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，利用產品化電路模塊搭建硬件體系，研究基于SDR技術的GPS信號測試分析方法；描述各硬件模塊間的接口設計、信號處理的過程及關鍵技術環(huán)節(jié)、系統(tǒng)技術指標；討論基于SDR實現(xiàn)GPS信號捕獲解調算法的注意事項，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，需測試轉發(fā)到室內的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)星信號采用碼分復用(CDMA)擴頻技術，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，導致傳統(tǒng)的頻譜儀、功率計、矢量信號分析儀等儀器設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，結合數(shù)字地圖、慣導組合等技術提供良好的導航及生活應用體驗，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。

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

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)轉換，將模擬信號轉變?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，內部連接如圖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d的關系為：

(1)

圖2 GPS信號采集器內部連接

MAX2769A的端口LNA2用于連接有源天線，設計通過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相當于開路，不影響信號阻抗匹配。

1.2 硬件接口設計

軟件中直接調用驅動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控制接口設計難題。

2 軟件設計

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、校準修正、數(shù)據存儲及事后回放分析等。從采樣數(shù)據中對各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)星預測、對幅度進行標定、存儲/呈現(xiàn)測量結果等，是對核心功能的必要擴展。測試儀采用軟件修正技術：通過標準信號源對測試儀的通道增益等特性進行標校，將顯示結果校準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 軟件關鍵技術

軟件設計中的關鍵技術包括兩項：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；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運算；4)在時移、頻移的兩維空間尋找相關運算的峰值，峰值與周邊噪聲的比值作為判據，大于設定值則捕獲成功，得到跟蹤初始條件，即峰值對應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，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，無法提高實際相關性。

跟蹤指通過PLL及DLL兩個鎖相環(huán)路的鎖定，解調出混雜在一起的各GPS衛(wèi)星的信號，環(huán)路中本振和本地碼信號的初始值設置為捕獲過程獲得的結果。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信號中調制信息造成相位翻轉的影響。

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信號的轉換，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)據點數(shù)；e-2p fn為復本振信號，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(此時復信號帶寬為fs/5=12.5÷10×2=2.5MHz，大于GPS信號C/A碼調制帶寬)。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設計。

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

x3(n)=x2(4n)

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

3 功能、主要技術指標及測試

經過近一年開發(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、解調波形等，還具有衛(wèi)星位置預測、測量時段內信號幅度統(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。測試儀設計技術指標如下：

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測試儀的關鍵技術指標進行了測試，標準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準值，部分測試數(shù)據如表2和表3所示，測試結果表明各項技術指標滿足設計要求。

表2 幅度精度測試

表3 多普勒頻率精度測試

4 結束語

GPS信號測試儀總的設計思路是簡化硬件，強化軟件，通過采用市場上已經具有的、成熟的、模塊化的硬件產品搭建系統(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制復雜、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，對面向實際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