GNSS衛(wèi)星信號采集回放系統(tǒng)基本原理與實現(xiàn)研究*

鄭瀟男 左建生 胥婕

1.上海市計量測試技術(shù)研究院 上海 201203；

2.國家衛(wèi)星導(dǎo)航與定位服務(wù)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(上海) 上海 201203

引言

近年來，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS (Global Navigation Satellite System)快速發(fā)展，GNSS已滲透到現(xiàn)代化社會的各個領(lǐng)域，但在全球?qū)Ш叫l(wèi)星應(yīng)用中，GNSS接收機(jī)所處環(huán)境帶來的誤差源的情況復(fù)雜，對導(dǎo)航信號電參數(shù)的影響差異巨大，難以通過統(tǒng)一的模型進(jìn)行檢測或消除，使得接收機(jī)的定位性能嚴(yán)重依賴于周圍環(huán)境。GNSS衛(wèi)星信號采集與回放儀可以通過錄制真實的GNSS衛(wèi)星信號，回放給GNSS接收設(shè)備進(jìn)行測試，從而推動高精度GNSS接收設(shè)備的研發(fā)。

1 GNSS衛(wèi)星信號采集回放系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 采樣定理

采樣定理為模擬信號數(shù)字化的基礎(chǔ)性理論之一，在GNSS信號采集應(yīng)用中可進(jìn)一步分為低通采樣定理與帶通采樣定理[1]。

（1）低通采樣定理

低通信號為f(t)，而低通信號的采樣過程 為周期性沖擊函數(shù)δ（Tt）與低通信號為f(t)的乘積，進(jìn)一步根據(jù)頻域卷積定理可得：

當(dāng)抽樣頻率大于等于兩倍的截止頻率時，即sω≥時，則頻譜無混疊問題（見圖1），可將低通濾波信號無失真地轉(zhuǎn)化為原始信號；若sω＜2mω，則可出現(xiàn)混疊問題，抽樣頻率失真（見和圖2），此為低通采樣定理。

圖1 高抽樣頻率時的抽樣信號及其頻譜

圖2 低抽樣頻率時的抽樣信號及其頻譜

（2）帶通采樣定理

低通采樣原理主要用以處理(0,fm)頻率范圍內(nèi)的基帶信號。對于帶限頻率對于頻率限制在fL與fH之間的帶通型信號，由于 范圍內(nèi)采樣頻率過高，導(dǎo)致低通采樣原理無法適用。帶通采樣定理則將信號設(shè)為f(t)，對其展開采樣時，采樣速率fs需滿足式（2）：

式（2）中B為fH-fL，N為小于等于 的最大正整數(shù)，M為 ，在采樣速率fs下得到的 可還原出中頻信號fs。帶通采樣定理在實際使用時通常需引入抗混疊濾波器，調(diào)節(jié)信號頻率，以此得到帶通信號，將信號統(tǒng)一為中頻信號。

1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)

模數(shù)轉(zhuǎn)換主要借助模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）完成，經(jīng)過采樣、量化、編碼后將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。①采樣：需選取符合低通、帶通采樣定理的采樣率，以此規(guī)避信號頻譜混疊問題。②量化：將連續(xù)變化的采樣信號幅度分級處理則為量化過程，分級間隔均勻的量化稱之為均勻量化，此時產(chǎn)生的量化電平為常數(shù)，其數(shù)值大小與量化級數(shù)、變化范圍有關(guān)。③編碼：經(jīng)處理后的模擬信號可用不同整數(shù)倍的量化點評表示，此時可產(chǎn)生量化位數(shù)（1倍數(shù)量化電平），在不同信號場合下可存在多種編碼方式，采用特定編碼方式即可完成數(shù)字編碼過程[2]。

1.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)

數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的作用與模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的作用是相反的，數(shù)模轉(zhuǎn)換是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程。數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合起來表示的，對于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的位權(quán)。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須將每1位的代碼按其位權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實現(xiàn)了數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換。

2 GNSS衛(wèi)星信號采集回放系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

基于與GNSS衛(wèi)星信號采集回放系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)原理分析，既要考慮到RFRP（Radio Frequency Record Playback射頻信號記錄回放）的技術(shù)特點，又兼顧GNSS導(dǎo)航信號的技術(shù)特點[3]。

2.1 射頻信號通用特性

（1）帶寬：該指標(biāo)決定了導(dǎo)航信號采集回放儀每通道能夠采集的信號帶寬；

（2）帶內(nèi)平坦度：評價回放信號的線性失真程度；

（3）無雜散動態(tài)范圍：采集回放信號中最大雜波分量相對于載波電平的大小。

（4）回放信號功率特性：對采集回放儀的回放信號輸出功率控制性能進(jìn)行評價，包括：功率范圍、絕對功率準(zhǔn)確度、功率線性等。

（5）回放信號頻率特性：對采集回放儀的回放信號的輸出頻率性能進(jìn)行評估，主要包括頻率偏差和頻率穩(wěn)定度。

2.2 GNSS衛(wèi)星信號采集回放質(zhì)量特性

（1）GNSS衛(wèi)星信號類型：評價導(dǎo)航信號回放儀是否能夠正確采集和回放各星座、頻點的導(dǎo)航信號。

（2）GNSS衛(wèi)星信號回放質(zhì)量：包括：偽距準(zhǔn)確度、偽距變化率準(zhǔn)確度和定位回放一致性等決定該信號是否能夠滿足導(dǎo)航要求的指標(biāo)。

3 GNSS衛(wèi)星信號采集回放系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方式

隨著 GPS，GLONASS，Galileo，BeiDou等四大衛(wèi)星系統(tǒng)的迅速發(fā)展，GNSS衛(wèi)星信號采集回放系統(tǒng)逐漸受到了各高校、研究所與企業(yè)的重視，紛紛加大了科研與資助的力度，研制了基于硬件、軟件及混合架構(gòu)的信號采集回放儀。張婉明等[4]基于ARM與FPGA設(shè)計了一種便攜式衛(wèi)星信號采集回放系統(tǒng)，使用SSD做存儲介質(zhì)增加了系統(tǒng)的靈活性。王海洲等基于軟件無線電的方法對衛(wèi)星信號進(jìn)行采集回放，通過衛(wèi)星模擬器和真實信號采集回放實驗驗證了系統(tǒng)的正確性。目前國內(nèi)外GNSS衛(wèi)星信號采集回放產(chǎn)品較多，例如Bird X-COM IQC5000B、NI PXIe-1082、Spirent GSS6450、LabSat 3、湖南衛(wèi)導(dǎo) PRS2000、湖南矩陣REC7640等[5]。本文分析了基于軟件無線電外設(shè)（USRP）的GNSS衛(wèi)星信號采集回復(fù)系統(tǒng)的基本實現(xiàn)形式[6]，利用司南J350s板卡進(jìn)行了實驗驗證。

3.1 采集系統(tǒng)

在主機(jī)CPU支撐下對信號波形進(jìn)行處理，完成信號調(diào)制、解調(diào)，而采樣過程則依托于FPGA，天線接收到射頻信號將展開濾波、放大等預(yù)處理，完成后則模擬信號經(jīng)過ADC時完成數(shù)模轉(zhuǎn)化，最終GNSS信號經(jīng)PCI接口、以太網(wǎng)后傳輸至主機(jī)，以此完成信號采集，采集的逆過程則為信號回放過程，而承載此數(shù)據(jù)處理過程的平臺可采用USRP平臺。

采集系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)依托于USRP平臺信號接發(fā)過程，展開GNSS衛(wèi)星信號采集系統(tǒng)設(shè)計時，可采用B210系列USRP平臺，射頻收發(fā)芯片包括獨立的接收端口及發(fā)送端口，射頻范圍為70MHz～6GHz，B210系列USRP平臺可通過USB接口與主機(jī)連接，無須外接子板即可完全集成化。B210系列USRP平臺包含低噪聲放大器（LNA）、頻帶整形濾波器、混頻器、正交（Q）放大器，由射頻天線接收GNSS信號后需經(jīng)過放大與濾波預(yù)處理，且在功分器作用下將GNSS信號引入模數(shù)轉(zhuǎn)換、變頻過程，并將操作完成后的數(shù)據(jù)存儲至計算機(jī)，此外另一部分GNSS信號將被接入司南J350s接收板卡，在司南J350s接收板卡輔助下完成信號參數(shù)采集與記錄，在后續(xù)回放實驗中，可將回放信號接入司南J350s接收板卡，司南J350s接收板卡可完成原始信號數(shù)據(jù)與回放數(shù)據(jù)的進(jìn)一步對比分析，以此確保采集信號與回放信號相對應(yīng)。

3.2 回放系統(tǒng)

采集系統(tǒng)可直接將所采集到的信號數(shù)據(jù)存儲至電腦硬盤，而回放系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)可經(jīng)過無插值選項的可編程FIR濾波器，經(jīng)FIR濾波器輸出后被傳遞至插值濾波器，通過額外濾波與速率插值處理后到達(dá)DAC，經(jīng)Q通道與I通道后進(jìn)入RF模塊展開變頻。為確?；胤判盘柋Ｕ娑龋山柚灸螶350s接收板卡完成回放信號驗證處理，與采集系統(tǒng)原始信號數(shù)據(jù)參數(shù)對比，以此了解到回放信號質(zhì)量效果。

GNSS衛(wèi)星信號采集回放系統(tǒng)的最小通道帶寬應(yīng)能滿足至少一個頻點的導(dǎo)航信號的采集，各導(dǎo)航信號的帶寬在2.096MHz(GPS L1)～51.150MHz（Galileo E5)之間，具體如下表：

表1 GNSS衛(wèi)星信號頻率及帶寬

3.3 載噪比估計算法

信號質(zhì)量通常借助信噪比（SNR）代表，其為信號功率PR與噪聲功率N間的比值，即信噪比參量均與噪聲帶寬有關(guān)，每次應(yīng)用信噪比存在不便，信噪比與載噪比間存在對應(yīng)關(guān)系，因此可借用載噪比了解信號質(zhì)量，載噪比為（C/N0），與噪聲帶寬數(shù)值無關(guān)，其具體計算方式為載噪比是表示信號能量與1Hz帶寬的噪聲能量的比值，其大小與接收機(jī)所采用的帶寬無關(guān)，高的載噪比可以提供更好的信號接收率、通信質(zhì)量和提高可靠性。

對于接收機(jī)的噪聲系數(shù)，其第一級低噪放的噪聲系數(shù)對其影響最大，假設(shè)接收機(jī)噪聲系數(shù)≈低噪放噪聲系數(shù)，根據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)中對檢定設(shè)備的要求，應(yīng)小于1.5dB，按1.5dB計算，則接收機(jī)在輸入功率為-130dBm時，應(yīng)不低于42.5dBHz，一般接收機(jī)在≥40dBHz時，均可以正常工作。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文展開了GNSS衛(wèi)星信號采集回放系統(tǒng)基本原理以關(guān)鍵指標(biāo)的分析，以采樣定理、模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)為理論基礎(chǔ)，以B210系列USRP平臺為支撐，借助司南J350s接收板卡，論證了GNSS衛(wèi)星信號采集回放系統(tǒng)實現(xiàn)的方式。