Để giải điều chế dữ liệu định vị thành công, một bản sao sóng mang chính xác phải được tạo ra. Để theo dõi một tín hiệu sóng mang, chúng ta thường dùng các vòng khóa pha (PLL) hoặc các vòng khóa tần (FLL).
Hình 4.9 Sơ đồ khối mạch vòng theo dõi trong máy thu GPS cơ bản
Hình 4.9 mô tả sơ đồ khối tổng quát của một PLL. Hai phép nhân sẽ tách sóng mang và mã PRN khỏi tín hiệu đầu vào. Để tách mã PRN, đầu ra IP từ vòng theo dõi mã sớm pha - muộn pha. Khối tách sóng vòng được dùng để tìm sai pha trên bản sao sóng mang cục bộ. Đầu ra của bộ phân biệt là sai pha (hoặc một hàm của sai pha) được lọc và sử dụng làm một hồi tiếp tới bộ dao động được điều khiển bằng số (NCO), NCO theo dõi tần số của sóng mang cục bộ. Sóng mang cục bộ có thể là một bản sao chính xác của sóng mang tín hiệu vào.
Vấn đề thường gặp của PLL là sự nhạy với dịch pha 1800. Do các chuyển tiếp bit định vị, PLL trong máy thu GPS không được nhạy với dịch pha 1800.
Hình 4.10 mô tả một vòng Costas. Một đặc tính của mạch vòng này là không nhạy với dịch pha 1800, do đó không nhạy với chuyển tiếp pha gây ra do các bit định vị. Vòng Costas bao gồm hai phép nhân. Phép nhân thứ nhất là tích giữa tín hiệu vào và sóng mang cục bộ, tích thứ hai giữa một sóng mang bị dịch pha 900 và tín hiệu vào. Mục đích của vòng Costas là giữ tất cả năng lượng trong nhánh đồng pha I, được thực hiện bằng cách sử dụng một vài hồi tiếp tới bộ dao động. Nếu giả thiết bản sao mã trong hình 5.14 được đồng chỉnh hoàn toàn thì tích trong nhánh I sinh ra tổng như sau:
Hình 4.10. Mạch vòng Costas sử dụng để theo dõi sóng mang
Với φ là độ lệch pha của tín hiệu vào và bản sao cục bộ của sóng mang. Phép nhân trong nhánh vuông pha như sau:
(4.12)
Nếu hai tín hiệu được lọc thông thấp sau khi nhân thì thành phần thứ hai với tần số gấp đôi IF bị loại bỏ và hai tín hiệu còn lại là:
(4.13)
(4.14)
Để tìm một số hạng để hồi tiếp tới bộ dao động pha sóng mang, để ý rằng sai pha của bản sao pha sóng mang cục bộ như sau:
(4.15)
(4.16) Do đó sai pha được tối thiểu hóa khi tương quan trong nhánh vuông pha bằng 0 và giá trị tương quan trong nhánh đồng pha đạt cực đại. Bộ phân biệt arctan cho độ
chính xác cao nhất trong các bộ phân biệt Costas, nhưng nó cũng mất nhiều thời gian nhất. Bảng 4.1 mô tả các bộ phân biệt Costas có thể dùng khác.
Bộ phân biệt Mô tả
D = sign(Ik)Qk Đầu ra của bộ tách tỷ lệ với sin(φ) D = IkQk Đầu ra của bộ tách tỷ lệ với sin(2φ) D = tan-1(Qk/Ik) Đầu ra của bộ tách là sai pha
Bảng 4.1. Các loại bộ phân biệt vòng khóa pha Costas khác nhau.
Hình 4.11. Các đáp ứng bộ phân biệt vòng khóa pha Costas thông thường
Hình 4.11 biểu diễn các kết quả tương ứng với các bộ phân biệt khác nhau. Các đầu ra của bộ phân biệt pha trong hình vẽ được tính khi sử dụng biểu thức trong bảng 4.1 với tất cả các sai pha có thể. Trong hình ta cũng thấy các đầu ra bộ phân biệt bằng 0 khi sai pha thực bằng 0° và ±180°. Điều này giải thích vì sao vòng Costas không nhạy với dịch pha 180° trong trường hợp chuyển tiếp bit định vị.
Vòng Costas xảy ra dịch pha 180° được minh họa cụ thể trong hình 4.12. Trong hình, tổng vector của Ik và Qk là vector trong hệ tọa độ. Nếu sóng mang cục bộ đồng pha với tín hiệu vào, vector nằm thẳng trên trục I, còn trong trường hợp hiện tại một sai pha nhỏ được minh họa. Khi tín hiệu được theo dõi đúng thì tổng vector Ik và Qk trở về nằm thẳng trên trục I. Đặc tính này đảm bảo nếu xảy ra một chuyển tiếp bit định vị thì vector trong đồ thị pha sẽ lật 180° (vector biểu diễn bằng nét gạch ngang trong hình).
Nếu chuyển tiếp bit định vị xảy ra, vòng Costas vẫn sẽ theo dõi tín hiệu và không có gì xảy ra. Đặc điểm này làm cho vòng Costas được chọn phổ biến làm vòng khóa pha trong các máy thu GPS.
Hình 4.12. Đồ thị sai pha giữa sóng mang đầu vào và bản sao sóng mang cục bộ
Đầu ra của bộ phân biệt pha được lọc để dùng cho việc dự đoán và ước tính các chuyển động tương đối của vệ tinh và ước lượng tần số Doppler.