GPS射頻信號(hào)源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

占 光1，徐 飛1，段小輝1，周 瑞

(1.北京大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 電子學(xué)系，北京 100871；2.空軍航空大學(xué) 航空電子工程系，長(zhǎng)春 130022)

1 引 言

GPS(全球定位系統(tǒng))是美國(guó)軍方研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其主要目的是提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報(bào)收集等,主要由地面控制、空間衛(wèi)星和用戶(hù)裝置3部分組成。在GPS軟件接收機(jī)研究測(cè)試過(guò)程中，需要借助衛(wèi)星模擬信號(hào)源模擬GPS射頻信號(hào)，檢測(cè)接收機(jī)的捕獲和跟蹤性能，正是基于這一點(diǎn)來(lái)研究和設(shè)計(jì)GPS射頻信號(hào)源，用來(lái)模擬產(chǎn)生GPS衛(wèi)星信號(hào)，為GPS接收機(jī)研制、測(cè)試提供仿真環(huán)境，檢驗(yàn)接收機(jī)的工作狀態(tài)。

GPS射頻信號(hào)源在GPS領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，也是未來(lái)GPS偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)研究的重要基礎(chǔ)，本文主要基于軟件無(wú)線電(Software Defined Radio,SDR)思路，在設(shè)計(jì)中強(qiáng)調(diào)可編程性和通用性，盡量通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)各種功能，為以后的改進(jìn)和升級(jí)創(chuàng)造條件。

2 GPS衛(wèi)星信號(hào)

2.1 GPS衛(wèi)星系統(tǒng)

GPS全球定位系統(tǒng)地面控制部分由主控站、監(jiān)測(cè)站和信息注入站組成，主控站計(jì)算各個(gè)衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星時(shí)鐘誤差和大氣層的修正參數(shù)并傳送到注入站，注入站將各種信息輸入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)系統(tǒng)；用戶(hù)裝置部分是用戶(hù)進(jìn)行導(dǎo)航定位的終端設(shè)備，由接收機(jī)硬件、數(shù)據(jù)處理軟件組成；空間衛(wèi)星部分由分布在6個(gè)軌道上的24顆衛(wèi)星組成，每個(gè)軌道上有4顆衛(wèi)星，提供星歷和時(shí)間信息，向用戶(hù)發(fā)送信號(hào)。GPS是一種雙重用途的系統(tǒng)，提供民用和軍用兩種服務(wù)，即標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS)和精密定位服務(wù)(PPS)，SPS是指定為民用的，對(duì)全時(shí)間所有用戶(hù)均可用，PPS指定為美國(guó)軍方和政府機(jī)構(gòu)使用的，只能授權(quán)使用。

2.2 GPS信號(hào)結(jié)構(gòu)

根據(jù)文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]，GPS衛(wèi)星的信號(hào)有L1(1 575.4 MHz)和L2(1 227.6 MHz)兩個(gè)頻率，其中L1信號(hào)由兩個(gè)PRN碼及導(dǎo)航數(shù)據(jù)調(diào)制，這兩種碼分別是粗/截獲碼(C/A碼)和精密碼(P碼)，由于P碼信號(hào)保密，非授權(quán)用戶(hù)不能使用，因此本文設(shè)計(jì)的GPS信號(hào)源只模擬可見(jiàn)的GPS衛(wèi)星L1頻率C/A碼信號(hào)。GPS信號(hào)是一種BPSK調(diào)制的直接序列擴(kuò)頻(DSSS)信號(hào)，由D碼、C/A碼和L1載波3部分組成，其信號(hào)表達(dá)式為

Si(t)=ACi(t)Di(t)cos(ω0t+φ0i)

(1)

式中,Si(t)為第i顆衛(wèi)星的信號(hào),A為信號(hào)幅度，Ci(t)為第i顆衛(wèi)星的PN擴(kuò)頻碼(C/A碼)，Di(t)為第i顆衛(wèi)星的導(dǎo)航位數(shù)據(jù)，ω0為信號(hào)頻率,φ0i為第i顆衛(wèi)星的信號(hào)相位。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

(1)主要性能

由于GPS衛(wèi)星的P碼信號(hào)保密, 國(guó)外非授權(quán)用戶(hù)不能使用, 因此本文設(shè)計(jì)的GPS射頻信號(hào)源是L1頻率的C/A碼信號(hào)，主要設(shè)計(jì)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 GPS信號(hào)源性能指標(biāo)

(2)設(shè)計(jì)方案

按照GPS信號(hào)源系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，參考文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]，設(shè)計(jì)中考慮到要減少噪聲干擾、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，以及便于調(diào)試等，GPS射頻信號(hào)源整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為數(shù)字和模擬兩部分，基帶/中頻模塊以數(shù)字電路設(shè)計(jì)為主，射頻模塊以模擬電路設(shè)計(jì)為主，其中基帶/中頻模塊主要采用軟件無(wú)線電的思路，利用FPGA芯片產(chǎn)生GPS導(dǎo)航電文(D碼)、擴(kuò)頻碼(C/A碼)和中頻數(shù)字載波，完成BPSK調(diào)制、擴(kuò)頻調(diào)制和載波調(diào)制，輸出8 bit的數(shù)字中頻GPS信號(hào)。射頻模塊是整體設(shè)計(jì)的核心，主要是以頻率綜合器為中心進(jìn)行射頻電路板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行混頻、濾波、功率控制等，將GPS中頻信號(hào)調(diào)制到射頻，最終可由天線發(fā)射出去，完成上變頻功能。

3.2 基帶/中頻模塊

基帶/中頻模塊的設(shè)計(jì)主要利用FPGA芯片EP1C6Q240C8完成，采用硬件編程語(yǔ)言(VHDL)進(jìn)行GPS信號(hào)調(diào)制設(shè)計(jì)。算法原理是對(duì)式(1)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域抽樣t=nTs，式(1)可以表示為

Si(nTs)=ACi(nTs)Di(nTs)cos(ω0nTs+φ0i)

(2)

式中,Ts為抽樣時(shí)間，與抽樣頻率ωs的關(guān)系滿(mǎn)足Ts=2π/ωs。在數(shù)字系統(tǒng)中，我們用n表示nTs，則式(2)轉(zhuǎn)化為

Si(n)=ACi(n)Di(n)cos(2nπ(ω0/ωs)+φ0i)

(3)

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，式(3)是數(shù)字信號(hào)調(diào)制的基本原理，也是本文基帶/中頻模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的算法原理，整個(gè)基帶/中頻模塊GPS信號(hào)調(diào)制的設(shè)計(jì)原理如圖1所示，主要由C/A碼模塊、D碼模塊、DDS模塊和調(diào)制模塊組成，其中C/A碼模塊模擬產(chǎn)生速率1.023 MHz的第i顆衛(wèi)星的C/A碼序列，C/A碼有1 023個(gè)碼片，因此C/A碼持續(xù)周期是1 ms；D碼模塊模擬產(chǎn)生速率50 Hz的第i顆衛(wèi)星的導(dǎo)航電文(D碼)；DDS模塊產(chǎn)生速率12.5 MHz的數(shù)字載波信號(hào)；調(diào)制模塊對(duì)C/A碼信號(hào)、D碼信號(hào)和載波信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制和BPSK調(diào)制，輸出12.5 MHz的GPS數(shù)字中頻信號(hào)。

圖1 GPS信號(hào)調(diào)制原理圖

在基帶/中頻模塊的設(shè)計(jì)中，外圍電路設(shè)計(jì)是以FPGA芯片為核心，及其它器件的數(shù)字電路設(shè)計(jì)。對(duì)FPGA芯片的GPS信號(hào)調(diào)制，我們采用VHDL進(jìn)行信號(hào)設(shè)計(jì)，仿真測(cè)試平臺(tái)以QuartusII 8.0和ModelSim為主，其中GPS信號(hào)調(diào)制設(shè)計(jì)的電路如圖2所示。

圖2 GPS信號(hào)調(diào)制電路圖

3.3 射頻模塊

(1)設(shè)計(jì)原理

射頻模塊設(shè)計(jì)以頻率綜合器為核心，包括混頻器、濾波器、衰減器等器件，設(shè)計(jì)原理如圖3所示，晶振經(jīng)過(guò)頻率綜合器(壓控振蕩器、環(huán)路濾波器、鎖相環(huán))輸出射頻本振信號(hào)，和基帶/中頻模塊輸出的GPS中頻信號(hào)在混頻器中進(jìn)行混頻，將GPS信號(hào)由中頻搬移到射頻上，GPS射頻信號(hào)經(jīng)2 MHz的濾波器濾波，在可調(diào)衰減器調(diào)整功率后，從天線發(fā)送出去。

圖3 射頻模塊原理圖

(2)典型電路設(shè)計(jì)

在射頻模塊設(shè)計(jì)中，參考文獻(xiàn)[6]的有關(guān)資料，頻率綜合器選用ADI公司的ADF4360-4，其典型應(yīng)用電路如圖4所示。其中ADF4360-4的第17、18、19腳分別為控制數(shù)據(jù)的CLK腳、DATA腳、LE腳，與測(cè)試輸出用的20腳MUXOUT一并接到5針插頭，與FPGA芯片的I/O接口連接，作為其輸入輸出控制接口， 4腳RFoutA和5腳RFoutB是模擬輸出的差分高頻信號(hào)，通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)和諧振濾波網(wǎng)絡(luò)送入混頻器的差分輸入端，作為混頻器的本振信號(hào)。

(3)初始化設(shè)置

ADF4360-4的內(nèi)部寄存器用來(lái)暫存指令和數(shù)據(jù)，每次上電時(shí)必須給內(nèi)部寄存器寫(xiě)入數(shù)值進(jìn)行初始化。ADF4360-4有3個(gè)24位寄存器(R寄存器、N寄存器和C寄存器)用來(lái)暫存數(shù)據(jù)，通電時(shí)寄存器數(shù)據(jù)寫(xiě)入順序是R寄存器、C寄存器和N寄存器，數(shù)據(jù)輸入是通過(guò)FPGA芯片的3個(gè)雙向I/O口，分別接ADF4360-4的LE腳、DATA腳、CLK腳來(lái)寫(xiě)入初始化數(shù)據(jù)的，初始化程序用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)，其中3個(gè)24位寄存器的初始化數(shù)據(jù)設(shè)置如表2所示。

圖4 ADF4360-4的應(yīng)用電路

表2 寄存器初始化設(shè)置

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 基帶/中頻模塊

基帶/中頻模塊的設(shè)計(jì)是以FPGA芯片為核心，芯片采用Altera公司的EP1C6Q240C8。在QuartusII 8.0平臺(tái)下測(cè)試，系統(tǒng)占用邏輯單元337個(gè)。采用ModelSim仿真平臺(tái)，編寫(xiě)TestBench測(cè)試文件，仿真波形如圖5所示，其中信號(hào)sin是DDS模塊產(chǎn)生的數(shù)字中頻載波，信號(hào)CA是C/A碼模塊產(chǎn)生的C/A碼，信號(hào)Navi是D碼模塊產(chǎn)生的導(dǎo)航電文，信號(hào)CA-Navi-sin是調(diào)制模塊產(chǎn)生的GPS數(shù)字中頻信號(hào)。將FPGA芯片輸出的GPS數(shù)字中頻信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，送到安泰頻譜分析儀AT5011，頻譜波形如圖6所示，信號(hào)中心頻率為12.5 MHz。

圖5 ModelSim仿真波形圖

圖6 中頻模塊測(cè)試頻譜圖

4.2 射頻模塊

將GPS射頻信號(hào)源的基帶/中頻模塊和射頻模塊正確連接好，射頻信號(hào)通過(guò)射頻模塊SMA接口輸出，經(jīng)60 dB衰減器衰減后送到頻譜分析儀，頻譜波形是一個(gè)單頻信號(hào)，信號(hào)中心頻率是1 575.4 MHz，測(cè)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文根據(jù)GPS衛(wèi)星信號(hào)的結(jié)構(gòu)及射頻電路設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，采用軟件無(wú)線電的思路，給出了GPS射頻信號(hào)源的設(shè)計(jì)方案。在方案中硬件設(shè)計(jì)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)GPS信號(hào)調(diào)制等功能，軟件設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)功能模塊化，通用性強(qiáng)，易于修改和升級(jí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)符合要求。下一步需要提高硬件平臺(tái)的穩(wěn)定性和可靠性，軟件設(shè)計(jì)需要增加Nios嵌入式處理器軟核，進(jìn)行性能優(yōu)化，提高系統(tǒng)性能。

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