GNSS接收机中A/D量化位数转换系统及方法与流程

本发明涉及电子通信和数字信号处理技术领域，特别涉及一种GNSS接收机中A/D量化位数转换系统及方法。

背景技术：
随着电磁环境日益复杂，GNSS接收机受到干扰越来越多。卫星信号传播到地球表面时一般非常微弱，极易受到各种人为或者非人为的干扰。抗干扰时A/D量化需要采用高位，为了增强输出信噪比和抑制干扰，多采用8位以上量化位数来保留足够多的有用信息。研究表明存在强干扰时，一定限度内干扰越大所需量化位数越多，抗干扰性能越好。无干扰时A/D量化位数对GNSS接收机性能影响有限，采用低位量化器并不会严重恶化信噪比，可以达到良好接收性能。有研究分析2bit量化时选择合适量化门限，就有较好捕获性能。现有GNSS接收机一般采用低位A/D量化，比如2bit量化。由于抗干扰时A/D量化采用高位，而现有GNSS接收机中多采用低位A/D量化，为了降低成本和实现抗干扰技术在现有接收机中的应用，需要实现高位量化到低位量化的转换。目前将量化位数从高位转换到低位的多数实现方法是：仅保留高位量化的前几位量化结果，该方法信号信噪比损失较大。

技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种信噪比损失较小的GNSS接收机中A/D量化位数转换系统及方法，用于将高位量化信号转换为低位量化信号。为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：一、GNSS接收机中A/D量化位数转换方法，包括步骤：步骤1，根据正负门限值和幅度门限值对高位量化信号进行重新量化，经编码获得低位量化信号，正负门限值和幅度门限值的初始值根据经验人为给出；步骤2，分析步骤1获得的低位量化信号是否符合对应的最佳概率分布，若符合，该低位量化信号即为最终转换结果，结束；否则，执行步骤3；步骤3，调整正负门限值和/或幅度门限值，基于调整后的正负门限值和/或幅度门限值重新执行步骤1；所述的根据正负门限值和幅度门限值对高位量化信号进行重新量化具体为：大于正负门限值的高位量化信号设置为正量化信号，小于正负门限值的高位量化信号设置为负量化信号；根据幅度门限值划分幅度区间，各幅度区间分别对应预设量化结果，高位量化信号的量化结果即为高位量化信号幅度所属幅度区间对应的预设量化结果。步骤2中所述的分析步骤1获得的低位量化信号是否符合对应的最佳概率分布进一步包括子步骤：2.1设置正量化信号计数值、负量信号计数值和各幅度区间的幅度计数值，使得正量化信号计数值和负量化信号计数值的比值符合低位量化信号的最佳概率分布，同时使得各幅度区间的幅度计数值的比值也符合低位量化信号的最佳概率分布；2.2每出现一个低位量化信号，若为正量化信号，正量化信号计数值减1；若为负量化信号，负量化信号计数值减1；同时，将该低位量化信号幅度所属幅度区间的幅度计数值减1；2.3如果正量化信号计数值和负量化信号计数值同时减为0，且各幅度区间对应的幅度计数值也同时减为0，则低位量化信号符合对应的最佳概率分布；否则，低位量化信号不符合对应的最佳概率分布。步骤3中所述的调整正负门限值和/或幅度门限值具体为：将正负门限值加上或减去预设正负调节单位和/或将幅度门限值加上或减去预设幅度调节单位。二、GNSS接收机中A/D量化位数转换系统，包括同时工作的比较模块和门限调整模块，高位量化信号输入比较模块的第一输入端，比较模块根据门限值将输入的高位量化信号转换为低位量化信号，并从比较模块的第一低位输出端输出；比较模块的第二低位输出端连接门限调整模块输入端，第二输入端连接门限调整模块输出端；门限调整模块用来调整门限值以使比较模块输出的低位量化信号符合对应的最佳概率分布。上述门限调整模块进一步包括正负门限调整模块和幅度门限调整模块，正负门限调整模块和幅度门限调整模块同步工作，正负门限调整模块根据比较模块输入的低位量化信号调整正负门限值，幅度门限调整模块根据比较模块输入的低位量化信号调整幅度门限值。本发明提供了一种用于GNSS接收机的A/D量化位数转换系统及方法，采用本发明，无需更改GNSS接收机中的量化位数即可实现抗干扰技术在现有GNSS接收机中的应用。和现有技术相比，本发明具有以下优点和效果：1、提供了GNSS接收机中A/D量化位数转换系统，性能好，易实现，且信噪比损失小。2、使用本发明，在不更改现有GNSS接收机系统的前提下，可将抗干扰技术应用于现有采用低位量化的GNSS接收机。附图说明图1是本发明系统结构图；图2是Agσ与信噪比损失的关系图；图3是具体实施例中正负门限值调整过程的流程图；图4是具体实施例中幅度门限值调整过程的流程图。具体实施方式下面将结合附图对本发明进行详细说明。见图1，本发明系统包括同时工作的比较模块和门限调整模块，高位量化信号输入比较模块的第一输入端，高位量化信号经比较模块转换为低位量化信号，并从比较模块的第一低位输出端输出。比较模块还包括第二输入端和第二低位输出端，其第二低位输出端连接门限调整模块输入端，第二输入端连接门限调整模块输出端。比较模块根据门限值实现高位量化信号到低位量化信号的转换，门限值包括1个正负门限值和(2B-2)个幅度门限值，B为低位量化信号位数，正负门限值用来判定量化信号正负，幅度门限值用来判定量化信号幅值大小。大于正负门限值的量化信号为正，小于正负门限值的量化信号为负；根据幅度门限值划分幅度区间，根据量化信号幅度所属幅度区间对量化信号进行重新量化，对重新量化后的信号进行编码即获得低位量化信号。重新量化具体为：各幅度区间对应一量化结果，假设幅度区间i对应的量化结果为Ai，则将幅度属于幅度区间i的量化信号量化为Ai。门限值的设定可参考比较模块第二低位输出端输出的低位量化信号的最佳概率分布，因此首先需获取低位量化信号的最佳概率分布，最佳概率分布的获取步骤如下：步骤1，当低位量化信号位数为B时，求得信噪比损失式(1)～(3)中：SNR1为输入的模拟信号的信噪比，A为卫星信号幅度，σ2为接收信道的热噪声功率；SNR2为输出的数字信号的信噪比，输入信号r[n]包括卫星信号和高斯噪声，高斯噪声服从N(0,σ2)分布，输入模拟信号r[n]的量化结果为rB[n]；E{rB[n]}2表示量化信号rB[n]功率，Var{rB[n]}表示高斯噪声功率；Ag为自动增益控制(AGC)提供的增益，为误差函数。根据公式(3)绘制不同B值下的Agσ与信噪比损失的关系曲线，见图2，图2中关系曲线包括B分别为1bit、2bit、3bit、4bit、5bit时Agσ与信噪比损失的关系曲线。步骤2，根据Agσ和信噪比损失的关系曲线确定B值对应的最佳AGC增益Ag。最佳AGC增益Ag即信噪比损失最小时对应的Ag取值，本具体实施中确定的最佳AGC增益Ag值见表1。表1最佳AGC增益Ag值步骤3，反推低位量化信号的最佳概率分布。将最佳AGC增益Ag值代入概率公式(4)反推B位低位量化信号的最佳概率分布：式(4)中，y[n]表示卫星信号，rB[n]＝{±1,±3,±5…}为量化结果，利用条件，估算相应概率值p(rB[n]＝2i+1)，获得最佳概率分布，见表2。表2低位量化信号的最佳概率分布根据低位量化信号的最佳概率分布调整正负门限值和幅度门限值，正负门限值调整和幅度门限值调整同时进行，正负门限值的调整方法具体包括步骤：步骤1.1，统计比较模块输出的低位量化信号中的一小段，记录该段低位量化信号中正量化信号和负量化信号个数，并采用累减方式对正量化信号和负量化信号个数进行计数。计数的具体方式为：设定正量化信号计数值和负量化信号计数值的初始值分别为sign0和sign1，sign0和sign1的比值需符合低位量化信号的最佳概率分布(见表2)。正量化信号和负量化信号每出现一次，正量化信号计数值和负量化信号计数值则相应减1。步骤1.2，判定比较模块输出的低位量化信号是否满足对应的最佳概率分布。判定的具体方式为：判断正量化信号计数值和负量化信号计数值是否同时减为0，先减为0的量化信号个数偏多，则需调整当前正负门限值；如果同时减为0，则当前正负门限值即为最终的正负门限值。步骤1.3，对当前正负门限值进行调节。本步骤的具体实施方式为：将当前正负门限值加上或减去预设正负调节单位，以调整后的正负门限值为当前正负门限值，比较模块根据当前正负门限值和当前幅度门限值将输入的高位量化信号转换为低位量化信号，然后对比较模块输出的低位量化信号执行步骤1.1～1.3，直至比较模块输出的低位量化信号使得正量化信号计数值和负量化信号计数值同时减为0。预设正负调节单位越大，正负门限值调整需要时间越短；预设正负调节单位越小，正负门限值调整需要时间越长。幅度门限值的调整方法具体包括步骤：步骤2.1，根据当前幅度门限值划分幅度区间，统计比较模块输出的低位量化信号中的一小段，记录不同幅度区间的低位量化信号个数，采用累减方式对不同幅度区间的低位量化信号个数进行计数。计数的具体方式为：设定不同幅度区间的幅度计数值的初始值magi，i表示幅度区间编号，i＝1,2，…n，n为幅度区间数量，各幅度区间对应的幅度计数值的初始值比值应符合低位量化信号的最佳概率分布(见表2)；每出现一个量化信号，将该量化信号所属幅度区间的幅度计数值减1。步骤2.2，判定比较模块输出的低位量化信号是否满足对应的最佳概率分布。判定的具体方式为：判断各幅度区间的幅度计数值是否同时减为0，先减为0的幅度区间的量化信号个数偏多，需调整当前幅度门限值；如果同时减为0，则当前幅度门限值即为最终的幅度门限值。步骤2.3，对当前幅度门限值进行调节。本步骤的具体实施方式为：将当前幅度门限值加上或减去预设幅度调节单位，以调整后的幅度门限值为当前幅度门限值，比较模块根据当前正负门限值和当前幅度门限值将输入的高位量化信号转换为低位量化信号，然后对比较模块输出的低位量化信号执行步骤2.1～2.3，直至比较模块输出的低位量化信号使得各幅度区间的幅度计数值同时减为0。预设幅度调节单位越大，幅度门限值调整需要时间越短；预设幅度调节单位越小，则幅度门限值调整需要时间越长。上述正负门限值和幅度门限值的调整过程中，当前正负门限值和当前幅度门限值的初始值根据经验进行设定。下面将以14bit量化信号转换为2bit量化信号为例，进一步说明本发明。14bit量化信号输入比较模块，比较模块根据正负门限值和幅值门限始值对输入的高位量化信号进行重新量化和编码，将14bit量化信号转换为2bit量化信号。由于低位量化信号位数为2，因此本实施例中需选取1个正负门限值v_com和2个幅度门限值threshold、-threshold。正负门限值v_com用来判断量化信号的正负，信号值大于v_com的量化信号为正量化信号，信号值小于v_com的量化信号为负量化信号。根据幅值门限值threshold和-threshold划分幅度区间：大于threshold的幅度区间、小于-threshold的幅度区间、[-threshold，0]和(0，threshold]，根据量化信号幅度所属幅度区间对量化信号进行量化，幅度大于threshold的信号量化为3、小于-threshold的信号量化为-3，幅度属于[-threshold，0]区间的信号量化为-1，幅度属于[0，threshold]区间的信号量化为1。门限值的确定依据2bit低位量化信号的最佳概率分布，根据表2知：2bit低位量化结果为-3的信号数量占信号总数的15％，2bit低位量化结果为-1的信号数量占信号总数的35％，2bit低位量化结果为1的信号数量占信号总数的35％，2bit低位量化结果为3的信号数量占信号总数的15％，即正量化信号数占信号总数的50％，负量化信号数占信号总数的50％，[-threshold,threshold]幅度区间量化信号数占信号总数的70％，[-threshold,threshold]幅度区间外量化信号数占信号总数的30％。门限调整模块根据比较模块第二低位输出端输出的低位量化信号自适应调整门限值，正负门限值和幅度门限值的调整同时进行。本实施例中门限值调整的流程可见图3～4，具体步骤如下：步骤1，初始化正负数计数值和幅度计数值。根据表2中2bit低位量化对应的最佳概率分布知：正量化信号数和负量化信号数占量化信号总数的比例分别为50％和50％，即正量化信号和负量化信号的数量比为1/1。设定正量化信号计数初始值sign0和负量化信号计数初始值sign1，sign0/sign1＝1/1。根据表2中2bit低位量化对应的最佳概率分布知：量化结果为1和-1的信号数量占量化信号总数的70％，量化结果为3和-3的信号数量占量化信号总数的30％。根据幅度门限值threshold划分幅度区间，设定各幅度区间的幅度计数初始值mag0和mag1，mag0代表[-threshold,threshold]幅度区间的幅度计数初始值，mag1代表[-threshold,threshold]幅度区间外的幅度计数初始值，mag0/mag1＝7/3。步骤2，判断比较模块输出的低位量化信号是否满足对应的最佳概率分布。根据比较模块的输出信号以累减方式进行计数。正量化信号和负量化信号每出现一次，正量化信号计数值和负量化信号计数值相应减1；同时，每出现一个量化信号，将该信号对应幅度区间的幅度计数值减1。判断①正量化信号计数值和负量化信号计数值是否同时减为0，同时判断②各幅度区间对应的幅度计数值是否同时减为0，若①和②同时成立，则比较模块输出的低位量化信号满足最佳概率分布，结束并将该低位量化信号从比较模块的第一低位输出端输出；否则，执行步骤3。步骤3，门限值调节。若正量化信号计数值和负量化信号计数值未同时减为0，调整正负门限值。若sign0先减为0，说明正量化信号数量偏多，将v_com加1；若sign1先减为0，说明负量化信号数量偏多，将v_com减1。若各幅度区间对应的幅度计数值未同时减为0，调整幅值门限值。若mag0先减为0，说明[-threshold,threshold]幅度区间的量化信号数量偏多，将threshold减1；若mag1先减为0，说明[-threshold,threshold]幅度区间的量化信号数量偏少，将threshold相应加1。