基于FPGA的北斗QPSK調(diào)制實現(xiàn)與解調(diào)驗證

高 亮，宋茂忠

(南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，江蘇南京 210016)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System)是我國正在實施的自主研發(fā)、完全獨立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，有著廣泛的應(yīng)用前景。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號采用正交相移鍵控(QPSK)調(diào)制，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，降低了信號間的相互干擾，改善了定位性能，成為目前全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)現(xiàn)代化發(fā)展的方向之一［1］。因此對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的需求日益增加，為了測試驗收高性能衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的靜態(tài)性能及動態(tài)性能，需要模擬產(chǎn)生北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在各種環(huán)境下的真實衛(wèi)星信號。

目前，針對北斗導(dǎo)航系統(tǒng)模擬信號源的研究較少，可參考GPS和GLONASS模擬信號源的研究，分析各個導(dǎo)航系統(tǒng)之間的差別，找到合適的研究方案。文獻(xiàn)［2］分析了GLONASS信號的結(jié)構(gòu)特點，研究了復(fù)雜環(huán)境下GLONASS導(dǎo)航信號的產(chǎn)生，文獻(xiàn)［3］針對GPS信號模擬源的算法進(jìn)行研究，并通過FPGA實現(xiàn)模擬源的產(chǎn)生，文獻(xiàn)［4］分析了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航B1頻段信號的結(jié)構(gòu)，并用Simulink平臺實現(xiàn)了信號模擬。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已于2011年12月進(jìn)入試運(yùn)行階段，并于2012年12月公布了空間信號接口控制文件［5］(Interface Control Document，ICD)。本文針對 ICD文件中北斗B1頻段的QPSK調(diào)制信號進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，采用軟件無線電的方法來研究QPSK信號的調(diào)制解調(diào)，分析QPSK信號調(diào)制解調(diào)的原理，利用FPGA仿真實現(xiàn)QPSK信號的調(diào)制解調(diào)，同時在射頻輸出端觀察調(diào)制信號的功率密度譜。

1 北斗B1頻段信號特征

北斗B1頻段［6］信號由兩個支路的“測距碼+導(dǎo)航電文”正交調(diào)制在載波上構(gòu)成。信號表達(dá)式如下

式中，j表示衛(wèi)星編號;AI、AQ分別表示調(diào)制于B1頻段載波同相、正交相支路的測距碼振幅;CI、CQ分別表示同相、正交相支路的測距碼;DI、DQ分別表示同相、正交相支路測距碼上調(diào)制的數(shù)據(jù)碼;f表示B1頻段載波頻率;φI、φQ分別表示B1頻段載波同相、正交相支路的初相。

根據(jù)北斗B1頻段信號QPSK調(diào)制方式的特點以及上式所示的信號結(jié)構(gòu)，可知北斗B1頻段每顆衛(wèi)星均有一對獨特的測距碼，兩者彼此不相關(guān)且正交，接收到同一顆衛(wèi)星信號的兩個支路受各種因素影響所導(dǎo)致的碼延遲、多普勒頻移等均相同。

2 北斗信號的QPSK調(diào)制

在“北斗二號”系統(tǒng)中，采用正交相移鍵控，QPSK，QPSK調(diào)制技術(shù)的核心思想是兩個載波正交BPSK信號的合成，即將一個比特流的每一個四進(jìn)制碼元用兩個二進(jìn)制碼元的組合來表示，兩個二進(jìn)制碼元中的前一個碼元用I表示，后一個碼元用Q表示。由于在一個調(diào)制符號中傳輸2 Byte，QPSK調(diào)制比BPSK調(diào)制的帶寬效率高一倍。載波的相位為4個間隔相等的值:π/4，3π/4，5π/4，7π/4。這種調(diào)制方式使同一載波每次可傳輸2 Byte信息，從而使載波的頻帶利用率比BPSK提高了1倍，同時抗干擾性更強(qiáng)。

圖1 B1信號擴(kuò)頻碼的自相關(guān)特性圖

圖2 QPSK調(diào)制后的自相關(guān)圖

對QPSK調(diào)制后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，選取50位數(shù)據(jù)，通過仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，加入QPSK調(diào)制技術(shù)后，原測距碼的自相關(guān)曲線發(fā)生了變化［7］。在QPSK調(diào)制下的測距碼，除了存在一個明顯的高峰外，還具有兩個比較明顯的次高峰，分別位于靠近主峰的左右兩側(cè)。

3 北斗B1頻段信號的模擬

北斗B1頻段數(shù)字信號生成首先按照固定的采樣時間間隔，也就是固定的采樣頻率(采樣頻率取1 561.098 MHz)，加入衛(wèi)星的初始相位和多普勒頻移，生成中頻載波信號;然后將經(jīng)過QPSK調(diào)制方式調(diào)制的測距碼和北斗導(dǎo)航電文調(diào)制到載波上疊加。如果是MEO/IGSO的衛(wèi)星需要在導(dǎo)航電文中在調(diào)制20位的NH碼。每顆衛(wèi)星的測距碼和導(dǎo)航電文都不同，因此應(yīng)該對每顆衛(wèi)星的信號進(jìn)行疊加，接著對多衛(wèi)星信號的每顆衛(wèi)星信號加入預(yù)設(shè)的強(qiáng)度，可設(shè)定的高斯白噪聲，最后設(shè)定好模擬時長，將信號數(shù)據(jù)通過工作站儲存模塊導(dǎo)入到工作站保存。

圖3 北斗B1頻段信號模擬硬件功能框圖

4 FPGA仿真實現(xiàn)QPSK調(diào)制解調(diào)

QPSK調(diào)制對輸入數(shù)據(jù)流經(jīng)內(nèi)插、成形濾波和并串轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)正交調(diào)制后即得到已調(diào)QPSK信號。內(nèi)插有助于對基帶信號進(jìn)行波形成形，可以通過重復(fù)現(xiàn)存采樣點或者插入零脈沖來實現(xiàn)，成形濾波器的作用是消除碼間干擾和頻譜擴(kuò)散。QPSK解調(diào)對基帶信號進(jìn)行抽取、CIC濾波和Costas環(huán)載波同步后，再經(jīng)過解調(diào)得到輸出數(shù)據(jù)。采用多級CIC濾波器級聯(lián)來實現(xiàn)較大的阻帶衰減，Costas環(huán)來估計和校正解調(diào)過程中的多普勒頻移［8－9］。在整個設(shè)計方案中，數(shù)字調(diào)制解調(diào)算法在FPGA中完成。FPGA硬件框圖如圖4所示，系統(tǒng)原理方案如圖5所示。

圖4 QPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)硬件框圖

圖5 QPSK調(diào)制解調(diào)原理框圖

圖5中CIC濾波器即級聯(lián)積分器梳狀(Cascade Integrator Comb，CIC)濾波器，濾波器的沖擊響應(yīng)如下形式

圖6 CIC濾波器的幅頻特性和相頻特性(D=10)

圖7 CIC濾波器的FPGA仿真

調(diào)制部分，數(shù)據(jù)通過串口輸入，產(chǎn)生寬度為8 bit的并行數(shù)據(jù)流，然后分成I，Q兩路數(shù)據(jù)流，經(jīng)過補(bǔ)零內(nèi)插，成形濾波和數(shù)據(jù)位截短后，通過并串轉(zhuǎn)換，再通過DDS模塊生成基帶QPSK調(diào)制信號。調(diào)制輸出數(shù)據(jù)的速率是128 kbit·s－1，而實現(xiàn) DDS的器件 AD9857中設(shè)定輸入數(shù)據(jù)速率是1 Mbit·s－1，為使兩者速率匹配，設(shè)計中采用內(nèi)插方法來實現(xiàn)。在內(nèi)插模塊的設(shè)計中，采用最簡單的實現(xiàn)方法，即在數(shù)據(jù)之間插零。零的個數(shù)N由內(nèi)插前后數(shù)據(jù)的速率決定，設(shè)計中N=7。內(nèi)插模塊通過數(shù)據(jù)鎖存器和計數(shù)器實現(xiàn)。在內(nèi)插模塊設(shè)計中，由于采用了“插零”處理，導(dǎo)致碼間干擾和帶外輻射增大，為減小這些對信號解調(diào)的影響，設(shè)計采用成型濾波器。并串轉(zhuǎn)換模塊通過4級鎖位寄存器實現(xiàn)，并行16位的輸入數(shù)據(jù)按照并行4位的格式串行輸入到DDS。

在解調(diào)部分，通過NCO進(jìn)行數(shù)字下變頻，經(jīng)過抽取，CIC濾波器進(jìn)行濾波，Costas環(huán)進(jìn)行載波同步，最后解調(diào)處數(shù)據(jù)，通過串口輸出顯示。數(shù)字下變頻模塊主要由NCO和混頻器組成?；祛l器為8位乘法器，采用Altera提供的宏功能模塊LPM_MULT，將數(shù)據(jù)鎖存模塊輸出的8位數(shù)據(jù)與分別NCO輸出的正交載波進(jìn)行相乘，乘積結(jié)果為一有符號的16位數(shù)據(jù)。為防止乘法器輸出數(shù)據(jù)在后面模塊運(yùn)算處理中發(fā)生溢出，同樣在設(shè)計中對數(shù)據(jù)進(jìn)行了截短處理。CIC濾波器采用三級8倍抽取的積分濾波器與梳狀濾波器并聯(lián)。Costas環(huán)來估計和校正解調(diào)過程中的多普勒頻移。

在測試部分，串口輸入數(shù)據(jù)是1234FA42342343，串口輸出12 34 FA 42 34 23 43，說明了QPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的正確性。同時，通過頻譜儀對設(shè)計的QPSK調(diào)制信號進(jìn)行觀察，F(xiàn)PGA開發(fā)板射頻端口輸出1 561.020 MHz的射頻信號，證明生成的QPSK調(diào)制信號在頻率特性、頻譜特性上符合系統(tǒng)設(shè)計要求，從而證明了調(diào)制信號的正確性，功率密度譜如圖8所示。

圖8 功率密度譜圖

5 結(jié)束語

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，特別是B1頻段信號，是未來民用的主要信號，因此，頻段信號成為研究熱點，而市場對北斗接收機(jī)的需求也會越來越多。為了測試北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的性能，則需要模擬北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在各種環(huán)境下的真實衛(wèi)星信號。本文針對北斗信號QPSK調(diào)制信號的結(jié)構(gòu)特點，分析了QPSK調(diào)制解調(diào)的原理，并結(jié)合軟件無線電的方法，通過FPGA驗證了系統(tǒng)的可行性和正確性。

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