GPS射频信号源的设计与实现*

占 光1，徐 飞1，段小辉1，周 瑞

(1.北京大学 信息科学技术学院 电子学系，北京 100871；2.空军航空大学 航空电子工程系，长春 130022)

1 引 言

GPS(全球定位系统)是美国军方研制的新一代空间卫星导航定位系统，其主要目的是提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集等,主要由地面控制、空间卫星和用户装置3部分组成。在GPS软件接收机研究测试过程中，需要借助卫星模拟信号源模拟GPS射频信号，检测接收机的捕获和跟踪性能，正是基于这一点来研究和设计GPS射频信号源，用来模拟产生GPS卫星信号，为GPS接收机研制、测试提供仿真环境，检验接收机的工作状态。

GPS射频信号源在GPS领域有着重要的应用，也是未来GPS伪卫星定位系统研究的重要基础，本文主要基于软件无线电(Software Defined Radio,SDR)思路，在设计中强调可编程性和通用性，尽量通过软件实现各种功能，为以后的改进和升级创造条件。

2 GPS卫星信号

2.1 GPS卫星系统

GPS全球定位系统地面控制部分由主控站、监测站和信息注入站组成，主控站计算各个卫星的星历、卫星时钟误差和大气层的修正参数并传送到注入站，注入站将各种信息输入到相应卫星的存储系统；用户装置部分是用户进行导航定位的终端设备，由接收机硬件、数据处理软件组成；空间卫星部分由分布在6个轨道上的24颗卫星组成，每个轨道上有4颗卫星，提供星历和时间信息，向用户发送信号。GPS是一种双重用途的系统，提供民用和军用两种服务，即标准定位服务(SPS)和精密定位服务(PPS)，SPS是指定为民用的，对全时间所有用户均可用，PPS指定为美国军方和政府机构使用的，只能授权使用。

2.2 GPS信号结构

根据文献[1]和文献[2]，GPS卫星的信号有L1(1 575.4 MHz)和L2(1 227.6 MHz)两个频率，其中L1信号由两个PRN码及导航数据调制，这两种码分别是粗/截获码(C/A码)和精密码(P码)，由于P码信号保密，非授权用户不能使用，因此本文设计的GPS信号源只模拟可见的GPS卫星L1频率C/A码信号。GPS信号是一种BPSK调制的直接序列扩频(DSSS)信号，由D码、C/A码和L1载波3部分组成，其信号表达式为

Si(t)=ACi(t)Di(t)cos(ω0t+φ0i)

(1)

式中,Si(t)为第i颗卫星的信号,A为信号幅度，Ci(t)为第i颗卫星的PN扩频码(C/A码)，Di(t)为第i颗卫星的导航位数据，ω0为信号频率,φ0i为第i颗卫星的信号相位。

3 系统设计

3.1 总体设计

(1)主要性能

由于GPS卫星的P码信号保密, 国外非授权用户不能使用, 因此本文设计的GPS射频信号源是L1频率的C/A码信号，主要设计性能指标如表1所示。

表1 GPS信号源性能指标

(2)设计方案

按照GPS信号源系统要实现的功能，参考文献[3]和文献[4]，设计中考虑到要减少噪声干扰、提高系统稳定性，以及便于调试等，GPS射频信号源整个系统设计分为数字和模拟两部分，基带/中频模块以数字电路设计为主，射频模块以模拟电路设计为主，其中基带/中频模块主要采用软件无线电的思路，利用FPGA芯片产生GPS导航电文(D码)、扩频码(C/A码)和中频数字载波，完成BPSK调制、扩频调制和载波调制，输出8 bit的数字中频GPS信号。射频模块是整体设计的核心，主要是以频率综合器为中心进行射频电路板的设计与实现，对信号进行混频、滤波、功率控制等，将GPS中频信号调制到射频，最终可由天线发射出去，完成上变频功能。

3.2 基带/中频模块

基带/中频模块的设计主要利用FPGA芯片EP1C6Q240C8完成，采用硬件编程语言(VHDL)进行GPS信号调制设计。算法原理是对式(1)信号进行时域抽样t=nTs，式(1)可以表示为

Si(nTs)=ACi(nTs)Di(nTs)cos(ω0nTs+φ0i)

(2)

式中,Ts为抽样时间，与抽样频率ωs的关系满足Ts=2π/ωs。在数字系统中，我们用n表示nTs，则式(2)转化为

Si(n)=ACi(n)Di(n)cos(2nπ(ω0/ωs)+φ0i)

(3)

根据文献[5]，式(3)是数字信号调制的基本原理，也是本文基带/中频模块设计与实现的算法原理，整个基带/中频模块GPS信号调制的设计原理如图1所示，主要由C/A码模块、D码模块、DDS模块和调制模块组成，其中C/A码模块模拟产生速率1.023 MHz的第i颗卫星的C/A码序列，C/A码有1 023个码片，因此C/A码持续周期是1 ms；D码模块模拟产生速率50 Hz的第i颗卫星的导航电文(D码)；DDS模块产生速率12.5 MHz的数字载波信号；调制模块对C/A码信号、D码信号和载波信号进行扩频调制和BPSK调制，输出12.5 MHz的GPS数字中频信号。

图1 GPS信号调制原理图

在基带/中频模块的设计中，外围电路设计是以FPGA芯片为核心，及其它器件的数字电路设计。对FPGA芯片的GPS信号调制，我们采用VHDL进行信号设计，仿真测试平台以QuartusII 8.0和ModelSim为主，其中GPS信号调制设计的电路如图2所示。

图2 GPS信号调制电路图

3.3 射频模块

(1)设计原理

射频模块设计以频率综合器为核心，包括混频器、滤波器、衰减器等器件，设计原理如图3所示，晶振经过频率综合器(压控振荡器、环路滤波器、锁相环)输出射频本振信号，和基带/中频模块输出的GPS中频信号在混频器中进行混频，将GPS信号由中频搬移到射频上，GPS射频信号经2 MHz的滤波器滤波，在可调衰减器调整功率后，从天线发送出去。

图3 射频模块原理图

(2)典型电路设计

在射频模块设计中，参考文献[6]的有关资料，频率综合器选用ADI公司的ADF4360-4，其典型应用电路如图4所示。其中ADF4360-4的第17、18、19脚分别为控制数据的CLK脚、DATA脚、LE脚，与测试输出用的20脚MUXOUT一并接到5针插头，与FPGA芯片的I/O接口连接，作为其输入输出控制接口， 4脚RFoutA和5脚RFoutB是模拟输出的差分高频信号，通过匹配网络和谐振滤波网络送入混频器的差分输入端，作为混频器的本振信号。

(3)初始化设置

ADF4360-4的内部寄存器用来暂存指令和数据，每次上电时必须给内部寄存器写入数值进行初始化。ADF4360-4有3个24位寄存器(R寄存器、N寄存器和C寄存器)用来暂存数据，通电时寄存器数据写入顺序是R寄存器、C寄存器和N寄存器，数据输入是通过FPGA芯片的3个双向I/O口，分别接ADF4360-4的LE脚、DATA脚、CLK脚来写入初始化数据的，初始化程序用VHDL语言编写，其中3个24位寄存器的初始化数据设置如表2所示。

图4 ADF4360-4的应用电路

表2 寄存器初始化设置

4 实验结果

4.1 基带/中频模块

基带/中频模块的设计是以FPGA芯片为核心，芯片采用Altera公司的EP1C6Q240C8。在QuartusII 8.0平台下测试，系统占用逻辑单元337个。采用ModelSim仿真平台，编写TestBench测试文件，仿真波形如图5所示，其中信号sin是DDS模块产生的数字中频载波，信号CA是C/A码模块产生的C/A码，信号Navi是D码模块产生的导航电文，信号CA-Navi-sin是调制模块产生的GPS数字中频信号。将FPGA芯片输出的GPS数字中频信号，经D/A转换后，送到安泰频谱分析仪AT5011，频谱波形如图6所示，信号中心频率为12.5 MHz。

图5 ModelSim仿真波形图

图6 中频模块测试频谱图

4.2 射频模块

将GPS射频信号源的基带/中频模块和射频模块正确连接好，射频信号通过射频模块SMA接口输出，经60 dB衰减器衰减后送到频谱分析仪，频谱波形是一个单频信号，信号中心频率是1 575.4 MHz，测试结果符合设计要求。

5 结论

本文根据GPS卫星信号的结构及射频电路设计的特点，采用软件无线电的思路，给出了GPS射频信号源的设计方案。在方案中硬件设计提供一个标准化平台，通过软件实现GPS信号调制等功能，软件设计强调功能模块化，通用性强，易于修改和升级。实验结果表明该设计符合要求。下一步需要提高硬件平台的稳定性和可靠性，软件设计需要增加Nios嵌入式处理器软核，进行性能优化，提高系统性能。

参考文献：

[1] IS—GPS—200D，GPS JOINT PROGRAM OFFICE[S].

[2] Elliott D Kaplan,Christopher J Hegarty. GPS原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2007:48-109.

Elliott D Kaplan,Christopher J Hegarty.Understanding GPS Principles and Applications [M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2007:48-109. (in Chinese)

[3] J B Y Tsui. GPS软件接收机基础[M]. 2版.北京:电子工业出版社,2005:2-86.

Tsui J B Y. Fundamentals of Global Positioning System Receivers A Software Approach [M].2nd ed.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2005:2-86.(in Chinese)

[4] 刘栩之. GPS L1单频伪卫星设计与实现[D].上海:上海交通大学,2008.

LIU Xu-zhi. Design and Implementation of GPS L1 Pseudolite Signal Generator[D]. Shanghai:Shanghai Jiaotong University, 2008.(in Chinese)

[5] John G Proakis.数字通信[M].4版.北京:电子工业出版社,2005:169-265.

John G Proakis. Digital Communications[M].4th ed.Bei jing:Publishing House of Electronics Industry,2005:169-265.(in Chinese)

[6] 林巧莉.基于ADF4360系列的小型化频率综合器设计[J].电讯技术,2008,48(10):81-83.

LIN Qiao-li.Miniaturization Design of Frequency Synthesizer Based on ADF4360 Series [J].Telecommunication Engineering,2008,48(10):81-83.(in Chinese)