朱正鵬 熊 焱 朱旭鋒 王苑瑾 楊文良

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京100854

0 引言

隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的全面建設(shè)，世界各國(guó)都將研制可同時(shí)提供美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo和我國(guó)北斗導(dǎo)航信號(hào)的多系統(tǒng)多體制的模擬器技術(shù)提上日程。GNSS中頻信號(hào)模擬器可以根據(jù)設(shè)置的載體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、導(dǎo)航衛(wèi)星狀態(tài)、信號(hào)傳播環(huán)境等，精確產(chǎn)生GNSS中頻信號(hào)，是導(dǎo)航系統(tǒng)仿真驗(yàn)證與測(cè)試評(píng)定系統(tǒng)的重要組成部分，與衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)(軟件接收機(jī))等一起實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)體制和信號(hào)接收方法及性能的驗(yàn)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(yàn)平臺(tái)[1]。

目前國(guó)內(nèi)外研制的中頻信號(hào)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(tái)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，該方法精度高、成本低、易于實(shí)現(xiàn)，但需要提前生成信號(hào)，無(wú)法實(shí)時(shí)應(yīng)用。采集回放模擬器基于實(shí)際衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)采集并存儲(chǔ)，在應(yīng)用時(shí)回放數(shù)據(jù)。該方法可以模擬真實(shí)環(huán)境導(dǎo)航信號(hào)，但應(yīng)用靈活性差。硬件模擬器由上位機(jī)軟件和導(dǎo)航信號(hào)生成硬件板卡構(gòu)成，導(dǎo)航信號(hào)參數(shù)由上位機(jī)軟件計(jì)算生成，信號(hào)調(diào)制由硬件板卡實(shí)現(xiàn)，該方法精度高、可以實(shí)時(shí)模擬各類動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，但是技術(shù)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度高[2]。

本文采用軟件無(wú)線電架構(gòu)方法，研制了一種GNSS中頻信號(hào)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(shí)際GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)，為導(dǎo)航接收機(jī)的調(diào)試和測(cè)試提供一種能夠再現(xiàn)的、可控的仿真信號(hào)源，也可以用于系統(tǒng)級(jí)仿真試驗(yàn)，支持不同動(dòng)態(tài)情況對(duì)導(dǎo)航信號(hào)接收和信息處理的影響分析，對(duì)于我國(guó)自主研發(fā)導(dǎo)航信號(hào)體制的驗(yàn)證有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 中頻信號(hào)生成數(shù)學(xué)模型

不同GNSS系統(tǒng)播發(fā)的信號(hào)調(diào)制模式各不相同，對(duì)于目前常用的DSSS(直接序列擴(kuò)頻)+UQPSK(非均衡四相相移鍵控)調(diào)制，信號(hào)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(cè)距碼，P為精密測(cè)距碼，AC、AP分別為對(duì)應(yīng)C碼和P碼的信號(hào)強(qiáng)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(shí)，ωIF為中頻信號(hào)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(hào)數(shù)學(xué)模型：

(3)

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

對(duì)于GPS L1信號(hào)，式(1)～(3)式中的AP、PQ均為0。

式(1)～(3)為單顆衛(wèi)星的信號(hào)，模擬器輸出的中頻和射頻信號(hào)是模擬所有可見(jiàn)衛(wèi)星產(chǎn)生的信號(hào)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(hào)，式(6)為射頻模擬信號(hào)，N代表可見(jiàn)衛(wèi)星總數(shù)。

“對(duì)此，我們經(jīng)常有一個(gè)誤區(qū)，是做推拿和按摩。因?yàn)檠倒塥M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(jìn)行推拿按摩以后感覺(jué)到局部舒服一點(diǎn)，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(guò)程中，這種不穩(wěn)定的因素會(huì)加劇，反而會(huì)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(gè)誤區(qū)，就是補(bǔ)鈣。因?yàn)榇蠹蚁胫倒塥M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(bǔ)鈣，但補(bǔ)鈣對(duì)腰椎管狹窄癥并沒(méi)有直接的作用?！?/p>

2 信號(hào)調(diào)制方案及仿真實(shí)現(xiàn)

按照上節(jié)數(shù)學(xué)表達(dá)式可以實(shí)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(hào)，然后所有可見(jiàn)衛(wèi)星的中頻信號(hào)合為一路輸出，再通過(guò)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(hào)，最后經(jīng)過(guò)正交上變頻成為實(shí)際射頻信號(hào)[4]。

圖1 模擬中頻信號(hào)產(chǎn)生模型

2.1 單通道信號(hào)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(hào)，各顆衛(wèi)星的信號(hào)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)相同，衛(wèi)星信號(hào)參數(shù)由各個(gè)寄存器中的數(shù)值控制。單顆衛(wèi)星信號(hào)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(jì)數(shù)器、擴(kuò)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(hào)產(chǎn)生通道結(jié)構(gòu)

碼NCO：在系統(tǒng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下對(duì)碼頻率控制字進(jìn)行累加，累加器溢出時(shí)，產(chǎn)生持續(xù)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期的碼時(shí)鐘，用于驅(qū)動(dòng)碼發(fā)生器和歷元計(jì)數(shù)器。

C碼發(fā)生器：由移位反饋寄存器組成，在碼時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生偽隨機(jī)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(jì)數(shù)器：對(duì)碼時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，在計(jì)數(shù)滿一個(gè)碼周期時(shí)計(jì)數(shù)器清0，同時(shí)產(chǎn)生導(dǎo)航電文移位時(shí)鐘。

擴(kuò)頻調(diào)制器：將偽隨機(jī)碼與導(dǎo)航電文進(jìn)行異或運(yùn)算后輸出。

乘法器：控制I、Q兩路信號(hào)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(hào)合路

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

圖3中對(duì)于12路信號(hào)的相加，采用了加法器進(jìn)行逐級(jí)相加的方案。每進(jìn)行一次加法運(yùn)算，數(shù)據(jù)位寬需要增加一位，以避免數(shù)據(jù)溢出。單個(gè)信號(hào)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(jiàn)衛(wèi)星數(shù)小于12，此時(shí)沒(méi)有產(chǎn)生可見(jiàn)衛(wèi)星信號(hào)的信號(hào)通道輸出為0。為使信號(hào)合路輸出幅度不隨可見(jiàn)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(lái)進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)模擬器載波多普勒的動(dòng)態(tài)模擬。FPGA主時(shí)鐘為90MHz，若使用DDS直接產(chǎn)生46MHz左右的中頻載波，會(huì)在后端D/A轉(zhuǎn)換器輸出的信號(hào)中產(chǎn)生較大的雜散分量,不利于高質(zhì)量信號(hào)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(hào)帶寬限制，避免信號(hào)產(chǎn)生頻譜混疊。以I、Q兩路輸出的模擬中頻信號(hào)可在射頻電路部分進(jìn)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(duì)射頻信號(hào)濾波器的設(shè)計(jì)要求，而且使得不同載頻的信號(hào)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(diǎn)上的中頻信號(hào)并減少信號(hào)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(hào)頻譜搬移到規(guī)定的頻點(diǎn)上。

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

圖4 數(shù)字上變頻實(shí)現(xiàn)方式

圖4模擬器產(chǎn)生的I、Q兩路模擬中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)，該信號(hào)用于模擬到達(dá)接收機(jī)天線端的衛(wèi)星信號(hào)。

圖5 模擬器射頻前端電路結(jié)構(gòu)

2.4 信號(hào)仿真實(shí)現(xiàn)

單顆衛(wèi)星(GPS)I、Q兩路中頻信號(hào)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(shí)鐘、CA碼時(shí)鐘，CA碼、I路歷元計(jì)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(hào)、Q路中頻信號(hào)。

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

3 硬件實(shí)現(xiàn)

如圖8所示，模擬器通過(guò)RS232高速串口接收上位機(jī)發(fā)送的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，DSP根據(jù)這些觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出特定時(shí)刻的衛(wèi)星信號(hào)狀態(tài)，生成信號(hào)狀態(tài)控制字，存儲(chǔ)在FIFO中，F(xiàn)PGA每隔20ms從FIFO讀取1次控制字，存儲(chǔ)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(hào)，作為數(shù)字上變頻芯片的輸入，進(jìn)行數(shù)字正交上變頻，輸出仍為I、Q兩路數(shù)字中頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生I、Q兩路模擬中頻信號(hào)，最后經(jīng)低通濾波后作為模擬器的模擬中頻信號(hào)輸出。模擬器的模擬中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻前端電路，進(jìn)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(hào)輸出。

圖6 單顆衛(wèi)星(GPS)I、Q兩路中頻信號(hào)仿真結(jié)果

圖7 四通道中頻信號(hào)合路仿真結(jié)果

圖8 模擬器實(shí)現(xiàn)框圖

DSP芯片用于根據(jù)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算相應(yīng)的衛(wèi)星信號(hào)狀態(tài)控制字，選用國(guó)產(chǎn)化DSP芯片F(xiàn)T-C6713J/400。FPGA接收DSP衛(wèi)星信號(hào)狀態(tài)控制字，產(chǎn)生數(shù)字中頻信號(hào)，選用XC7K410T-1FFG900I(配置芯片選擇N25Q128A13ESE40)。D/A轉(zhuǎn)換模塊同時(shí)實(shí)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(shí)模擬2種體制的導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)。

3.1 工作流程

FPGA內(nèi)部狀態(tài)機(jī)每隔1s向上位機(jī)軟件發(fā)出1次請(qǐng)求指令。上位機(jī)軟件檢測(cè)到該指令后通過(guò)RS232串口向DSP外接SDRAM發(fā)送衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)。DSP根據(jù)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出信號(hào)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(gè)1s計(jì)時(shí)脈沖來(lái)臨前，F(xiàn)IFO中的信號(hào)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(hào)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(hào)狀態(tài)控制字中的導(dǎo)航電文由DSP計(jì)算產(chǎn)生并按電文幀格式組織通過(guò)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(jìn)行。如圖9所示，為保證信號(hào)狀態(tài)控制字及導(dǎo)航電文實(shí)時(shí)更新，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)縫處理，模擬器采用2個(gè)FIFO構(gòu)成乒乓結(jié)構(gòu)，通過(guò)輸入輸出選擇模塊，控制2個(gè)FIFO交替讀寫。

圖9 雙FIFO訪問(wèn)時(shí)序

3.2 信號(hào)測(cè)試

模擬器的測(cè)試包括中頻信號(hào)測(cè)試和射頻信號(hào)測(cè)試。在中頻測(cè)試階段，通過(guò)觀察信號(hào)的波形和頻譜來(lái)驗(yàn)證數(shù)字上變頻過(guò)程，輸出I、Q信號(hào)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(hào)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(hào)

模擬器輸出的GPS中頻信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集存儲(chǔ)后，截取其中的1ms數(shù)據(jù)用Matlab進(jìn)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(hào)FFT捕獲結(jié)果圖

用GPS接收機(jī)驗(yàn)證本文模擬器射頻信號(hào)得到定位結(jié)果如圖13所示。接收機(jī)顯示UTC時(shí)刻為00:08:39，03/31/2018，可見(jiàn)星為3、5、6、7、10、27號(hào)星，定位結(jié)果為22.315265E，0.000011N，高度98.7m。上述接收機(jī)定位結(jié)果與模擬器設(shè)定的參數(shù)相符。

圖13 接收機(jī)定位結(jié)果圖

4 結(jié)論

GNSS中頻信號(hào)模擬器在FPGA中實(shí)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(jì)算各信號(hào)狀態(tài)，通過(guò)RS232高速總線實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)軟件之間的數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)對(duì)模擬器輸出信號(hào)的觀測(cè)和信號(hào)采集捕獲的結(jié)果分析，該模擬器可以滿足測(cè)試GNSS信號(hào)接收機(jī)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(wú)線電的平臺(tái)架構(gòu)能夠兼容多個(gè)GNSS系統(tǒng)、多種信號(hào)結(jié)構(gòu)形式，為我國(guó)新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供了驗(yàn)證和評(píng)估手段。