基于USRP的GPS基帶信號源設(shè)計與實現(xiàn)

錢建軍， 陳樹新

(空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西 西安 710000)

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·計算機技術(shù)應(yīng)用·

基于USRP的GPS基帶信號源設(shè)計與實現(xiàn)

錢建軍， 陳樹新

(空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西 西安 710000)

介紹了GPS信號源的現(xiàn)狀，分析了GPS信號源設(shè)計中目前被廣泛采用的中頻信號源結(jié)構(gòu)，得出該設(shè)計實現(xiàn)復(fù)雜并且不利于教學(xué)的結(jié)論。針對國家級軍用導(dǎo)航實驗教學(xué)示范中心的衛(wèi)星導(dǎo)航教學(xué)課程，提出了使用基于DQUC(直接正交上變頻技術(shù))的GPS基帶信號源實現(xiàn)方案。分析了信號源的組成模塊，對信號源的各個模塊實現(xiàn)原理進行了介紹。針對參數(shù)更新頻率較低以及基帶信號發(fā)生帶來的計算量過大等問題進行了分析，并給出了解決方案。同時采用LabVIEW軟件與USRP(通用軟件無線電外設(shè)),實現(xiàn)的結(jié)果驗證了設(shè)計的可行性。

GPS信號源； 基帶信號； USRP； LabVIEW

0 引 言

GPS(Global Positioning System)是目前全球范圍內(nèi)應(yīng)用最廣的導(dǎo)航系統(tǒng)。在GPS接收機的研發(fā)過程中，GPS信號源可以為研發(fā)者提供不同環(huán)境下的GPS信號，加速了GPS的發(fā)展。同時作為實驗室儀器它也有著很好的應(yīng)用價值，被很多導(dǎo)航相關(guān)院校所采用。國內(nèi)部分院校與研究機構(gòu)對該領(lǐng)域研究比較深入，有一定的相關(guān)成果。目前已有的產(chǎn)品多采用中頻信號發(fā)射方案[1-3]，其實現(xiàn)過程較為復(fù)雜，在參數(shù)生成、中頻信號發(fā)生等模塊設(shè)計上不夠直觀，不利于教學(xué)。本文對目前被廣泛采用的GPS信號源設(shè)計方法進行分析，圍繞國家級軍用導(dǎo)航實驗教學(xué)示范中心的衛(wèi)星導(dǎo)航教學(xué)課程，根據(jù)DQUC技術(shù)提出基于LabVIEW與USRP的GPS基帶信號源設(shè)計方法，簡化了設(shè)計工作。同時利用LabVIEW這種簡單、直觀的編程方法使其基帶設(shè)計更加容易理解，提升了導(dǎo)航實驗教學(xué)的效果。

1 GPS信號產(chǎn)生方案比較

GPS分別在L1、L2頻段上發(fā)射信號，其中L1頻率為1 575.42 MHz，由P碼與C/A碼來同時實現(xiàn)擴頻調(diào)制；L2頻率1 227.6 MHz完全由P碼來調(diào)制。而P碼僅授權(quán)特許用戶使用，因此對于GPS信號源研發(fā)來說，只需考慮L1頻點的C/A碼擴頻信號[4]。其發(fā)射端表達式為：

(1)

由于傳輸時延以及多普勒頻偏的影響接收機前端所收到的多顆衛(wèi)星信號如下：

(2)

其中:τi為衛(wèi)星信號碼相位延時;fid為衛(wèi)星信號的載波頻偏;θi為載波初相[5]。GPS信號源就是要精確仿真以上接收端信號模型，尤其是要能準確地仿真時延以及多普勒頻偏。GPS信號源主要采用軟件無線電理論來進行方案設(shè)計。根據(jù)軟件無線電原理，信號發(fā)射機有中頻發(fā)射方案與基帶(零中頻)發(fā)射方案之分[6]。下面針對GPS信號源的實現(xiàn)來對兩種方案進行分析。

1.1 中頻信號發(fā)生方案

目前國內(nèi)現(xiàn)有的GPS信號源大都采用中頻信號發(fā)生方案來實現(xiàn)。中頻信號表達式為：

(3)

其中,電文、C/A碼、幅度參數(shù)AIFi、頻偏fid與碼相位延時τi由計算機來生成或由計算機輔助DSP生成。由于中頻頻率較高一般為數(shù)十MHz，同時計算量比較大，因此要采用FPGA單獨作為中頻信號發(fā)生單元。延時、頻偏等相關(guān)參數(shù)由DSP或其他處理器控制傳輸至中頻信號發(fā)生單元來完成信號的數(shù)字調(diào)制。生成的數(shù)字中頻信號要經(jīng)過后續(xù)的數(shù)模變換帶通濾波、上變頻等一系列處理最后才能完成GPS射頻信號的發(fā)生。其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖一般為如圖1形式。

圖1 GPS中頻信號源結(jié)構(gòu)

從以上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出，中頻信號發(fā)生方案雖然是基于軟件無線電的思想來實現(xiàn)GPS射頻信號的發(fā)生，但需采用芯片單獨作為中頻信號發(fā)生模塊，產(chǎn)生的中頻信號還需經(jīng)過中頻放大、濾波、變頻處理，其硬件開銷比較大。另一方面，采用此方法來實現(xiàn)信號源，其核心中頻部分由FPGA來實現(xiàn)。從實驗教學(xué)的角度來看，該實現(xiàn)方法不夠直觀，需要進一步改進。

1.2 基帶信號發(fā)生方案

基帶信號也可稱之為零中頻信號，它是將實信號進行正交采樣后得到的結(jié)果。信號存在正譜和負譜，在采樣時，正負譜形成的分延拓分量之間必須保證不混疊。而正交采樣相當于對一個通過希爾伯特變換的解析信號進行采樣，對此信號進行采樣時無需考慮負譜延拓分量產(chǎn)生的混疊。實際中希爾伯特變換實現(xiàn)較難，因此采用正交采樣來實現(xiàn)，所以在同相與正交兩條支路上分別進行速率為fs=B的采樣就可以消除混疊現(xiàn)象[7],B為民用信號帶寬。

基于以上理論，可以考慮先生成GPS基帶信號，再利用直接正交上變頻技術(shù)(DQUC)來實現(xiàn)GPS信號的發(fā)生。對接收機前端信號進行正交分解可得：

(4)

設(shè)采樣率為fs=1/Ts，多顆衛(wèi)星的數(shù)字基帶信號如下式所示：

(5)

GPS信號中C/A碼擴頻部分對應(yīng)的帶寬為C/A碼碼率的2倍2.046 MHz。考慮接收端信號存在頻率偏移，靜止或地動態(tài)用戶接收信號會受到衛(wèi)星運動產(chǎn)生的±5 kHz內(nèi)的頻偏，而高動態(tài)下會存在不超過±10 kHz范圍的頻偏，對信號的帶寬影響不大。因此產(chǎn)生基帶信號的采樣速率fs≈2.046 MS/s即可。

對于低采樣速率的基帶信號，如果仍舊使用FPGA芯片來專用作基帶信號的發(fā)生無疑是一種浪費。因此可將基帶信號生成也使用計算機來實現(xiàn)，以簡化整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計。而接口控制、數(shù)字上變頻(Digital Up Converter,DUC)正交上變頻部分則使用通用軟件無線電外設(shè)(Universal Software Radio Platform,USRP)來實現(xiàn)。整個GPS信號源系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 GPS基帶信號源結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

由于采用了USRP來實現(xiàn)基帶信號的前端處理，因此信號源的設(shè)計工作主要集中在基帶信號的發(fā)生部分?；鶐Р糠植捎肔abVIEW軟件來實現(xiàn)設(shè)計， LabVIEW作為一種圖形化的編程方法，有著編程簡單易懂，運行方便的優(yōu)點，LabVIEW所產(chǎn)生的基帶數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸至USRP以保證傳輸速率。單顆衛(wèi)星的基帶發(fā)生部分的框圖如圖3所示，其整個工作過程主要由以下幾個模塊構(gòu)成。

圖3 單顆衛(wèi)星基帶信號發(fā)生框圖

2.1 星歷數(shù)據(jù)讀取

由于不涉及場景設(shè)計，因此系統(tǒng)中所采用導(dǎo)航電文采用觀測站所公布的GPS衛(wèi)星、星歷數(shù)據(jù)來生成。過去的每一天的星歷都可在互聯(lián)網(wǎng)上下載，格式采用標準的Rinex格式，從每日的零點起每兩小時提供一整套新的星歷數(shù)據(jù)[8-9]。星歷抽取模塊會根據(jù)所發(fā)送信號對應(yīng)的GPS時來選擇對應(yīng)時段的整套星歷,每套星歷的有效時間是以參考時間toe為中心的4 h之內(nèi)。所讀取的星歷存儲后等待選星結(jié)果來選擇對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

2.2 選 星

由于衛(wèi)星數(shù)目是可設(shè)置的，因此信號源需要根據(jù)用戶的位置、當前時間來選擇所需衛(wèi)星的最佳幾何分布[10-11]。目前已存在多種選星方法，本設(shè)計中直接采用最佳選星法來實現(xiàn)選星過程。其實現(xiàn)過程如下：

(1) 判決星歷中的可見星(相對用戶仰角為5°以上的衛(wèi)星);

(2) 從可見星中選所需數(shù)目的所有可能組合;

(3) 對所有衛(wèi)星組合的GDOP值進行計算，并選出其中最小的組合作為最佳星。

2.3 組織導(dǎo)航電文與C/A碼

選星模塊完成最佳衛(wèi)星選擇并輸出衛(wèi)星對應(yīng)編號。導(dǎo)航電文生成模塊根據(jù)收到的衛(wèi)星編號選擇對應(yīng)的衛(wèi)星星歷并將星歷寫入到對應(yīng)的數(shù)據(jù)幀中。導(dǎo)航電文是按照固定幀格式形成的二進制數(shù)據(jù)流。文件(IS-GPS-200H)中有其具體格式與C/A碼生成方法的詳細描述。

2.4 延時與頻偏參數(shù)

延時與頻偏參數(shù)的生成是信號源中的最關(guān)鍵模塊之一。式(4)中的時間t指的是各顆衛(wèi)星到達接收機前端的時間[12-13]，不能將此時間參數(shù)作為確定衛(wèi)星發(fā)射時位置的時間參數(shù)。要確定每顆衛(wèi)星對應(yīng)信號的發(fā)射時間，需要通過迭代的方法來進行遞推。本設(shè)計所采用的做法是以當前要模擬的接收信號時間tr作為衛(wèi)星信號的發(fā)射時刻tt，計算出衛(wèi)星坐標，進而算出衛(wèi)星到用戶間的距離，距離轉(zhuǎn)化為時延后用發(fā)射時間減去傳輸時延作為發(fā)射時間再次帶入衛(wèi)星坐標。兩次迭代之間要進行誤差判決，并設(shè)定一門限值當差值小于此門限則停止迭代。

另一方面,由于地球自轉(zhuǎn)的影響，衛(wèi)星在信號發(fā)射時刻與接收時刻所處的ECEF坐標系會有所區(qū)別，忽視這種影響會造成約50 m的偽距誤差[14-15]。因此利用發(fā)射時間確定衛(wèi)星位置后，要將衛(wèi)星坐標進行坐標轉(zhuǎn)換以確定其在接收時刻坐標系中的位置。

整個模塊涉及到多次的衛(wèi)星位置的計算以及坐標轉(zhuǎn)換，因此計算量很大。為了減少計算量在設(shè)計參數(shù)的更新頻率時，采用每0.01 s進行一次計算。同時為了與基帶發(fā)生速率相匹配，此處采用3次樣條插值以提高更新速率。

2.5 基帶信號合成

基帶信號模塊依照式(5)來進行數(shù)字基帶信號的發(fā)生。工作過程如下：

(1) 根據(jù)當前采樣時刻索引對應(yīng)的幅度、延時與頻偏參數(shù)。

(2) 用采樣時刻減去延時作為C/A碼與D碼的索引參數(shù)來確定當前碼片值。

(3) 將幅度、延時與頻偏參數(shù)代入到公式(5)中計算相應(yīng)的正交與同相數(shù)字載波。

(4) 將C/A碼與D碼異或值轉(zhuǎn)化為雙極性后與數(shù)字載波相乘完成基帶信號的發(fā)生。

(5) 計算多顆衛(wèi)星基帶疊加值，并將結(jié)果傳輸至隊列當中等待寫入USRP完成上變頻。

2.6 基帶發(fā)生速率

本設(shè)計中隊列中可存儲的基帶信號由計算機內(nèi)存大小來決定。一旦內(nèi)存中的基帶信號全部發(fā)送完畢，而新的基帶信號卻未能生成，那么USRP則會停止工作。為此要保證基帶生成速率足夠趕得上約2 MHz的IQ基帶數(shù)據(jù)率。

由于采用軟件實現(xiàn)來實現(xiàn)基帶數(shù)字信號，每一采樣時刻要計算多顆衛(wèi)星的基帶信號再進行疊加，這一過程帶來了計算量的增加。為了充分發(fā)揮計算機的性能、提升基帶數(shù)據(jù)發(fā)生速率、避免內(nèi)存中數(shù)據(jù)耗盡，此處利用LabVIEW在實現(xiàn)多線程上的優(yōu)勢來實現(xiàn)了多核計算基帶信號偶數(shù)時刻與奇數(shù)時刻的樣值。過程如圖4所示。

圖4 多線程基帶信號發(fā)生

3 運行與驗證

驗證過程使用手機終端來驗證信號源發(fā)送的GPS信號能否被識別。手機終端自帶GPS接收模塊，軟件方面使用GPS Test來分析信號。信號源設(shè)定載波頻率為1 575.42 MHz，基帶數(shù)據(jù)傳輸速率為2 MS/s，星歷起始時刻為UTC時間14年3月22日0時，發(fā)生衛(wèi)星數(shù)目設(shè)置為8顆，用戶位置34°N,108°E。啟動上位機中的基帶信號發(fā)生程序，確定信號已發(fā)送后，觀察發(fā)現(xiàn)該時段最佳衛(wèi)星PRN被選為2,5,9,18,21,26,29。

通過手機GPS Test終端查看定位結(jié)果如圖5所示，與設(shè)置坐標對比存在微小的誤差，在可接受范圍內(nèi)。衛(wèi)星星座如圖6所示，識別出的GPS衛(wèi)星序號與發(fā)送端一致為7顆。發(fā)射與設(shè)置衛(wèi)星數(shù)目相比少一顆，其原因可能為發(fā)射時可見星數(shù)目為7顆。

圖5 GPSTest定位坐標圖6 GPSTest星座顯示

4 結(jié) 語

本設(shè)計基于軟件無線電技術(shù)，采用了USRP與LabVIEW結(jié)合開發(fā)方式，使GPS信號模擬源設(shè)計工作轉(zhuǎn)變?yōu)樵贚abVIEW上的軟件設(shè)計，大大簡化了GPS模擬源的設(shè)計工作量。采用數(shù)字基帶信號合成的方式保證了模擬器信號精度和通道一致性，最終實現(xiàn)的信號源可以滿足接收機的部分測試需求。信號源設(shè)計思路簡潔、直觀易懂，于導(dǎo)航實驗教學(xué)中取得較好的效果。

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Design and Implementation of GPS Baseband Signal Source Based on USRP

QIANJian-jun,CHENShu-xin

(College of Information and Navigation, Air Force Engineering University, Xi’an 710000， China)

This paper introduces the current situation of GPS signal a source and analyzes the structure of IF signal source which is widely used. Then the paper comes to a conclusion that this design is complicated to realize, and is adverse in teaching. In order to improve the satellite navigation course in national military navigation experimental teaching demonstration center，the paper proposes a GPS baseband signal source designing scheme based on direct quadrature up-conversion. All modules of the signal source are analyzed in the paper, and the principles of their realization are also introduced. The paper analyses problems such as low parameters update frequency and large amount of calculation and give solutions to them. At the same time LabVIEW software and USRP are used to realize the design. And the feasibility of the design is verified.

GPS signal source; baseband signal; USRP; LabVIE

2015-01-22

國家自然科學(xué)基金項目(50875132)

錢建軍(1990-)，男，安徽宣城人，碩士生，研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航理論。Tel.:15691807750;E-mail:609080785@qq.com

陳樹新(1965-)，男，陜西商南人，博士，教授，研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航理論。Tel.:13389271028;E-mail:chenshuxin68@163.com

TN 967.1

A

1006-7167(2015)10-0072-04