GNSS信號(hào)錄制與回放設(shè)備的研制及應(yīng)用

張濤

(武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,湖北 武漢 430079)

0 引 言

在GNSS接收機(jī)的生產(chǎn)研發(fā)以及衛(wèi)星定位與導(dǎo)航相關(guān)專業(yè)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,GNSS信號(hào)錄制與回放設(shè)備是一種非常重要的儀器,它可以采集射頻信號(hào)并存儲(chǔ)為數(shù)據(jù)文件,反復(fù)重現(xiàn)實(shí)際射頻信號(hào)環(huán)境,以對(duì)GNSS接收機(jī)進(jìn)行測(cè)試,還可以對(duì)接收機(jī)算法進(jìn)行比較、驗(yàn)證。隨著我國(guó)北斗系統(tǒng)的發(fā)展,教學(xué)科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠商對(duì)多頻多模GNSS接收機(jī)的研究力度越來(lái)越大,多頻多模GNSS射頻信號(hào)錄放裝置的需求很強(qiáng)。而目前的GNSS射頻信號(hào)錄制與重放裝置一般分為兩類,一類是單頻單模,其價(jià)格較低,但是已經(jīng)無(wú)法滿足目前GPS/北斗等多星座多頻點(diǎn)的接收機(jī)測(cè)試需要。另一類是多頻多模GNSS信號(hào)錄制與播放裝置,其主要結(jié)構(gòu)采用的是多個(gè)ADC同步采集錄制方式或者高速、高帶寬ADC采集方式,前者需要解決同步問(wèn)題,同步不良會(huì)造成多個(gè)信號(hào)之間時(shí)間錯(cuò)位,信號(hào)無(wú)法完整回放;而后者的成本高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本文中提出的多頻多模GNSS射頻信號(hào)錄放裝置具有成本低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),適合一般的科學(xué)研究、生產(chǎn)測(cè)試、教學(xué)實(shí)驗(yàn)等應(yīng)用。

1 原理與設(shè)計(jì)

目前的GNSS主要包括北斗(BDS)、GPS、GLONASS、伽利略(Galileo)、QZSS和IRNSS。GPS系統(tǒng)的應(yīng)用較廣,而BDS系統(tǒng)的前景更加引人關(guān)注。因此本裝置主要針對(duì)GPS和BDS系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

而民用GPS信號(hào)又包含L1,L2,L5三個(gè)頻點(diǎn),BDS的被動(dòng)定位系統(tǒng)也包含B1,B2,B3三個(gè)頻點(diǎn)。在這幾個(gè)頻點(diǎn)中,目前應(yīng)用較廣的主要是GPS的L1和L2與BDS的B1。因此本文的設(shè)計(jì)目的也就是對(duì)GPS L1/L2和BDS B1進(jìn)行錄制與回放。表1示出了這三個(gè)信號(hào)的中心頻率、信號(hào)帶寬、民用接收機(jī)通常的帶寬。

表1 常用GNSS信號(hào)特征表

可見,三個(gè)頻段覆蓋的帶寬已經(jīng)超過(guò)350 MHz,如果采用一般的直接采樣的形式,則對(duì)器件的要求是相當(dāng)高的,相應(yīng)的成本也很高。

在研究三個(gè)頻段的關(guān)系后,可以知道這三個(gè)頻段并非是連續(xù)的,其有效總帶寬只有26 MHz,中間的300多MHz實(shí)際上并不需要,另外一個(gè)事實(shí)是,由于GPS和北斗系統(tǒng)均使用了CDMA編碼系統(tǒng),即使在頻譜邊緣部分有少部分重疊,對(duì)信號(hào)接收的影響也有限。因此提出了如下變頻法壓縮帶寬的方法。

通過(guò)混頻器將信號(hào)進(jìn)行變頻處理是無(wú)線電技術(shù)中的一種常用手段,通常變頻的目的是將頻譜變換到一個(gè)中頻(一次變頻)或幾個(gè)中頻上(多次變頻),以避免放大器引起自激同時(shí)方便設(shè)計(jì)放大器和濾波器,而此處利用變頻時(shí)會(huì)產(chǎn)生和頻和差頻兩個(gè)混頻結(jié)果(即鏡像)的現(xiàn)象,在信號(hào)錄制與回放的時(shí)候使用了不同的和頻信號(hào)與差頻信號(hào),對(duì)于不同頻點(diǎn)的信號(hào),分別采用和頻與差頻信號(hào),從而充分利用鏡像信號(hào),在信號(hào)錄制過(guò)程中,通過(guò)變頻壓縮帶寬,在信號(hào)回放的時(shí)候,通過(guò)變頻擴(kuò)展帶寬,降低了器件要求和系統(tǒng)復(fù)雜程度,同時(shí)降低了成本。

設(shè)本振頻率為flo,L1,L2,B1的中心頻率分別為fL1,fL2,fB1,且flo

和頻:

f1=fL1+flo=1575.42+flo;

f2=fL2+flo=1227.6+flo;

f3=fB1+flo=1561.098+flo；

差頻:

f4=fL1-flo=1575.42-flo;

f5=fL2-flo=1227.6-flo;

f6=fB1-flo=1561.098-flo.

只要選擇合適的flo,就可以在以上產(chǎn)生的6個(gè)混頻信號(hào)中,得到3個(gè)頻率間距足夠小的信號(hào)。為了縮短三個(gè)頻點(diǎn)的間距,應(yīng)選擇一個(gè)和頻f2即1 227.6+flo和兩個(gè)差頻f4即1 575.42-flo、f6即1 561.098-flo.而此時(shí)的總帶寬縮至:

f4-f2+1+10=358.82-2flo

上式中1和10分別為L(zhǎng)1和L2的有效帶寬的一半。

在回放的時(shí)候,再次將這三個(gè)頻點(diǎn)(f2、f4、f6)的信號(hào)與flo混頻,從而將信號(hào)還原。此時(shí)混頻得到的信號(hào)也有6個(gè):

和頻:

f7=f2+flo=1227.6+flo+flo

=1227.6+2flo;

f8=f4+flo=1575.42-flo+flo

=1575.42MHz;

f9=f6+flo=1561.098-flo+flo

=1561.098MHz

差頻:

f10=f2-flo=1227.6+flo-flo=1227.6;

f11=f4-flo=1575.42-flo-flo

=1575.42 MHz-2flo；

f12=f6-flo=1561.098-flo-flo

=1561.098 MHz-2flo.

可見,和頻f8、f9與差頻f10正是需要的fL1,fL2,fB1,此外還有三個(gè)多余的鏡像信號(hào)。為了降低帶寬要求的同時(shí)保證信號(hào)錄制和回放質(zhì)量,需要選擇flo,使得滿足以下三個(gè)條件:

1)f1、f2、f3、f4、f5、f6之間的間距減小,使得帶寬減小;

2)f1、f2、f3、f4、f5、f6之間盡量避免頻譜重疊;

3)f7、f8、f9、f10、f11、f12之間盡量避免頻譜重疊。

由于(L1+L2)/2約為174 MHz,因此可以選擇flo在174 MHz附近。flo越接近174 MHz,則第一個(gè)條件越容易滿足,而第二和第三個(gè)條件越不容易滿足。flo離174 MHz越遠(yuǎn),則第二和第三個(gè)條件越容易滿足,但第一個(gè)條件越不容易滿足。因此在錄制和回放器件和設(shè)備帶寬允許的情況下,flo應(yīng)盡量離174 MHz遠(yuǎn)一些。例如當(dāng)選用的錄制和回放設(shè)備帶寬為40 MHz的時(shí)候,可以選擇flo=160 MHz,此時(shí)的頻譜示意圖如圖1,圖1上圖是本來(lái)的信號(hào),中間的虛線部分代表的帶寬約為350 MHz;圖1中間圖是經(jīng)過(guò)混頻后的信號(hào),f2=1 387.6 MHz,f4=1 415.42 MHz,f6=1 401.098 MHz,總帶寬縮至38.82 MHz,中間的虛線部分被擠掉,只保留有效頻譜,可以看到此時(shí)滿足f1、f2、f3、f4、f5、f6之間無(wú)頻譜重疊(f1、f3、f5已經(jīng)在帶外);圖1下圖是回放的信號(hào),其中點(diǎn)劃線是無(wú)用的鏡像信號(hào),f7、f8、f9、f10、f11、f12之間也無(wú)頻譜重疊,滿足三個(gè)條件的要求。再例如,當(dāng)所選用的錄制和回放設(shè)備帶寬為20 MHz的時(shí)候,可以選擇flo=170 MHz,此時(shí),f2=1 397.6 MHz,f4=1 405.42 MHz,f6=1 391.098 MHz,總帶寬縮至18.82 MHz,此時(shí)的頻譜示意圖如圖2所示,由于帶寬已經(jīng)壓縮至小于26 MHz的有效帶寬,因此在圖2中間圖中可以看到,f2、f6之間略有頻譜重疊;在圖2下圖中可以看到f7與f9,f10與f11之間也略有頻譜重疊,此時(shí)對(duì)信號(hào)會(huì)有損失,而且信號(hào)之間也有干擾。

通過(guò)變頻,選擇合適的和頻域差頻將有效帶寬縮窄后,即可進(jìn)行數(shù)據(jù)錄制。這里采取了一種簡(jiǎn)便的方案進(jìn)行采樣錄制,即使用現(xiàn)有的低成本SDR平臺(tái)來(lái)完成。表2是目前市面上流行的幾種SDR平臺(tái)的主要特征:

表2 常見SDR主要特性表

可見,當(dāng)采用 174 MHz的本振的時(shí)候,用Ettus的B200/B210或者BladeRFX40以及LimeSDR均可以完成采樣錄制的工作。而當(dāng)采用170 MHz的本振的時(shí)候,即使用最廉價(jià)的HackRF ONE平臺(tái)即可完成采樣錄制工作。從成本來(lái)說(shuō),Hackrf ONE與BladeRF x40更有優(yōu)勢(shì)。

本振頻率選定后,即可選定相關(guān)器件搭建信號(hào)錄制與回放設(shè)備。

2 具體實(shí)現(xiàn)

圖3是根據(jù)以上原理搭建的L1/L2/B1三頻GNSS信號(hào)錄制與回放設(shè)備示意圖,其中圖3(a)中SDR KIT 使用Hackrf ONE,圖3(b)中SDR KIT使用的是BladeRF x40.

設(shè)備由接收天線ANT RX,低噪聲放大器LNA,射頻開關(guān)RF SWITCH,混頻器MIXER,本振Local OSC,濾波器FILTER,外部參考時(shí)鐘EXT REF CLOCK,SDR平臺(tái) SDR KIT,控制和存儲(chǔ)電腦COMPUTER,I/O擴(kuò)展器I/O EXT BOX,程控可調(diào)衰減器ATT,以及發(fā)射天線ANT TX構(gòu)成。

接收天線選用至少能夠接收GPS L1/L2以及北斗B1的有源天線,增益30 dB左右,用于接收這三個(gè)頻點(diǎn)的信號(hào)。

低噪聲放大器選用通用的微波低噪聲放大器,有效頻段在1 200 MHz到1 600 MHz,增益25 dB左右?？梢允褂枚嗉?jí)微波三極管自行設(shè)計(jì)搭建或者選用現(xiàn)成的放大器模塊,此處使用ZX60-P162LN+.

射頻開關(guān)采用單刀雙擲射頻開關(guān)ZX80-DR230+,用以進(jìn)行錄制和回放的功能切換。

混頻器采用寬頻高性能混頻器ADE-35 MH.

本振采用溫補(bǔ)晶體振蕩器,振蕩頻率170 MHz.

濾波器FILTER 1采用VBFZ-1400+,濾波器FILTER2采用三個(gè)不同頻段的濾波器CBP-1228C+,BFCN-1575+,BFCN-1560+組合完成。嚴(yán)格來(lái)說(shuō),FILTER2的參數(shù)并不完美,但是仍能對(duì)信號(hào)質(zhì)量有一定的提高。

在研制過(guò)程中,SDR平臺(tái)分別選用了Blade RF x40和Hackrf ONE進(jìn)行了對(duì)比,Hackrf ONE成本低,完全開源,便于開發(fā)。但其選用的時(shí)鐘性能較差,頻率不穩(wěn)定而且相位噪聲偏大,無(wú)法保證整體性能,因此必須配合溫補(bǔ)時(shí)鐘,一個(gè)頻率為10 MHz通用TCXO。如果成本許可,也可以用更高性能的OCXO或者原子鐘代替。另外,Hackrf ONE是半雙工設(shè)備,而且只有一個(gè)RF口,兼做接收與發(fā)射,因此必須通過(guò)射頻開關(guān)來(lái)進(jìn)行切換。當(dāng)采用BladeRF x40的時(shí)候,由于其為全雙工設(shè)備,射頻開關(guān)RF SWITCH 3可以省去。

控制和存儲(chǔ)電腦上編寫相應(yīng)的程序,用以控制SDR平臺(tái)的操作,并存儲(chǔ)錄制的信號(hào),同時(shí)還需要通過(guò)I/O擴(kuò)展器控制射頻開關(guān)進(jìn)行錄制和回放功能的切換以及控制程控衰減器,以調(diào)節(jié)回放信號(hào)的強(qiáng)度。由于數(shù)據(jù)吞吐量較大,計(jì)算機(jī)應(yīng)使用固態(tài)硬盤,并具有USB 3.0接口。

如果要避免信號(hào)回放的時(shí)候?qū)ζ渌O(shè)備造成干擾,則應(yīng)采用電纜耦合的方式,不要將信號(hào)送至發(fā)射天線。

I/O擴(kuò)展盒由單片機(jī)ATMEGA 128與UART-USB接口轉(zhuǎn)換芯片F(xiàn)DTI FT232R構(gòu)成,兩者配合完成接受電腦的指令,以控制射頻開關(guān)以及衰減器。

以Hackrf ONE為例,設(shè)備的工作狀況如下:

在信號(hào)錄制期間,電腦通過(guò)I/O擴(kuò)展器控制射頻開關(guān),使得這三個(gè)開關(guān)均位于1通路,從而低噪聲放大器的輸出端與混頻器的RF輸入端連接,混頻器的IF端與濾波器的輸入端連接,混頻器的輸出端與Hackrf ONE的RF端連接。

接收天線將GPS L1/L2和北斗B1的信號(hào)接收以后進(jìn)行濾波、放大,然后送至低噪聲放大器進(jìn)行放大,再經(jīng)過(guò)射頻開關(guān)RF SWITCH 1送至混頻器的RF端,混頻器將此信號(hào)與LO端來(lái)自本振的頻率為170 MHz的本振信號(hào)進(jìn)行混頻,混頻結(jié)果為:

L1: 1 405.42 MHz

L2: 1 397.6 MHz

B1: 1 391.098 MHz

同時(shí)還有三個(gè)鏡像信號(hào):

1 745.42 MHz,1 057.6 MHz,1 731.098 MHz可見,經(jīng)過(guò)混頻,L1,L2,B1三個(gè)頻點(diǎn)的相對(duì)關(guān)系發(fā)生了變化,本來(lái)是L2,B1,L1呈頻率遞增關(guān)系的,混頻后,L2位于中間,L1和B1分別落在L2的兩邊,頻率中心間距分別為7.82 MHz和6.502 MHz.這種分布更有利于均衡分配三個(gè)頻點(diǎn)的損失,減少它們之間的影響。

三個(gè)鏡像信號(hào)在本系統(tǒng)中屬于無(wú)用信號(hào),在采樣的時(shí)候會(huì)被丟棄。

混頻后的信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻開關(guān)RFSWITCH2進(jìn)入濾波器,允許通過(guò)的信號(hào)只有以1 400 MHz為中心,帶寬為20 MHz的信號(hào),即以1 405.42 MHz,1 397.6 MHz以及1 391.098 MHz為中心的三個(gè)信號(hào)。而鏡像信號(hào)(以1 745.42 MHz,1 057.6 MHz,1 731.098 MHz為中心的三個(gè)信號(hào))在此被濾除。

經(jīng)過(guò)濾波后的信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻開關(guān)RFSWTICH3,送入HackRF ONE的RF端,由電腦控制 HackRF ONE對(duì)其進(jìn)行采樣存儲(chǔ),采樣參數(shù)設(shè)置為中心頻率1 397.6 MHz,采樣位寬8比特,采樣率為20 MSPS,采樣方式為IQ正交。采樣文件經(jīng)過(guò)USB總線送至電腦進(jìn)行存儲(chǔ)。

在信號(hào)回放期間,電腦通過(guò)I/O擴(kuò)展器控制射頻開關(guān),使得這三個(gè)射頻開關(guān)均位于2通路,從而 HackRF ONE的RF端與混頻器的RF輸入端連接,混頻器的IF輸出端與濾波器FILTER 2的輸入端連接。然后電腦將錄制期間得到的采樣文件送至HackRF ONE進(jìn)行回放,回放的參數(shù)與錄制的參數(shù)一致,也是中心頻率1 397.6 MHz,位寬8 bit,采樣率為20 MSPS.則在HackRF ONE的RF輸出端得到的射頻信號(hào)中,包含了中心頻率分別為1 405.42 MHz,1 397.6 MHz和1 391.098 MHz的三個(gè)信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻開關(guān)送至混頻器的RF輸入端,與來(lái)自本振的170 MHz本振信號(hào)混頻,得到還原后的1 575.42 MHz,1 227.6 MHz、1 561.098 MHz三個(gè)信號(hào),同時(shí)還有三個(gè)鏡像信號(hào):1 235.42 MHz,1 567.6 MHz,1 221.098 MHz,這些信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻開關(guān),送至濾波器,經(jīng)過(guò)濾波后,1 235.42 MHz,1 567.6 MHz,1 221.098三個(gè)不需要的鏡像幅度得以降低。濾波后的信號(hào)送至可調(diào)衰減器,由電腦通過(guò)I/O擴(kuò)展器控制可調(diào)衰減器的衰減幅度,以得到合適的信號(hào)強(qiáng)度,最后送至發(fā)射天線。至此,錄制的信號(hào)得以還原。

圖4是在研制過(guò)程中該設(shè)備的原型機(jī)圖。該原型機(jī)采用了BladeRF作為錄放設(shè)備,為了做多個(gè)接收機(jī)同時(shí)測(cè)試的實(shí)驗(yàn),輸出端采用了1分4射頻功率分配器,大約相當(dāng)于在鏈路中接入了6 dB的衰減器。

3 性能評(píng)估測(cè)試

為驗(yàn)證本GNSS信號(hào)錄制與回放設(shè)備的性能,用以下方法對(duì)設(shè)備進(jìn)行基本測(cè)試:

1) 用功率分配器將GNSS接收天線接收來(lái)的真實(shí)GNSS信號(hào)分成兩路,一路給GNSS接收機(jī),另一路給本設(shè)備;

2) 觀察接收機(jī)的接收情況,同時(shí)打開接收機(jī)的數(shù)據(jù)記錄功能,進(jìn)行定位數(shù)據(jù)以及星座信息的記錄;

3) 則啟動(dòng)本設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,錄制信號(hào),并保持10分鐘;

4) 斷開GNSS接收天線,冷啟動(dòng)GNSS接收機(jī);

5) 將本設(shè)備的輸出接到GNSS接收機(jī)上,進(jìn)行信號(hào)的回放,再次記錄GNSS接收機(jī)的定位數(shù)據(jù)以及星座信息;

6) 反復(fù)進(jìn)行步驟5)對(duì)比結(jié)果。

測(cè)試結(jié)果如下:

1) BladeRF x40記錄的文件大小為96 GB,L1/L2/B1信號(hào)均可以被接收機(jī)迅速捕獲跟蹤并進(jìn)入定位過(guò)程,對(duì)比步驟2)中得到的數(shù)據(jù)記錄,除了信號(hào)強(qiáng)度有差別外,其余星座分布、定位信息、多普勒值等均一致(定位結(jié)果符合單點(diǎn)定位的誤差范圍)。

2) HackRF ONE記錄的文件大小為24 GB,L1/B1信號(hào)均可以被接收機(jī)迅速捕獲跟蹤并進(jìn)入定位過(guò)程,對(duì)比步驟2)中得到的數(shù)據(jù)記錄,除了信號(hào)強(qiáng)度有差別外,其余星座分布、定位信息、多普勒值等均一致(定位結(jié)果符合單點(diǎn)定位的誤差范圍)。L2信號(hào)跟蹤過(guò)程不理想,跟蹤較為困難,而且有丟失現(xiàn)象。

3) 經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn),結(jié)果一致性很好,達(dá)到實(shí)用性要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文中設(shè)計(jì)的GNSS信號(hào)錄制設(shè)備,通過(guò)合理巧妙地利用變頻產(chǎn)生的和頻與差頻信號(hào),具備成本低廉,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能穩(wěn)定的特點(diǎn),可以滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)、接收機(jī)研發(fā)與生產(chǎn)、算法驗(yàn)證等多種場(chǎng)合的需求,而且設(shè)備基于SDR平臺(tái),其軟硬件都比較透明,適合用于教學(xué)演示,方便進(jìn)行功能擴(kuò)展。通過(guò)測(cè)試可以知道,當(dāng)使用BladeRF x40作為采集回放設(shè)備的時(shí)候,效果較好,但是成本略高;當(dāng)采用HackRF ONE作為采集回放設(shè)備的時(shí)候,L1/B1兩個(gè)頻點(diǎn)工作完全正常,但并不太適合L2的錄制回放,原因是頻譜間的重疊、帶內(nèi)損耗不平坦以及時(shí)鐘性能受限,但其優(yōu)點(diǎn)是成本低廉。相對(duì)于現(xiàn)在市場(chǎng)上動(dòng)輒數(shù)百萬(wàn)的同類設(shè)備,采用本文實(shí)現(xiàn)的GNSS信號(hào)錄制與回放設(shè)備的成本大約降低到原來(lái)的幾十分之一,經(jīng)過(guò)在本學(xué)院教學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用以及本地一家GNSS設(shè)備研發(fā)制造單位測(cè)試使用,效果良好。當(dāng)前設(shè)備存在的最大問(wèn)題,是采集的數(shù)據(jù)文件都比較大,這樣對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的要求就會(huì)過(guò)于苛刻,容易造成信號(hào)不連續(xù)。由于GNSS信號(hào)實(shí)際上并不需要如此寬的位寬進(jìn)行采集存儲(chǔ),太寬的位寬增加了成本和資源消耗,而對(duì)于性能的提高有限[1],因此,可通過(guò)減小位寬來(lái)解決,另一方面,當(dāng)采用HackRF ONE作為采集回放設(shè)備的時(shí)候,如果是一般的民用,可以直接取消L2頻段,這樣帶寬可以更窄,采樣率也可以隨之降低。例如使用BladeRF x40作為采集回放設(shè)備的時(shí)候,如果采用2 bits進(jìn)行記錄,數(shù)據(jù)量將減少到原來(lái)的1/8;而如果使用HackRF ONE,僅采集回放L1/B1,則可以將帶寬縮至6 MHz甚至更低,再將位寬減少到2 bits,則數(shù)據(jù)量減少到不及原來(lái)的1/12,即每秒大約3.33 MB,10 min的數(shù)據(jù)量大約為2 GB.這樣一來(lái),將更有助于實(shí)用化。