基于SDR的GPS信號測試儀研制

盧曉紅 張俊華 陳欽碧

(1.蘭州27支局21信箱21號，酒泉 732750；2.蘭州27支局15信箱17號，酒泉 732750)

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基于SDR的GPS信號測試儀研制

盧曉紅1張俊華2陳欽碧2

(1.蘭州27支局21信箱21號，酒泉 732750；2.蘭州27支局15信箱17號，酒泉 732750)

針對特定測試要求，研制了GPS信號測試儀，利用產(chǎn)品化電路模塊搭建硬件體系，研究基于SDR技術(shù)的GPS信號測試分析方法；描述各硬件模塊間的接口設(shè)計、信號處理的過程及關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)、系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)；討論基于SDR實現(xiàn)GPS信號捕獲解調(diào)算法的注意事項，給出具體的數(shù)字變頻及重采樣算法。

SDR信號處理；數(shù)字混頻；GPS信號捕獲跟蹤；軟件化測試儀

0 引言

某些場合，需測試轉(zhuǎn)發(fā)到室內(nèi)的GPS衛(wèi)星信號幅度等參數(shù)，分離出每顆單獨衛(wèi)星的信號，由于GPS衛(wèi)星信號采用碼分復(fù)用(CDMA)擴頻技術(shù)，各衛(wèi)星的信號混雜在一起，從頻譜及時域波形看，屬于類噪聲信號，且信號到達地球表面附近的功率微弱，幅度低于熱噪聲[1]，GPS衛(wèi)星信號的這些特點，導(dǎo)致傳統(tǒng)的頻譜儀、功率計、矢量信號分析儀等儀器設(shè)備無法滿足上述測試需求；此外市場上現(xiàn)有大量GPS終端，但其功能及發(fā)展重點是在獲取定位信息的情況下，結(jié)合數(shù)字地圖、慣導(dǎo)組合等技術(shù)提供良好的導(dǎo)航及生活應(yīng)用體驗，對GPS信號本身的幅度等只有相對顯示，也不滿足測試要求，為此，必須研究專用的GPS信號測試儀。

經(jīng)過前期調(diào)研，確立對GPS信號進行放大、混頻，將射頻信號轉(zhuǎn)換為頻率較低的中頻信號，然后對中頻信號進行數(shù)據(jù)采集，最后通過軟件無線電(SDR)技術(shù)，用數(shù)字信號處理的方式實現(xiàn)對GPS信號進行測量的設(shè)計方案。

1 硬件組成

在確定了基于SDR進行GPS信號測試后，進行了大量選型、分析比較及硬件模塊連通性設(shè)計工作，最終系統(tǒng)組成如圖1所示。從信號流向看，主要包括四大部分：1)天線將空間的無線電信號轉(zhuǎn)換為電信號；2)MAX2769A完成信號放大和混頻；3)USB9812C完成信號模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號；4)通用計算機完成數(shù)字信號處理和GPS衛(wèi)星信號參數(shù)測量。

圖1 系統(tǒng)組成

1.1 硬件模塊功能

圖1中虛線所框部分，集成安裝到儀器箱內(nèi)，內(nèi)部連接如圖2所示，射頻和中頻信號使用SMA電纜連接。MAX2769A完成GPS信號的放大和變頻，輸出4.092MHz中頻信號；USB9812C對該中頻信號進行AD變換，量程為±2.5V，采樣速率為12.5MHz，輸出為8位無符號整數(shù)(UINT8)，輸入電壓U與采樣數(shù)據(jù)d的關(guān)系為：

(1)

圖2 GPS信號采集器內(nèi)部連接

MAX2769A的端口LNA2用于連接有源天線，設(shè)計通過5μH的電感給有源天線饋電(饋電電壓為3.0V)，對于1575.42MHz的GPS信號，供電通路阻抗約50kΩ，對比進入LNA2的交流耦合通路阻抗50Ω相當(dāng)于開路，不影響信號阻抗匹配。

1.2 硬件接口設(shè)計

軟件中直接調(diào)用驅(qū)動API向USB端口發(fā)送USB9812C控制命令；而MAX2769A的控制必須通過額外的接口電路才能實現(xiàn)。通過分析兩個模塊的電路特點、輸入輸出特性及時序要求，實現(xiàn)了對MAX2769A的初始化及狀態(tài)控制，包括對其使能、閑置、增益、IQ通路等參數(shù)的控制。其硬件接口如圖2所示，控制線序如表1所示，需要注意的是MAX2769A的數(shù)字接口外觀為并口，但接口協(xié)議不同。

表1 USB9812C與MAX2769A接口

USB9812C和MAX2769A數(shù)字接口均為TTL電平，因此，USB9812C的J8端口提供的數(shù)字IO可以直接連接到MAX2769A的并口輸入。MAX2769A控制時序通過在軟件中按要求不斷變換、保持、再變換USB9812C數(shù)字IO輸出的電平實現(xiàn)，從而合理利用板載功能，解決MAX2769A控制接口設(shè)計難題。

2 軟件設(shè)計

2.1 軟件功能模塊

軟件功能模塊主要包括：人機接口、硬件控制、信號采集、信號處理、校準(zhǔn)修正、數(shù)據(jù)存儲及事后回放分析等。從采樣數(shù)據(jù)中對各GPS衛(wèi)星信號進行提取和測量是儀器要實現(xiàn)的核心功能，基于SDR開發(fā)，流程如圖3所示。其他諸如可見衛(wèi)星預(yù)測、對幅度進行標(biāo)定、存儲/呈現(xiàn)測量結(jié)果等，是對核心功能的必要擴展。測試儀采用軟件修正技術(shù)：通過標(biāo)準(zhǔn)信號源對測試儀的通道增益等特性進行標(biāo)校，將顯示結(jié)果校準(zhǔn)到測試儀輸入端口或天線口面處。

圖3 基于SDR的處理流程

2.2 軟件關(guān)鍵技術(shù)

軟件設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)包括兩項：1)GPS信號捕獲、跟蹤算法的實現(xiàn)；2)數(shù)字變頻及重采樣算法。

2.2.1 捕獲跟蹤算法

GPS信號捕獲、跟蹤算法在文后所列參考文獻[1-2]，此處重點介紹算法實現(xiàn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)及注意事項。

單顆GPS衛(wèi)星信號的捕獲過程為：1)生成該衛(wèi)星的不同碼時延的PRN碼信號，碼時延范圍涵蓋一個完整C/A碼周期(1ms)；2)生成不同頻率的載波信號，頻率變化范圍與要測量的多普勒頻移范圍對應(yīng)；3)用生成的不同碼時延(時間平移)PRN碼信號和不同頻率(頻率平移)載波信號與采樣信號進行相關(guān)運算；4)在時移、頻移的兩維空間尋找相關(guān)運算的峰值，峰值與周邊噪聲的比值作為判據(jù)，大于設(shè)定值則捕獲成功，得到跟蹤初始條件，即峰值對應(yīng)的碼時延和載波頻移。

捕獲算法比較直觀，只有一點要注意，即用作相關(guān)運算的信號時間長度要與本地生成載波頻率的步進值對應(yīng)，比如說步進值為100Hz，則必須選擇持續(xù)時間不小于10ms(100Hz的倒數(shù))信號進行相關(guān)運算，如果信號時間太短，則頻率分辨率太差，使得小的頻率步進值無意義，無法提高實際相關(guān)性。

跟蹤指通過PLL及DLL兩個鎖相環(huán)路的鎖定，解調(diào)出混雜在一起的各GPS衛(wèi)星的信號，環(huán)路中本振和本地碼信號的初始值設(shè)置為捕獲過程獲得的結(jié)果。環(huán)路過程為：對本振(及本地碼)與采樣信號的相位(及碼時延)偏差進行檢測、濾波，通過負(fù)反饋控制本振頻率(及碼生成器的頻率)，使本振(及本地碼)鎖定到采樣信號中的GPS衛(wèi)星信號上。其中PLL環(huán)路采用COSTAS環(huán)以消除GPS信號中調(diào)制信息造成相位翻轉(zhuǎn)的影響。

需要注意的是：1)濾波環(huán)路輸入為相差(或碼時延)，而非信號幅度，即對鑒相結(jié)果進行濾波；2)由于要解擴C/A碼，其周期為1ms，自然每1ms進行一次鑒相，從而使得濾波環(huán)路中濾波器處理的是1ms采樣率的信號，在計算濾波器參數(shù)時要以1ms采樣率考慮，即兩個鎖相環(huán)路的實現(xiàn)中存在多速率處理的問題，一是基帶信號本身的采樣率，一是鑒相/濾波的采樣率。

實現(xiàn)捕獲跟蹤算法后，從跟蹤輸出可得到各GPS信號的解調(diào)碼流，用軟件算法對其進行各種檢波即可得到信號幅度、功率等參數(shù)。

2.2.2 數(shù)字變頻及重采樣

數(shù)字變頻及重采樣算法有兩個作用：1)實現(xiàn)了中頻實信號向基帶復(fù)信號的轉(zhuǎn)換，便于與已有的數(shù)字信號處理模塊集成；2)通過分析信號帶寬需求，利用重采樣降低數(shù)據(jù)量，提高處理速度。以采集到原始信號為x(n)考慮，數(shù)字變頻及重采樣算法如下：

1)進行數(shù)字混頻?；祛l輸出x1(n)為：

x1(n)=x(n)×e-2p fn

式中，n的取值范圍為0～N-1，N為數(shù)據(jù)點數(shù)；e-2p fn為復(fù)本振信號，f=4.092MHz。

2)對混頻輸出信號進行低通濾波。濾除混頻產(chǎn)生的高頻分量，只保留以0Hz為中心(實際中心取決于GPS信號的多普勒頻移)的復(fù)基帶信號，為保持線性相位使用了FIR濾波器，濾波器-6dB頻率選擇為fs/10(此時復(fù)信號帶寬為fs/5=12.5÷10×2=2.5MHz，大于GPS信號C/A碼調(diào)制帶寬)。濾波過程如下：

x2(n)=filter[x1(n)]=x1(n)?b(k)

式中，b(k)為濾波器系數(shù)，k取值0～M，M為FIR濾波器階次，實現(xiàn)中取值為30；?表示卷積；x2(n)為濾波后的輸出，具體FIR濾波器系數(shù)使用MATLAB函數(shù)fir1設(shè)計。

3)重采樣。即對濾波輸出后的信號進行4倍抽取，等效復(fù)采樣率為fs/4，具體如下

x3(n)=x2(4n)

式中，n的取值范圍為1～N/4；x3(n)為所需的復(fù)基帶信號，數(shù)據(jù)抽取后實際數(shù)據(jù)量降低一半，在滿足GPS信號C/A碼調(diào)制帶寬的條件下，有效減小后續(xù)信號處理的負(fù)擔(dān)。

3 功能、主要技術(shù)指標(biāo)及測試

經(jīng)過近一年開發(fā)，研制完成后的GPS信號測試儀可對L1頻段、不同GPS衛(wèi)星C/A碼信號的幅度、多普勒頻率等參數(shù)進行測量，顯示不同GPS衛(wèi)星信號的IQ圖、解調(diào)波形等，還具有衛(wèi)星位置預(yù)測、測量時段內(nèi)信號幅度統(tǒng)計、可見衛(wèi)星數(shù)目統(tǒng)計以及頻譜顯示等功能，主用戶界面如圖4所示。測試儀設(shè)計技術(shù)指標(biāo)如下：

圖4 儀器軟件主界面

1)使用有源天線，可測量單顆GPS衛(wèi)星信號的幅度范圍為-140～-125dBm；

2)無源端口GPS信號幅度測試范圍為：-115～-100dBm，精度優(yōu)于±1.5dB；

3)多普勒頻率測量范圍為：-7～7kHz，精度優(yōu)于±0.1kHz。

對GPS測試儀的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進行了測試，標(biāo)準(zhǔn)儀器為安捷倫公司的E8267D矢量信號源，配備GPS信號生成選件422和409，以E8267D矢量信號源的輸出作為標(biāo)準(zhǔn)值，部分測試數(shù)據(jù)如表2和表3所示，測試結(jié)果表明各項技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計要求。

表2 幅度精度測試

表3 多普勒頻率精度測試

4 結(jié)束語

GPS信號測試儀總的設(shè)計思路是簡化硬件，強化軟件，通過采用市場上已經(jīng)具有的、成熟的、模塊化的硬件產(chǎn)品搭建系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的可靠性和易實現(xiàn)性；研制中精力重點放在與工作相關(guān)的特定測試需求上，研究具體的信號處理、測試及分析算法，并通過計算機以軟件方式實現(xiàn)，解決了所要測試信號調(diào)制復(fù)雜、新的測試需求不斷涌現(xiàn)、普通儀器難以測量、需要快速開發(fā)測試系統(tǒng)的難題。GPS信號測試儀的實現(xiàn)開辟了儀器軟件化實踐的新路，對面向?qū)嶋H開展新的計量測試方法研究提供了很好的借鑒。

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.1.08