龔文浩，孫國良，黃智剛

（北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

0 引言

偽衛(wèi)星是一種布設(shè)在地面的無線電定位信號發(fā)射器，通常發(fā)射類GPS信號，其定位原理與衛(wèi)星定位相同，使用4顆以上的偽衛(wèi)星即可組成偽衛(wèi)星定位網(wǎng)絡(luò)，主要用于區(qū)域定位。目前，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）在生活中各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但是在森林、峽谷、礦井坑道或者城市建筑內(nèi)等環(huán)境中，受信號遮擋等影響無法實(shí)現(xiàn)定位。針對上述場景，偽衛(wèi)星定位成為了一種方便、可行的方案，具有廣泛的應(yīng)用價值。

本文給出了基于AD9361實(shí)現(xiàn)偽衛(wèi)星信號發(fā)射器的設(shè)計(jì)方案。AD9361[1]作為 ADI公司設(shè)計(jì)的一款高集成度、高靈活度以及可編程的高性能射頻收發(fā)器，擁有兩個相同且獨(dú)立控制的發(fā)射通道，每個通道提供了必要的數(shù)字信號處理、數(shù)模轉(zhuǎn)換、射頻模塊等，以實(shí)現(xiàn)直接變頻系統(tǒng)。數(shù)字信號處理部分擁有可控制、可編程的128抽頭FIR(Finite Impulse Response）濾波器以及多級插值濾波器，完成對數(shù)字信號的濾波、數(shù)據(jù)速率插值等處理；數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用12位量化，最高采樣率61.44MHz；射頻模塊的工作頻率范圍是70 MHz至6.0 GHz，涵蓋大部分特許執(zhí)照和免執(zhí)照頻段，另外 AD9361還擁有90dB的功率控制范圍，這將允許偽衛(wèi)星系統(tǒng)針對不同應(yīng)用情景需求靈活設(shè)置信號發(fā)射頻段與發(fā)射功率；此外AD9361支持的通道帶寬范圍為200 kHz至56 MHz，足夠滿足無線電定位信號通常的帶寬要求。

本文將分別介紹基于上述方案的偽衛(wèi)星信號發(fā)射器系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以及對信號發(fā)射器的測試分析等。

1 信號發(fā)射器系統(tǒng)架構(gòu)

本設(shè)計(jì)中，偽衛(wèi)星信號發(fā)射器主要由SoC芯片、AD9361、衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)模塊、上位機(jī)等組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 偽衛(wèi)星信號發(fā)射器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該信號發(fā)射器由AD9361實(shí)現(xiàn)射頻信號的產(chǎn)生及控制；通過Xilinx ZYNQ ZC7020 CLG400型號SoC芯片實(shí)現(xiàn)信號源的基帶設(shè)計(jì)。ZC7020芯片的基本架構(gòu)分為兩部分，其一，Processing System（一般簡稱為 PS），即處理器（ARM）部分，其二，Programmable Logic（一般簡稱為PL）即可編程邏輯（FPGA）部分[3]。PL部分主要負(fù)責(zé)偽衛(wèi)星信號發(fā)射器的數(shù)字基帶設(shè)計(jì)[4]，然后利用AD9361模塊將數(shù)字基帶信號進(jìn)行濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換、上變頻等一系列處理，產(chǎn)生所需射頻信號；對AD9361的控制由PS部分負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)，其中AD9361的部分配置信息通過上位機(jī)發(fā)送給 PS部分，這樣實(shí)現(xiàn)了通過上位機(jī)對AD9361關(guān)鍵參數(shù)的靈活設(shè)置。

同時，信號發(fā)射器采用了高精度天寶GPS模塊提供的時間和位置信息作為偽衛(wèi)星的時間和空間基準(zhǔn)。通過GPS模塊的1PPS信號實(shí)現(xiàn)與世界協(xié)調(diào)時（Coordinated Universal Time，UTC）整秒時刻嚴(yán)格對齊，具體的時刻信息通過 RS232串口輸出的TSIP協(xié)議數(shù)據(jù)獲取。該時間同步方式將偽衛(wèi)星時間與 UTC時間相同步，為多臺偽衛(wèi)星發(fā)射器的同步提供了基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

偽衛(wèi)星信號由導(dǎo)航電文、偽隨機(jī)碼和載波三部分構(gòu)成。其中，導(dǎo)航電文提供了偽衛(wèi)星位置以及時間信息，偽隨機(jī)碼實(shí)現(xiàn)了對導(dǎo)航電文的擴(kuò)頻處理，并對數(shù)字載波進(jìn)行二進(jìn)制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)調(diào)制；調(diào)制后的數(shù)字中頻信號由FPGA控制的AD9361轉(zhuǎn)換為射頻信號。

2.1 偽衛(wèi)星導(dǎo)航電文設(shè)計(jì)

導(dǎo)航電文包含了定位所需的關(guān)鍵信息，是偽衛(wèi)星定位中不可或缺的一部分。本設(shè)計(jì)中電文用于主要包含了時間、偽衛(wèi)星三維位置等信息。電文速率采用50bps，周期為6s。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

電文以一個幀的結(jié)構(gòu)編排成數(shù)據(jù)流，共包含10個字，每個字包含30bits，最后6bits為奇偶校驗(yàn)位（規(guī)則參考GPS電文）。所設(shè)計(jì)偽衛(wèi)星導(dǎo)航電文中每個字前24bits詳情如表1所示。

第一個字主要用于電文幀的同步，其中第1~8bits為同步碼“10001011”，該同步碼每隔6s出現(xiàn)一次。第二個字的第1~14bits為日內(nèi)時計(jì)數(shù)，日內(nèi)時計(jì)數(shù)由本地計(jì)數(shù)器提供，每六秒計(jì)數(shù)器加一，本地計(jì)數(shù)器的初始值由偽衛(wèi)星信號發(fā)射器開機(jī)后所得到時間基準(zhǔn)計(jì)算所得，對應(yīng)于每日零時計(jì)數(shù)器值為零。后面的幾個字中包含了當(dāng)前的年月日以及偽衛(wèi)星的經(jīng)緯高，該日期與日內(nèi)時計(jì)數(shù)相結(jié)合便能得到電文幀發(fā)射的準(zhǔn)確時間；偽衛(wèi)星三維位置同樣由衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)模塊提供，并且實(shí)時更新，更新頻率為每分鐘一次。

圖2 偽衛(wèi)星信號電文結(jié)構(gòu)

表1 偽衛(wèi)星導(dǎo)航電文詳細(xì)格式

這樣的電文結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得只要衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)模塊能夠接收衛(wèi)星信號并準(zhǔn)確輸出當(dāng)前時間、位置等，則偽衛(wèi)星信號發(fā)射器便可在短時間內(nèi)發(fā)射帶有準(zhǔn)確時間、位置信息的導(dǎo)航電文。這將允許偽衛(wèi)星在不同區(qū)域、隨時布置組網(wǎng)，方便快速的用于區(qū)域定位。此外，當(dāng)前電文設(shè)計(jì)中仍保留約70bits備用，可滿足鐘差等其他信息使用。

2.2 偽碼與數(shù)字調(diào)制

偽隨機(jī)碼具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)性能，在無線電定位中的主要作用為信號擴(kuò)頻處理與碼分多址。本設(shè)計(jì)中偽隨機(jī)碼采用了GPS的C/A碼，碼率1.023Mcps，周期1ms[8]。C/A生成主要由有兩個十級反饋移位寄存器和一個相位選擇器組成，首先由兩個反饋移位寄存器產(chǎn)生一對碼率為1.023Mcps、周期長為1023碼片的m序列G1和G2，這兩個十級m序列的特征多項(xiàng)式如下：

然后相位選擇器通過選擇G2發(fā)生器中的兩個不同的寄存器單元異或輸出，再與G1輸出異或即可產(chǎn)生不同編號的C/A碼。

數(shù)字基帶部分的主時鐘采用 51.15MHz。電文速率為 50bps，電文產(chǎn)生模塊中的時鐘由主時鐘1023000分頻得到；偽碼速率為 1.023Mcps，偽碼產(chǎn)生模塊中的時鐘由主時鐘 50分頻得到；數(shù)字載波頻率 5.115MHz，產(chǎn)生數(shù)字載波最常用的方式為直接數(shù)字式頻率合成，這種方式雖然簡單靈活而且精度較高，但是通常情況下這種方式所產(chǎn)生的載波頻率會存在微小的頻差，隨著時間的累積，會造成數(shù)字載波與電文、偽碼的相位不對齊。因此，本設(shè)計(jì)中采用直接分頻的方式，將一個周期正弦波/余弦波從零相位開始等分十個相位點(diǎn)分別計(jì)算對應(yīng)值，然后利用主時鐘沿依次讀取上述值，即可產(chǎn)生精確的5.115MHz的數(shù)字載波。

將導(dǎo)航電文與偽隨機(jī)碼進(jìn)行異或運(yùn)算，其結(jié)果對5.115MHz的低中頻數(shù)字載波進(jìn)行BPSK調(diào)制，完成數(shù)字基帶信號的產(chǎn)生。AD9361上變頻采用了正交上變頻的方式，因此需產(chǎn)生有 I、Q兩路數(shù)字基帶信號。通過 Modelsim軟件數(shù)字基帶信號進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3所示。

圖3 偽衛(wèi)星基帶信號仿真結(jié)果

圖3 中，code是導(dǎo)航電文，carrierWave_cos、carrierWave_sin為數(shù)字載波，navidata導(dǎo)航電文，signal_cos 、signal_sin為經(jīng)BPSK調(diào)制后的低中頻數(shù)字信號；從上圖可以看出，調(diào)制后的信號相位反轉(zhuǎn)點(diǎn)準(zhǔn)確，偽碼、導(dǎo)航電文以及數(shù)字載波的相位嚴(yán)格對齊。

2.3 基于AD9361的射頻控制

AD9361負(fù)責(zé)偽衛(wèi)星信號發(fā)射器中數(shù)字基帶信號向射頻信號的轉(zhuǎn)換。AD9361的控制通過ZC7020芯片的PS部分完成，主要通過一組SPI接口，對AD9361內(nèi)部大量寄存器寫入值，以完成對AD9361的控制[5]。

表2 AD9361參數(shù)配置函數(shù)

ADI公司提供了基于Xilinx-Linux的AD9361開發(fā)程序包，其中包含了大量的AD9361配置函數(shù)。在對AD9361寄存器進(jìn)行配置時，首先調(diào)用程序包提供的初始化主函數(shù)，并對其中某些參數(shù)進(jìn)行修改；其中包含，本設(shè)計(jì)中 AD9361使用的晶振頻率為26MHz，相應(yīng)的將其中參考時鐘頻率reference_clk_rate修改為 26000000；將frequency_division_duplex_mode_enable設(shè)置為 1，使用FDD工作模式；將lvds_mode_enable設(shè)置為1，使用LVDS接口方式等等。通過該初始化主函數(shù)能夠完成對大部分寄存器的初始化配置。然后再對某些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)配置，其中部分參數(shù)配置函數(shù)如表2所示。

為了方便對AD9361關(guān)鍵參數(shù)的靈活設(shè)置，本設(shè)計(jì)使用一臺PC機(jī)作為上位機(jī)，通過以太網(wǎng)接口與 PS相連，利用UDP協(xié)議[6]向 PS發(fā)送AD9361的配置信息；將PS端作為UDP通信的服務(wù)器端，設(shè)置固定的端口號，上位機(jī)端作為客戶端。上位機(jī)中控制程序在 MATLAB中實(shí)現(xiàn)，將發(fā)送信息封裝成特定格式的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖4所示，使用udp函數(shù)向服務(wù)器端的IP地址與端口號發(fā)送數(shù)據(jù)包；在PS中LINUX環(huán)境下，使用socket函數(shù)創(chuàng)建服務(wù)器端套接字，利用bind函數(shù)將套接字綁定到服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)地址上，再利用recvfrom函數(shù)接收數(shù)據(jù)。將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行包頭識別、ID識別，讀取出相應(yīng)的配置信息，使用對應(yīng)的配置函數(shù)完成對AD9361相關(guān)參數(shù)的配置。

圖4 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

包頭為 0xF0，作為數(shù)據(jù)包的識別碼；ID位不同配置信息的識別碼；后面數(shù)據(jù)為 ID對應(yīng)的配置數(shù)據(jù)。

3 偽衛(wèi)星信號測試及分析

利用頻譜儀、標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航接收機(jī)對偽衛(wèi)星信號發(fā)射器進(jìn)行測試，從頻譜、導(dǎo)航可用性兩個角度驗(yàn)證信號發(fā)射器所發(fā)射信號的準(zhǔn)確性。

3.1 信號頻譜測試

將 AD9361射頻部分的本振 LO依次設(shè)置為71.61MHz、2.450085GHz，則實(shí)際發(fā)射信號中頻頻率分別為 76.725MHz、2.4552GHz，發(fā)射功率設(shè)置為-30dBm。通過惠普HP8595E頻譜儀對射頻信號進(jìn)行頻譜分析，分別將頻譜儀中心頻率設(shè)置為76.725MHz、2.4552GHz、，帶寬為10MHz，解析帶寬（RBW）為 100kHz，視頻帶寬(VBW)為 10kHz[9]。信號頻譜如圖5所示。

圖5 信號頻譜

圖6 導(dǎo)航接收機(jī)捕獲跟蹤測試

經(jīng)過測試，在兩個不同頻段，射頻信號頻譜均滿足兩側(cè)對稱，主瓣帶寬 2.046MHz，第一旁瓣相對于主瓣功率衰減約15dBm，因此偽衛(wèi)星信號發(fā)射器在不同頻段發(fā)射信號頻譜準(zhǔn)確。

3.2 信號捕獲跟蹤測試

本設(shè)計(jì)中，偽衛(wèi)星信號具有與GPS民用信號相同的偽隨機(jī)碼，電文幀結(jié)構(gòu)與GPS電文子幀相似，因此將本發(fā)射器信號載波頻點(diǎn)設(shè)置為 1575.42MHz時，能夠通過GPS接收機(jī)對信號完成捕獲、跟蹤與電文解算。本測試采用某型標(biāo)準(zhǔn)GNSS接收機(jī)進(jìn)行。

將發(fā)射信號偽隨機(jī)碼編號設(shè)置為 2，中心頻率設(shè)置為1575.42MHz，發(fā)射功率衰減至約-130dBm，用該衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)進(jìn)行處理。接收機(jī)處理結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，接收到了衛(wèi)星編號為2的信號，多普勒頻率為 30Hz，信號載噪比45.0dBHz；“LOCK”結(jié)果為“ATBP”，表示已經(jīng)完成了捕獲（Acquisition）、跟蹤（Tracking）、位同步(Bit synchronization)、前導(dǎo)碼（Preamble）識別。由此表明偽衛(wèi)星信號發(fā)射器所產(chǎn)生的射頻信號準(zhǔn)確，信號質(zhì)量較高。

4 結(jié)論

為滿足偽衛(wèi)星定位的需求，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種以FPGA為控制核心、AD9361為射頻模塊的偽衛(wèi)星信號發(fā)射器。該信號發(fā)生器能夠通過上位機(jī)程序方便的控制射頻信號中心頻率，以滿足不同應(yīng)用場景下對信號頻段的需求；整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，易于后續(xù)在FPGA上對基帶信號的結(jié)構(gòu)、體制進(jìn)行改進(jìn)。通過對信號頻譜、接收機(jī)處理等測試，證明了所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的偽衛(wèi)星信號發(fā)生器能夠發(fā)射準(zhǔn)確的無線電定位信號。

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