鄭日美

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004）

全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)、軍事、科研等領(lǐng)域，能為用戶提供導(dǎo)航、定位、授時等服務(wù)。GPS 由空間控制部分、地面控制部分、用戶設(shè)備部分三部分組成[1]。在GPS 接收機(jī)設(shè)計階段，需要測試定位算法的各項(xiàng)指標(biāo)。因此，在仿真階段，設(shè)計一個可靠的GPS 衛(wèi)星信號模擬器顯得由為重要。本文根據(jù)GPS 衛(wèi)星信號的結(jié)果特點(diǎn)，利用Simulink 軟件設(shè)計了GPS 衛(wèi)星信號模擬器，采用查找表法產(chǎn)生C/A 碼，四路偽碼發(fā)生器產(chǎn)生P 碼，導(dǎo)航電文采用Bernoulli 隨機(jī)分布模型進(jìn)行建模。仿真結(jié)果表明，該方案結(jié)構(gòu)簡單，仿真結(jié)果可靠。

1 GPS 衛(wèi)星信號特點(diǎn)

GPS 衛(wèi)星發(fā)送的信號由三部分組成：載波信號（L1 和L2）、擴(kuò)頻序列（即測距碼，C/A 碼、P 碼或Y 碼）和導(dǎo)航數(shù)據(jù)（D 碼，亦稱為導(dǎo)航電文）[2]。GPS 信號是利用兩個載波進(jìn)行傳輸?shù)?，即L1 和L2。載波L1的頻率為1575.42MHz，L2 的頻率為1227.60MHz。GPS 衛(wèi)星信號的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，GPS 信號發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的偽碼(C/A 碼和P 碼)及相應(yīng)的數(shù)據(jù)碼(導(dǎo)航電文)一起通過L1 和L2 的載波調(diào)制，然后衛(wèi)星將調(diào)制后的載波信號播發(fā)出去。

2 基于Simulink 的GPS 信號模擬器設(shè)計

Simulink 是Matlab 中的一種可視化仿真工具，用于對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析[3]。本文利用Simulink 工具包構(gòu)建GPS 信號發(fā)生器，具有流程直觀，界面友好，易于操作。

根據(jù)GPS 信號結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于Simulink 的GPS 信號模擬器的整體框架圖如圖2 所示，C/A 碼與導(dǎo)航電文進(jìn)行模2 加后進(jìn)行BPSK 調(diào)制，組成GPS 信號的I 路信號，P 碼與導(dǎo)航電文模2 加后進(jìn)行BPSK 調(diào)制，組成GPS 信號的Q 路信號，最后I、Q 兩路信號與噪聲疊加形成最終的GPS 信號。

2.1 C/A 碼產(chǎn)生

可以利用反饋移位寄存器產(chǎn)生C/A 碼，也可以把各個衛(wèi)星的一個C/A 周期數(shù)據(jù)存儲于2 位查找表中，在仿真時根據(jù)時鐘頻率播發(fā)[4]?？紤]到需要對C/A 碼的碼流進(jìn)行控制(1.023MHZ),同時需要控制輸出碼的相位，本文在最終的仿真的時候采用查找表發(fā)產(chǎn)生C/A 碼，如圖3所示，給出了C/A 碼發(fā)生器仿真圖及其時域波形，利用二維查找表Lookup Table 存儲衛(wèi)星產(chǎn)生的C/A 碼，一號端口為衛(wèi)星編號輸入，二號端口為計數(shù)器輸入。計數(shù)器由1.023MHZ 的方波驅(qū)動，同時C/A phase shift 模塊產(chǎn)生一個常數(shù)和計數(shù)器相加后對1022 取模，保證尋找范圍不超過1022，這樣實(shí)現(xiàn)了C/A 碼的相位控制。

2.2 P 碼產(chǎn)生

如圖4 所示，P 碼發(fā)生器由X1A，X1B，X2A，X2B 分別由12 級反饋移位寄存器構(gòu)成。其中，X1A 的生成多項(xiàng)式為：G (X)=1+X6+X8+X11+X12，初始狀態(tài)為：001001001000。X1B 的生成多項(xiàng)式為：G(X)=1+X+X2+X5+X8+X9+X10+X11+X12，初始狀態(tài)為：010101010100。X2A 的生成多項(xiàng)式 為：G (X)=1+X+X3+X4+X5+X7+X8+X9+X10+X11+X12，初 始 狀 態(tài) 為：100100100101。X2B 的生成多項(xiàng)式為：G(X)=1+X2+X3+X4+X8+X9+X12，初始狀態(tài)為：010101010100。X1A 生成的偽碼與X1B 生成的偽碼異或產(chǎn)生X1 隨機(jī)碼，X2A 生成的偽碼與X2B 生成的偽碼異或產(chǎn)生X2 隨機(jī)碼，X2 隨機(jī)碼進(jìn)過移位寄存器延遲后與X1 異或生成最終的P 碼，移位寄存器的延遲數(shù)與衛(wèi)星編號相關(guān)。

2.3 導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)碼產(chǎn)生

GPS 的導(dǎo)航數(shù)據(jù)碼的播發(fā)速度是50HZ bit，對于GPS 接收的射頻前端和數(shù)字中頻，該數(shù)據(jù)碼可以用Bernoulli 隨機(jī)分布模型來模擬[5]，在Simulink 仿真環(huán)境中可以直接調(diào)用Bernoulli 模塊直接產(chǎn)生隨機(jī)序列。

2.4 BPSK 調(diào)制

完成C/A 碼、P 碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)碼等基帶處理后需要對其進(jìn)行BPSK 調(diào)制。BPSK 調(diào)制時將基帶單極性碼(0,1)轉(zhuǎn)換成雙極性碼(-1,1)，然后將其乘上載波。二進(jìn)制單極性碼轉(zhuǎn)為雙極性碼的轉(zhuǎn)換原理為：將輸入左移1 位后減1。得到雙極性碼后乘上正弦波就得到調(diào)制波形。

3 GPS 信號的基帶等效仿真

由于GPS LI 載波頻率為1575.42MHz,若在Simulink 平臺下直接進(jìn)行頻帶BPSK 調(diào)制,由于lms 內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)太多,模塊運(yùn)行速度慢,造成整個系統(tǒng)延遲嚴(yán)重,所以一般采用基帶等效模型,將頻帶通信系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為基帶等效通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真。圖5 是基帶仿真頻譜圖。

4 小結(jié)

本文利用Simulink 工具產(chǎn)生L1 波段上的GPS 信號，給出了C/A碼，P 碼，數(shù)據(jù)碼，BPSK 等模塊的仿真圖，主要針對基帶信號仿真。對應(yīng)1575.42MHz 的L1 波段。由于頻率較高，時域仿真不太現(xiàn)實(shí)，因此將頻帶通信系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為基帶等效通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

［1］謝鋼.GPS 原理與接收機(jī)設(shè)計[M].電子工業(yè)出版社.

［2］鄧煒,楊東凱,寇艷紅.GPS 中頻信號處理的Simulink 實(shí)現(xiàn)[J].遙測遙控,2006,11,27(6).

［3］沈超,裘正定.基于MatLab/Simulink 的GPS 系統(tǒng)仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2006,7,18(7).

［4］涂鳳琴.GPS 中頻衛(wèi)星信號的仿真研究[D].南京:南京理工大學(xué),2010.

［5］陳濤.GPS 接收機(jī)基帶信號處理的研究和設(shè)計[D].上海:上海交通大學(xué),2009.