</mi> <mn>1</mn></msub> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub> <mi>N</mi> <msub><mi>M</mi><mn>2</mn> </msub></msub> </mrow>其中分别是两个滤波器的长度，上述设计结果，就是所要的M0倍插值滤波器。FSA00000179036000011.tif,FSA00000179036000012.tif,FSA00000179036000017.tif,FSA00000179036000018.tif,FSA00000179036000021.tif,FSA00000179036000022.tif,FSA00000179036000023.tif,FSA00000179036000024.tif,FSA00000179036000025.tif,FSA00000179036000027.tif
全文摘要
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。针对高倍率数字延迟滤波器的难以实现的问题，提出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。首先，根据滤波器的需求确定插值因子，分配滤波器参数和设计滤波器，再将滤波器进行相互插值得到所需设计的滤波器。
文档编号G01S19/23GK101915931SQ20101022156
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月9日 优先权日2010年7月9日
发明者单庆晓, 张传胜, 明德祥, 杨俊 , 王跃科, 钟小鹏, 陈建云 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学