一種GNSS中頻信號模擬器的設(shè)計與硬件實現(xiàn)*

朱正鵬 熊 焱 朱旭鋒 王苑瑾 楊文良

北京航天自動控制研究所，北京100854

0 引言

隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的全面建設(shè)，世界各國都將研制可同時提供美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo和我國北斗導(dǎo)航信號的多系統(tǒng)多體制的模擬器技術(shù)提上日程。GNSS中頻信號模擬器可以根據(jù)設(shè)置的載體運動狀態(tài)、導(dǎo)航衛(wèi)星狀態(tài)、信號傳播環(huán)境等，精確產(chǎn)生GNSS中頻信號，是導(dǎo)航系統(tǒng)仿真驗證與測試評定系統(tǒng)的重要組成部分，與衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(軟件接收機)等一起實現(xiàn)對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號體制和信號接收方法及性能的驗證，為后續(xù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的論證和發(fā)展提供研究和試驗平臺[1]。

目前國內(nèi)外研制的中頻信號模擬器主要有3種：軟件模擬器、采集回放模擬器和硬件模擬器。軟件模擬器主要基于Matlab等軟件平臺開發(fā)實現(xiàn)，該方法精度高、成本低、易于實現(xiàn)，但需要提前生成信號，無法實時應(yīng)用。采集回放模擬器基于實際衛(wèi)星導(dǎo)航信號采集并存儲，在應(yīng)用時回放數(shù)據(jù)。該方法可以模擬真實環(huán)境導(dǎo)航信號，但應(yīng)用靈活性差。硬件模擬器由上位機軟件和導(dǎo)航信號生成硬件板卡構(gòu)成，導(dǎo)航信號參數(shù)由上位機軟件計算生成，信號調(diào)制由硬件板卡實現(xiàn)，該方法精度高、可以實時模擬各類動態(tài)場景，但是技術(shù)復(fù)雜，實現(xiàn)難度高[2]。

本文采用軟件無線電架構(gòu)方法，研制了一種GNSS中頻信號硬件模擬器，配合基帶數(shù)據(jù)生成設(shè)備及射頻前端電路可模擬產(chǎn)生實際GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號，為導(dǎo)航接收機的調(diào)試和測試提供一種能夠再現(xiàn)的、可控的仿真信號源，也可以用于系統(tǒng)級仿真試驗，支持不同動態(tài)情況對導(dǎo)航信號接收和信息處理的影響分析，對于我國自主研發(fā)導(dǎo)航信號體制的驗證有著非常重要的現(xiàn)實意義。

1 中頻信號生成數(shù)學(xué)模型

不同GNSS系統(tǒng)播發(fā)的信號調(diào)制模式各不相同，對于目前常用的DSSS(直接序列擴頻)+UQPSK(非均衡四相相移鍵控)調(diào)制，信號的數(shù)學(xué)模型由同相I和正交Q兩路組成，如式(1)和式(2)所示[3]。

SI(t)=ACC(t-τ)D(t-τ)cos[(ωIF+ωd)t+
φ(t)]-APP(t-τ)G(t-τ)sin[(ωIF+
ωd)t+φ(t)]

(1)

SQ(t)=ACC(t-τ)D(t-τ)sin[(ωIF+ωd)t+
φ(t)]+APP(t-τ)G(t-τ)cos[(ωIF+
ωd)t+φ(t)]

(2)

式(1)和式(2)中，C為普通測距碼，P為精密測距碼，AC、AP分別為對應(yīng)C碼和P碼的信號強度，D為C碼導(dǎo)航電文，G為P碼導(dǎo)航電文，τ為偽碼延時，ωIF為中頻信號的中心頻率，ωd為載波的多普勒頻移，φ(t)為載波相位。

模擬器產(chǎn)生的射頻信號數(shù)學(xué)模型：

(3)

式(3)中，PI、PQ分別為到達天線的射頻信號中I支路和Q支路信號功率。ωRF為衛(wèi)星發(fā)射信號的中心頻率，其余參數(shù)含義與式(1)和式(2)相同。

對于GPS L1信號，式(1)～(3)式中的AP、PQ均為0。

式(1)～(3)為單顆衛(wèi)星的信號，模擬器輸出的中頻和射頻信號是模擬所有可見衛(wèi)星產(chǎn)生的信號之和：

(4)

(5)

(6)

式(4)～(6)中，式(4)和式(5)分別為模擬器I路和Q路中頻模擬信號，式(6)為射頻模擬信號，N代表可見衛(wèi)星總數(shù)。

“對此，我們經(jīng)常有一個誤區(qū)，是做推拿和按摩。因為腰椎管狹窄癥最主要的始發(fā)因素是腰肌勞損，所以有些患者可能進行推拿按摩以后感覺到局部舒服一點，但恰恰腰椎不穩(wěn)定以及黃韌帶肥厚和增生或者腰椎滑脫的病人在推拿和按摩的過程中，這種不穩(wěn)定的因素會加劇，反而會增加這種疼痛和癥狀，所以我們一般不主張推拿和按摩。還有一個誤區(qū)，就是補鈣。因為大家想著，腰椎管狹窄癥是不是骨頭發(fā)生病變了？骨頭發(fā)生變化一般就是骨質(zhì)疏松，那就需要補鈣，但補鈣對腰椎管狹窄癥并沒有直接的作用?！?/p>

2 信號調(diào)制方案及仿真實現(xiàn)

按照上節(jié)數(shù)學(xué)表達式可以實現(xiàn)一種模擬器中頻調(diào)制方案，如圖1所示。該調(diào)制方案首先產(chǎn)生單顆衛(wèi)星的數(shù)字中頻信號，然后所有可見衛(wèi)星的中頻信號合為一路輸出，再通過數(shù)字上變頻，數(shù)模轉(zhuǎn)換，低通濾波后輸出I、Q兩路模擬中頻信號，最后經(jīng)過正交上變頻成為實際射頻信號[4]。

圖1 模擬中頻信號產(chǎn)生模型

2.1 單通道信號調(diào)制

模擬器首先產(chǎn)生的是單顆衛(wèi)星的I、Q兩路數(shù)字中頻信號，各顆衛(wèi)星的信號產(chǎn)生結(jié)構(gòu)相同，衛(wèi)星信號參數(shù)由各個寄存器中的數(shù)值控制。單顆衛(wèi)星信號產(chǎn)生結(jié)構(gòu)如圖2所示，由控制寄存器、碼NCO、碼發(fā)生器、歷元計數(shù)器、擴頻調(diào)制器、乘法器、載波NCO和正交調(diào)制器組成[5]。

圖2 信號產(chǎn)生通道結(jié)構(gòu)

碼NCO：在系統(tǒng)時鐘驅(qū)動下對碼頻率控制字進行累加，累加器溢出時，產(chǎn)生持續(xù)一個系統(tǒng)時鐘周期的碼時鐘，用于驅(qū)動碼發(fā)生器和歷元計數(shù)器。

C碼發(fā)生器：由移位反饋寄存器組成，在碼時鐘的驅(qū)動下產(chǎn)生偽隨機碼，可根據(jù)衛(wèi)星ID控制字改變反饋抽頭或移位寄存器初始相位。

歷元計數(shù)器：對碼時鐘進行計數(shù)，在計數(shù)滿一個碼周期時計數(shù)器清0，同時產(chǎn)生導(dǎo)航電文移位時鐘。

擴頻調(diào)制器：將偽隨機碼與導(dǎo)航電文進行異或運算后輸出。

乘法器：控制I、Q兩路信號的幅度。

載波NCO：產(chǎn)生兩路互相正交的數(shù)字載波。

正交調(diào)制器：將基帶數(shù)據(jù)調(diào)制到兩路正交數(shù)字載波上。

2.2 數(shù)字信號合路

模擬器可同時模擬產(chǎn)生12顆導(dǎo)航衛(wèi)星信號，信號數(shù)字合成部分相應(yīng)的有12個信號通道，每個通道產(chǎn)生對應(yīng)某顆衛(wèi)星的I、Q兩路數(shù)字中頻信號。將這些相互獨立的數(shù)字中頻信號相加，并調(diào)整信號的幅度和位寬，形成單路輸出，這就是數(shù)字信號合路，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。信號通道產(chǎn)生的I、Q兩路信號需要各自分別合路，故實際上存在2個圖3所示的合路模塊，分別完成I、Q兩路信號的合路。

圖3中對于12路信號的相加，采用了加法器進行逐級相加的方案。每進行一次加法運算，數(shù)據(jù)位寬需要增加一位，以避免數(shù)據(jù)溢出。單個信號通道的輸出數(shù)據(jù)的位寬是16，四次相加之后數(shù)據(jù)位寬為20。一般情況下，可見衛(wèi)星數(shù)小于12，此時沒有產(chǎn)生可見衛(wèi)星信號的信號通道輸出為0。為使信號合路輸出幅度不隨可見衛(wèi)星數(shù)變化而改變，模塊將各通道相加的結(jié)果乘以幅度控制字來進行調(diào)整。幅度控制字的位寬為16，與通道相加之和相乘后數(shù)據(jù)位寬為36。根據(jù)后端D/A轉(zhuǎn)換器位寬限制，通道合路的結(jié)果取16位寬度。

2.3 數(shù)字上變頻

在FPGA中采用直接數(shù)字合成技術(shù)(DDS)產(chǎn)生數(shù)字載波以實現(xiàn)對模擬器載波多普勒的動態(tài)模擬。FPGA主時鐘為90MHz，若使用DDS直接產(chǎn)生46MHz左右的中頻載波，會在后端D/A轉(zhuǎn)換器輸出的信號中產(chǎn)生較大的雜散分量,不利于高質(zhì)量信號的產(chǎn)生。本文采用低中頻和I,Q正交調(diào)制方案可以使中頻載波頻率不受信號帶寬限制，避免信號產(chǎn)生頻譜混疊。以I、Q兩路輸出的模擬中頻信號可在射頻電路部分進行正交上變頻，這種方案可有效抑制鏡像頻譜的產(chǎn)生，降低對射頻信號濾波器的設(shè)計要求，而且使得不同載頻的信號在變頻方案上能夠統(tǒng)一。

圖3 數(shù)字合路模塊

為產(chǎn)生規(guī)定頻點上的中頻信號并減少信號頻譜中的雜散分量，本文采取兩次數(shù)字正交調(diào)制的方法將基帶信號頻譜搬移到規(guī)定的頻點上。

如圖4所示的信號產(chǎn)生通道中的正交調(diào)制器將基帶信號調(diào)制到頻率較低(1.4MHz左右)的載波上，通過改變該載波的頻率以模擬衛(wèi)星信號的多普勒頻移。合路后的I、Q兩路數(shù)字中頻信號由FPGA輸出給專用D/A上變頻芯片，將信號頻譜搬移到所設(shè)定的更高的中頻頻點(46MHz左右)上。

圖4 數(shù)字上變頻實現(xiàn)方式

圖4模擬器產(chǎn)生的I、Q兩路模擬中頻信號經(jīng)過模擬上變頻，帶通濾波，增益控制、衰減網(wǎng)絡(luò)后輸出射頻信號，該信號用于模擬到達接收機天線端的衛(wèi)星信號。

圖5 模擬器射頻前端電路結(jié)構(gòu)

2.4 信號仿真實現(xiàn)

單顆衛(wèi)星(GPS)I、Q兩路中頻信號仿真結(jié)果如下圖6所示，圖示波形從上至下分別為：系統(tǒng)時鐘、CA碼時鐘，CA碼、I路歷元計數(shù)、I路導(dǎo)航電文、I路基帶數(shù)據(jù)、同相載波、正交載波、I路中頻信號、Q路中頻信號。

數(shù)字信號合路是將多個衛(wèi)星信號通道的I、Q數(shù)字中頻信號分別相加再輸出。圖7顯示4個信號通道相加的仿真結(jié)果。從上至下為：1至4信號通道的I路信號，合路后I路信號，1至4信號通道的Q路信號，合路后Q路信號。

3 硬件實現(xiàn)

如圖8所示，模擬器通過RS232高速串口接收上位機發(fā)送的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，DSP根據(jù)這些觀測數(shù)據(jù)計算出特定時刻的衛(wèi)星信號狀態(tài)，生成信號狀態(tài)控制字，存儲在FIFO中，F(xiàn)PGA每隔20ms從FIFO讀取1次控制字，存儲在內(nèi)部的狀態(tài)控制寄存器中，F(xiàn)PGA內(nèi)部的數(shù)字波形合成模塊每隔20ms從狀態(tài)寄存器中加載控制字，產(chǎn)生I、Q兩路數(shù)字中頻信號，作為數(shù)字上變頻芯片的輸入，進行數(shù)字正交上變頻，輸出仍為I、Q兩路數(shù)字中頻信號，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生I、Q兩路模擬中頻信號，最后經(jīng)低通濾波后作為模擬器的模擬中頻信號輸出。模擬器的模擬中頻信號經(jīng)過射頻前端電路，進行正交上變頻、帶通濾波、增益控制、功率衰減后，作為模擬器的射頻信號輸出。

圖6 單顆衛(wèi)星(GPS)I、Q兩路中頻信號仿真結(jié)果

圖7 四通道中頻信號合路仿真結(jié)果

圖8 模擬器實現(xiàn)框圖

DSP芯片用于根據(jù)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)計算相應(yīng)的衛(wèi)星信號狀態(tài)控制字，選用國產(chǎn)化DSP芯片F(xiàn)T-C6713J/400。FPGA接收DSP衛(wèi)星信號狀態(tài)控制字，產(chǎn)生數(shù)字中頻信號，選用XC7K410T-1FFG900I(配置芯片選擇N25Q128A13ESE40)。D/A轉(zhuǎn)換模塊同時實現(xiàn)數(shù)字上變頻和數(shù)模轉(zhuǎn)換，選用AD公司的AD9777，模擬器使用2片AD9777，可同時模擬2種體制的導(dǎo)航衛(wèi)星信號。

3.1 工作流程

FPGA內(nèi)部狀態(tài)機每隔1s向上位機軟件發(fā)出1次請求指令。上位機軟件檢測到該指令后通過RS232串口向DSP外接SDRAM發(fā)送衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)。DSP根據(jù)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)計算出信號狀態(tài)控制字，寫入FPGA內(nèi)部FIFO，并在所有控制字寫入完畢后通知FPGA。在下一個1s計時脈沖來臨前，F(xiàn)IFO中的信號狀態(tài)控制字被FPGA內(nèi)部模塊讀出并寫入到狀態(tài)控制寄存器中，信號狀態(tài)控制字每隔20ms就從FIFO讀出，加載到FPGA內(nèi)部的數(shù)字波形合成模塊[6]。

信號狀態(tài)控制字中的導(dǎo)航電文由DSP計算產(chǎn)生并按電文幀格式組織通過EMIF總線并行發(fā)送到FPGA的FIFO中。而FPGA數(shù)字波形合成模塊讀取導(dǎo)航電文是按比特以50Hz導(dǎo)航電文速率進行。如圖9所示，為保證信號狀態(tài)控制字及導(dǎo)航電文實時更新，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無縫處理，模擬器采用2個FIFO構(gòu)成乒乓結(jié)構(gòu)，通過輸入輸出選擇模塊，控制2個FIFO交替讀寫。

圖9 雙FIFO訪問時序

3.2 信號測試

模擬器的測試包括中頻信號測試和射頻信號測試。在中頻測試階段，通過觀察信號的波形和頻譜來驗證數(shù)字上變頻過程，輸出I、Q信號的幅度一致性和相位正交性。圖10為模擬器輸出單通道I、Q兩路正交載波波形及頻譜。圖11為模擬器輸出4通道合路信號波形及頻譜。

圖10 模擬器輸出兩路正交載波

圖11 模擬器輸出4通道合路中頻信號

模擬器輸出的GPS中頻信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集存儲后，截取其中的1ms數(shù)據(jù)用Matlab進行FFT捕獲，捕獲結(jié)果如圖12所示，從圖中可以看出捕獲結(jié)果的主峰、邊峰以及底噪的影響。

圖12 GPS信號FFT捕獲結(jié)果圖

用GPS接收機驗證本文模擬器射頻信號得到定位結(jié)果如圖13所示。接收機顯示UTC時刻為00:08:39，03/31/2018，可見星為3、5、6、7、10、27號星，定位結(jié)果為22.315265E，0.000011N，高度98.7m。上述接收機定位結(jié)果與模擬器設(shè)定的參數(shù)相符。

圖13 接收機定位結(jié)果圖

4 結(jié)論

GNSS中頻信號模擬器在FPGA中實現(xiàn)數(shù)字波形合成，使用專用芯片完成數(shù)字上變頻，利用DSP計算各信號狀態(tài)，通過RS232高速總線實現(xiàn)與上位機軟件之間的數(shù)據(jù)傳輸。通過對模擬器輸出信號的觀測和信號采集捕獲的結(jié)果分析，該模擬器可以滿足測試GNSS信號接收機的捕獲、跟蹤以及定位性能的需求。本文所采用的基于軟件無線電的平臺架構(gòu)能夠兼容多個GNSS系統(tǒng)、多種信號結(jié)構(gòu)形式，為我國新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供了驗證和評估手段。